Post on 08-Feb-2017
SS 09 Oberflächenphysik
Methoden der Oberflächenphysik: Struktur
Rastertunnelmikroskopie
und
Rasterkraftmikroskopie
SS 09 Oberflächenphysik
Gliederung
• Kleine Geschichte der Mikroskopie
• Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Quantenmechanische Grundlage
- In der Praxis
• Beispiele aus der Anwendung
• Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM)
- Betriebsmodi / Kräfte
• Abbildungsfehler/Artefakte
• Anwendungsbeispiele
SS 09 Oberflächenphysik
Historische Entwicklung der Mikroskopie
Begrenzung der Auflösung durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts
• Lichtmikroskop
SS 09 Oberflächenphysik
Historische Entwicklung der Mikroskopie
• Lichtmikroskop
• Elektronenmikroskop
Ernst Ruska1933
SS 09 Oberflächenphysik
Historische Entwicklung der Mikroskopie
• Lichtmikroskop
• Elektronenmikroskop
• Feldionenmikroskop
Erstmals Abbildung einzelnerAtome 1955.
Beschränkung auf dieUntersuchung sehr dünnerSpitzen ausgewählterMaterialien!
Erwin WilhelmMüller, 1951
Das Feldionenmikroskop, Z.Phys. 131, 136 (1951)
SS 09 Oberflächenphysik
Historische Entwicklung der Mikroskopie
Russel Young 1971
• Lichtmikroskop
• Elektronenmikroskop
• Feldionenmikroskop
• Topografiner
SS 09 Oberflächenphysik
Historische Entwicklung der Mikroskopie
Gerd Binnig Heinrich Rohrer
Nobelpreis 1986zusammen mit
Ernst Ruska(Elektronenmikroskop)
Atomare Auflösung aufMetall- und Halbleiter-
Oberflächen
• Lichtmikroskop
• Elektronenmikroskop
• Feldionenmikroskop
• Topografiner
• Rastertunnelmikroskop
SS 09 Oberflächenphysik
Historische Entwicklung der Mikroskopie
Atomare Auflösungauch auf
nichtleitendenMaterialien möglich
• Lichtmikroskop
• Elektronenmikroskop
• Feldionenmikroskop
• Topografiner
• Rastertunnelmikroskop
• Rasterkraftmikroskop
SS 09 Oberflächenphysik
STM/AFM Vergleich
Rastertunnelmikroskopie (STM) :
• Bildet Oberflächen mit atomarer Auflösung ab
• Spitze mit Vorspannung rastert leitende Oberfläche
Tunnelstrom wird gemessen
• Information über Topographie und elektronische DOS
Rasterkraftmikroskopie (AFM) :
• Spitze rastert über eine Oberfläche
Kraft zwischen Spitze und Oberfläche wird gemessen
• Information über Topographie, Reibung und Adhäsion
Mit beiden Methoden können Oberflächen auch manipuliert werdenMit beiden Methoden können Oberflächen auch manipuliert werden
SS 09 Oberflächenphysik
Gliederung
• Kleine Geschichte der Mikroskopie
• Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Quantenmechanische Grundlage
- In der Praxis
• Beispiele aus der Anwendung
• Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM)
- Betriebsmodi / Kräfte
• Abbildungsfehler/Artefakte
• Anwendungsbeispiele
SS 09 Oberflächenphysik
Funktionsweise eines RTM
KlassischeMechanik
Annäherung einer (aufatomarer Skala) scharfenmetallischen Spitze an eineOberfläche bis auf wenigeAtomabstände Tunnelstrom fließt
LogarithmischeAbstandsab-hängigkeit desTunnelstroms!
Wie entsteht der Tunnelstrom?
QuantenmechanikTunnel-effekt!
SS 09 Oberflächenphysik
Tunnelstrom durch Barriere
Metall-Vakuum-Metall Übergang
Tunnelstrom:
I V S e-2ka k = =
V = Spannung Spitze/Probe
S = Lokale Zustandsdichte der Probe
a = Breite der Barriere
= Austrittsarbeit
~ 4 eV k ~ 1 Å-1
Strom sinkt um Faktor e2 ~ 7.4 pro Å
Abstand kann sehr genau kontrolliert werden
SS 09 Oberflächenphysik
Fotos von Atomen?
