Click here to load reader

VÝSKUM POVRCHOV METÓDOU ATÓMOVEJ SILOVEJ · PDF fileCvičenie k predmetu Polovodiče. 2 VÝSKUM POVRCHOV METÓDOU ATÓMOVEJ SILOVEJ MIKROSKOPIE. Princíp činnosti AFM AFM využíva

  • View
    217

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of VÝSKUM POVRCHOV METÓDOU ATÓMOVEJ SILOVEJ · PDF fileCvičenie k predmetu...

  • Cvienie k predmetu Polovodie. 1 VSKUM POVRCHOV METDOU ATMOVEJ SILOVEJ MIKROSKOPIE.

    VSKUM POVRCHOV METDOU ATMOVEJ SILOVEJ MIKROSKOPIE

    Atmov silov mikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) je zariadenie vyuvan najm na vskum povrchovch vlastnost vzoriek. Patr do irokej rodiny skenovacch sondovch mikroskopov (Scanning probe microscope, SPM), pomocou ktorch vieme zisti loklne vlastnosti skmanch vzoriek, ako naprklad povrchov morfolgiu, loklnu magnetizciu, odrazivos a absorbciu svetla, elektrick i tepeln kapacitu, vodivos at.

    SPM s produktom dlhho vvoja mikroskopov. Klasick optick mikroskopy sa zaali pouva u v 15. storo, ke boli vyroben jednoduch zvovacie sklka. Ich rozliovacia schopnos sa asom znane zdokonalila, avak maximlne rozlenie optickch mikroskopov je dan vlnovou dkou viditenho svetla. Kee najkratia vlnov dka viditenho svetla je 400 nm, najvie rozlenie optickho mikroskopu me by len 200 nm (/2). Za elom merania atmovch truktr je potrebn nov zdroj svetla s kratou vlnovou dkou.

    Prv spen skmanie atmovch truktr vychdzalo z objavenia dulneho princpu kvantovej mechaniky, poda ktorho maj objekty mikrosveta dvojak charakter, vlnov a asticov. Pritom plat, e elektrn z vyou energiou m kratiu vlnov dku ako elektrn s niou energiou. Toto poznanie viedlo k mylienke nahradi fotny urchlenmi elektrnmi a dosiahnu tak vyiu rozliovaciu schopnos. Na zklade tohto princpu v roku 1931 E. Ruska a K. Knoll vyvinuli prv elektrnov mikroskop. Postupne sa poet modernch zariaden urench na zobrazovanie povrchu zaal zvyova. S vyuitm tunelovacieho javu sa podarilo vyvin nov techniku na zisovanie morfolgie povrchu s rozlenm menm ako 0,1 nm. V roku 1981 Binnig a Rhrer vyvinuli v laboratriu IBM skenovac tunelovac mikroskop. Skenovacia tunelov mikroskopia (Scanning tunneling microscopy, STM) sa stala revolunou v oblasti vedeckho vskumu povrchov materilov, umoujc tdium rznych povrchovch javov. Vstup z STM poskytuje zobrazenie povrchu materilu z rozlenm jednotlivch atmov.

    Objavenie STM a vynikajce vsledky dosahovan tmto mikroskopom podnietili rozvoj vo vvoji alch technk sliacich na vskum povrchovch vlastnost materilov. Tieto meracie techniky nazvame shrnne SPM techniky. Vvoj smeroval k zjednodueniu kontrukcie, k vvoju matematickho apartu na spracovanie zskanch obrazov a hadania vhodnch materilov a technolgi pre vytvranie nosnkov, hrotov a pohybovch zariaden.

    Tunelovac efekt, ktor sa vyuva pri STM, obmedzuje pouitie tohto zariadenia len na meranie vodivch povrchov. Pre nevodiv materily sa povrch meranej vzorky mus pokry tenkou vodivou vrstvou, o me vies k zneniu topografickho rozlenia. Tto znan nevhoda STM viedla k vyvinutiu atmovho silovho mikroskopu v roku 1986.

    Elektrotechnick stav SAV. Ing. Jn olts, PhD.

  • Cvienie k predmetu Polovodie. 2 VSKUM POVRCHOV METDOU ATMOVEJ SILOVEJ MIKROSKOPIE.

    Princp innosti AFM

    AFM vyuva na meranie povrchu vzorky ostr hrot, dky niekoko mikrometrov, ktor je vytvarovan na vonom konci prunho nosnka. Hroty s prevane roben z kremka alebo Si3N4, priom polomer piky takhoto hrotu je 2 20 nm. Nosnk sli na snmanie interaknch sl medzi hrotom a povrchom vzorky. Piezoelektrick krytl spolu s nosnkom, ktor je na om upevnen, sa pohybuje (rastruje) v rovine x - y (paralelnej s povrchom vzorky). Ostr hrot tak kopruje" nerovnosti na povrchu vzorky a poda jeho relifu sa ohba v smere osi z (kolmo na povrch vzorky). Detekcia ohybu nosnka je zaloen na optickom princpe. L z laserovej didy dopad na piku nosnka a od neho sa odra na fotodetektor (obr. 1). Ten je rozdelen na dve alebo tyri citliv asti. Pred vlastnm skenovanm sa systm mechanicky nastav tak, aby energia zvzku dopadala na vetky asti fotodektora rovnako. Pri meran sa ohyb nosnka prejav posunom stopy odrazenho la, take energia dopadajca na jednotliv asti detektora u nebude rovnak a z ich pomeru je mon uri vychlenie nosnka. Kvadrantn detektor umouje detekova pohyb svetelnej stopy aj v horizontlnom smere, teda skrut nosnka (mikroskopia laterlnych sl - LFM).

    Obr. 2 Typick AFM hroty

    Obr. 1 Principilna schma AFM mikroskopu v kontaktnom (popis iernym) a nekontaktnom mde (popis iernym a ervenm).

    zrkadlo

    laser

    nosnk s hrotom vzorka

    x-y piezo

    spracovanie signlu

    VS dif. OZ

    vf genertor

    PID integrtor

    kvadrantn fotodetektor

    Elektrotechnick stav SAV. Ing. Jn olts, PhD.

  • Cvienie k predmetu Polovodie. 3 VSKUM POVRCHOV METDOU ATMOVEJ SILOVEJ MIKROSKOPIE.

    Detektor je schopn registrova zmenu polohy la od jednho nanometra. Pomer dky la medzi nosnkom a detektorom ku dke nosnka spsobuje mechanick zosilnenie. To m za nsledok, e systm me detekova vertiklny pohyb nosnka pod rovou 0,1 nm. Vychyovanie nosnka sa poas merania zaznamenva a alm programovm spracovanm sa generuje vsledn topografia povrchu.

    Na hrot, ktor je v tesnej blzkosti povrchu psobia predovetkm krtkodosahov odpudiv sily elektrostatickho pvodu (prejavujce sa pri prekryt elektrnovch orbitlov atmov alebo molekl povrchu hrotu a vzorky) a alekodosahov, praliv van der Waalsove sily (teda sily dipl-diplovej interakcie). Presn kvantovo-mechanick vpoet tchto sl pre systm atmov hrotu a povrchu je pomerne zloit. Vplyv obidvoch sl je ale mon modelova naprklad empirickm Lennard-Jonesovm potencilom. Pri vzjomnej interakcii hrot vzorka pre potencil plat:

    =

    612

    4)(rr

    r V , (1.1)

    kde r je vzdialenos hrotu od vzorky, , s pecifick Lennard-Jonesov parametre. len mern (1/r)12 popisuje oblas odpudivej sily, len mern (1/r)6 oblas pralivej sily. Priebeh Lennard-Jonsonovho potencilu je znzornen na obrzku 3. Krivka zvislosti interaknej sily medzi hrotom a vzorkou od ich vzdialenosti m obdobn charakter.

    Zo zmenovanm vzdialenosti prechdza krivka z oblasti pralivch sl do oblasti odpudivch sl. V zvislosti od vzdialenosti hrotu od vzorky poas skenovania rozliujeme tri reimy AFM: kontaktn, nekontaktn a preruovan md. Tieto mdy maj svoje uplatnenie pre jednotliv aplikcie a s vysvetlen v nasledujcich statiach.