Si(111) 7x7
2.4 V - 2.4 V
M. Herz, F. J. Giessibl, J. Mannhart Phys. Rev. B 68, 045301 (2003)
SS 09 Oberflächenphysik
Bardeen Tunneltheorie
SS 09 Oberflächenphysik
Bardeen Tunneltheorie
A. D. Gottlieb, L. Wesoloski Nanotechnology 17, R57 (2006)
(B1) Elektron-Elektron Wechselwirkung vernachlässigbar
(B2) Besetzungswahrscheinlichkeiten von Spitze und Probe sind unabhängig und ändern sich nicht beim Tunneln
(B3) Spitze und Probe sind im elektrochemischen Gleichgewicht
(O1) Tunneln ist kleine Störung Störungstheorie 1. Ordnung
PP
S
k
(O2) Zustände der Spitze und Probe fast senkrecht zueinander
SS 09 Oberflächenphysik
Bardeen Tunneltheorie
Übergangsrate für Elektron von Probenzustand P in Spitzenzustand S:
P
s
s
• gilt auch für Übergangsrate von Spitze zu Probe
• immer! Näherung wg. (O2)
• bei bekannten Zuständen für Spitze und Probe
Tunnelstrom
M 2 ( kS, P) P(Ek
S - E)
kS P P
A. D. Gottlieb, L. Wesoloski Nanotechnology 17, R57 (2006)
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Tunnelstrom
+-
Spitze Probe
Probe Spitze
S
S P
P
niedrige Temperatur:
0
eV
PT (E
F + )
S
Mittelwert von M2( n)
Für Metall-Spitze mit freien Elektronen:
RTM Spektroskopie
A. D. Gottlieb, L. Wesoloski Nanotechnology 17, R57 (2006)
SS 09 Oberflächenphysik
Matrixelemente
nP
j S
nP
j S
j S
nP
j S
j S
nP
nP
Anstatt Volumenintegral, berechne Fluss durch „Trennungsfläche“
Spitze Probe
n
T
A. D. Gottlieb, L. Wesoloski Nanotechnology 17, R57 (2006)
SS 09 Oberflächenphysik
Näherung für die Spitze
J. Tersoff and D. R. Hamann, Phys. Rev. B 31, 805 (1985)
Tunnelstrom proportional zur elektronischen Zustandsdichte bei r0,hervorgerufen durch die Wellenfunktionen der Probe bei quasi Efermi μ
(gilt nur für kleine Spannung!)
Wellenfunktion der Spitze
inv. Abklinglänge derWellenfunktion in Vakuum
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Zustandsdichte in Abhängigkeit von Abstand
Au(110)
(2x1) (3x1)
SS 09 Oberflächenphysik
Spektroskopie
SS 09 Oberflächenphysik
Einfluss der Stromrichtung
Si(111) 7x7
2.4 V - 2.4 V
unbesetzte Zustände besetzte Zustände
M. Herz, F. J. Giessibl, J. Mannhart Phys. Rev. B 68, 045301 (2003)
SS 09 Oberflächenphysik
Einfluss der Spitze
Spitze
Probe
s pz pz pz
pzs dz
2 fz3
Si Spitze (pz) Co Spitze (dz2) Sm Spitze (fz
3)
SS 09 Oberflächenphysik
Oberflächenrekonstruktion
Si (111) 7x7
SS 09 Oberflächenphysik
Oberflächenrekonstruktion
SiC (000) 3x3
besetzte Zustände unbesetzte Zustände
SiC (000) 3x3
SS 09 Oberflächenphysik
Gliederung
• Kleine Geschichte der Mikroskopie
• Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Quantenmechanische Grundlage
- In der Praxis
• Beispiele aus der Anwendung
• Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM)
- Betriebsmodi / Kräfte
• Abbildungsfehler/Artefakte
• Anwendungsbeispiele
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Abbildungsqualität
SS 09 Oberflächenphysik
Spitzenpräparation
W-wire
plastic tubes
d = 0.5 mm
fixed length 8 mm
+-
F. Matthes, IFF-9
Elektro-chemisches Ätzen
drop of 0,075 ml 5 mol NaOH
SS 09 Oberflächenphysik
Spitzenpräparation
Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM)
Tip length 440 μm
nach Elektronenstrahl-Heizen
Radius ~60 nm
1000 V
Heater: 6s @ 4.5mA
SS 09 Oberflächenphysik
Spitzenpräparation
Präparation im Vakuum:
• Feldemission durch Anlegen hoher Spannungen
• Ätzen durch Ionenbeschuss
• Sanfte Berührungen der Probenoberfläche
tip crash
SS 09 Oberflächenphysik
~ 0.1 - 3 V
Piezoelektrischer Effekt: Piezoelektrische Kristalle können durch Anlegeneiner elektrischen Spannung verkürzt oder verlängert werden!
SpitzeTunnelstromOberfläche
Piezo-Elemente
Tripod: Laus:Probe
PiezoelektrischePlatte
Grobannäherung:
Positionierung
Röhrenscanner:
Elek-troden
Beetle:
Probe
Spitze
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Messmodi
Konstant-Strom-Modus Konstant-Höhen-Modus
SS 09 Oberflächenphysik
Rampen
~ 0.1 - 3 V
• Exakte Positionierung (Grob- und Feinannäherung)
• Möglichst rauscharme Messung sehr geringer Ströme (~ nA). Aufwendige Elektronik sowie Software für Datenaufnahme.