    Obr. 3 Priebeh LennardJonesovho potencilu v zvislosti od vzdialenosti hrot - vzorka

    Elektrotechnick stav SAV. Ing. Jn olts, PhD.

  • Cvienie k predmetu Polovodie. 4 VSKUM POVRCHOV METDOU ATMOVEJ SILOVEJ MIKROSKOPIE.

    Kontaktn md AFM

    V kontaktnom mde sa hrot fyzicky dotka povrchu vzorky a je pritlan uritou silou. Vekos tejto aplikovanej sily sa odvodzuje z kontanty prunosti nosnka, ktor je pribline 0,01 1 N/m pre kontaktn AFM hroty.

    Na pravej strane krivky z obr. 3 s atmy hrotu a povrchu vzorky vzdialen, vzjomn silov psobenie je minimlne. Zmenovanm vzdialenosti sa atmy zan navzjom priahova. Praliv sila sa zvuje pokia s atmy tak blzko, e ich elektrnov obaly sa zan elektrostaticky odpudzova. alm zniovanm medziatomrnej vzdialenosti elektrostatick odpudzovanie postupne oslabuje praliv silu. K vyrovnaniu pralivej a odpudivej sily dochdza pri vzdialenosti niekoko desatn nanometra t.j. pri dke typickej pre chemick vzbu. Ke vsledn sila nadobudne odpudiv charakter, hovorme, e atmy s v kontakte.

    Odpudiv elektrostatick sily vykompenzuj kad vonkajiu silu, ktor sa poksi pribli atmy bliie k sebe. V AFM to znamen, e ke nosnk tla hrotom na vzorku, dochdza skr k jeho ohnutiu, ne k aliemu zmeneniu vzdialenosti atmov hrotu a vzorky. Pri silnejom pritlaen nosnka ku vzorke dochdza k deformci povrchu vzorky alebo k pokodeniu hrotu, ale nie k zmeneniu medziatmovej vzdialenosti.

    Okrem van der Waalsovej sily s pri kontaktnom AFM mde prtomn ete alie dve sily. Prvou je kapilrna adhzna sila od tenkej vodnej vrstvy ( > 100 nN), ktor sa vdy vyskytuje na povrchu pri bench atmosferickch podmienkach. Tto sila dr hrot v kontakte so vzorkou a jej vekos zvis od vzdialenosti hrotu od vzorky. Druh sila pochdza od nosnka, jej vekos a znamienko zvis od prehnutia nosnka a od jeho kontanty prunosti. Vsledn sila, ktorou hrot psob na vzorku je stom tchto dvoch sl a je kompenzova n odpudivou elektrostatickou silou. Jej vekos sa pohybuje v intervale 10-8 10-6 N. V skutonosti medzi hrotom a vzorkou me existova ete niekoko interaknch sl. alie typy povrchovch sl svisia s vskytom elektrostatickho nboja zachytenho na povrchu polovodiov alebo izoltorov, prpadne s prtomnosou inov vo vodnej vrstve.

    AFM me snma topografick dta v mde kontantnej vky alebo v mde kontanej sily a to poda zadanej sptnej vzby medzi nosiom a piezo.

    V mde kontantnej vky je sptn vzba vypnut a vka skenera fixn, na generovanie topografickch dt sa vyuvaj priestorov vchylky nosnka. Tento md je uren pre atmovo rovn povrchy, kde s vchylky nosnka mal. Vyuva sa hlavne pre in-situ merania meniaceho sa povrchu, kde je potrebn vysok rchlos skenovania.

    V mde kontantnej sily je prehnutie nosnka kontantn a teda celkov sila psobiaca na vzorku sa poas skenovania nemen. Ohyb nosnka je pouit ako vstup do obvodu sptnej vzby, ktor ovlda pohyb skenera nahor a nadol poda topografie povrchu a tm zabezpeuje kontantn rove prtlanej sily nosnka. V tomto mde sa obrzok generuje z pohybu skenera v smere osi z. Rchlos skenovania

Search related