• Aufwendige mehrstufige Schwingungsdämpfung (Wirbelstromdämpfung, Pneumatische Schwingungsisolation, Federn, ...)
Experimentelle Anforderungen
SS 09 Oberflächenphysik
Gliederung
• Kleine Geschichte der Mikroskopie
• Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Quantenmechanische Grundlage
- In der Praxis
• Beispiele aus der Anwendung
• Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM)
- Betriebsmodi / Kräfte
• Abbildungsfehler/Artefakte
• Anwendungsbeispiele
SS 09 Oberflächenphysik
Zeitaufgelöste RTM
Konstant-Höhen-Modus
Dynamische Prozesse auf der Oberfläche direkt
beobachtbar mit einer Frequenz von bis zu 60 Hz
Sauerstoff auf Ruthenium(FHI-Berlin)
Für viele oberflächenspezifischeProzesse reicht diese zeitliche
Auflösung bei weitem nicht ausund andere Methoden müssen
herangezogen werden.
SS 09 Oberflächenphysik
Fulleren-Nanoröhrchen
C60Fulleren
Nanoröhrchen
Alle chemischenBindungenabgesättigt
hohe Stabilität
Kroto, Smalley, CurlNobelpreis 1996
Erstaunliche Eigenschaften:• sehr leicht (nur aus Oberfläche bestehend)• härter als Stahl• mit sehr hoher Leitfähigkeit herstellbar•.....
C. E. Giusca et al.,
Nanoletters 07
SS 09 Oberflächenphysik
Peapods
D. J. Hornbaker et al., Science `02
positive bias
negative bias
SS 09 Oberflächenphysik
RTM bei variabler Temperatur (VT-RTM)
• Temperaturänderungen bewirken häufig Übergänge zwischen verschiedenen Oberflächenphasen, diese Übergänge können somit direkt beobachtet werden
• Bei sehr tiefen Temperaturen bewegen sich Atome auf Oberflächen praktisch nicht mehr. Verschiebt man mit der Tunnelspitze solche Atome „gewaltsam“, kann man deren Anordnung fast beliebig beeinflussen.
SS 09 Oberflächenphysik
Manipulation einzelner Atome
SS 09 Oberflächenphysik
Manipulation einzelner Atome
SS 09 Oberflächenphysik
Manipulation einzelner Atome
SS 09 Oberflächenphysik
Manipulation einzelner Atome
B. Voigtländer, FZ-Jülich IBN-3
CO Moleküle auf Cu (111)
http://www.fz-juelich.de/ibn/group_voigtlaender
SS 09 Oberflächenphysik
Oberflächenzustände
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html
Don Eigler (IBM, Almaden)
48 Fe atoms on Cu(111)
SS 09 Oberflächenphysik
„Quanten Wunder“
D.A. Eigler et al. Nature, 2. Feb. 2000http://www.almaden.ibm.com/almaden/media/image_mirage.html
• Ellipse aus 36 Kobalt Atomen auf Cu Substrat
• einzelnes Kobalt Atom in Fokuspunkt
• einige Eigenschaften erscheinen am anderen Fokus
• Größe und Form der Ellipse bestimmen Weg der „Information“
SS 09 Oberflächenphysik
„Quanten Wunder“
D.A. Eigler et al. Nature, 2. Feb. 2000http://www.almaden.ibm.com/almaden/media/image_mirage.html
• Magnetismus des Co Atoms verändert Oberflächen-Elektronen
Kondo-Resonanz
• Co Atom nicht im Fokus
extra Resonanz verschwindet
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Kommerzielle Systeme
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• Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Quantenmechanische Grundlage
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• Beispiele aus der Anwendung
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- Betriebsmodi / Kräfte
• Abbildungsfehler/Artefakte
• Anwendungsbeispiele
SS 09 Oberflächenphysik
Rasterkraftmikroskop
Rastern
SS 09 Oberflächenphysik
Vertikale und laterale Kraftmessung
SS 09 Oberflächenphysik
Kräfte und Messmodi„Contact“ Modus
dc Betrieb F = k · X
k: FederkonstanteX: Cantilever Ablenkung
z = f(x,y), F konst.
„Non-contact“ Modusac Betriebkleine Amplitude
z = f(x,y), F‘ konst.
langreichweitige Kräfte
„Tapping“ Modus
ac Betrieb
große Amplitude
bei weichen Materialienschonender als „contact“
SS 09 Oberflächenphysik
„Contact“ Modus
• Sanfter physischer Kontakt mit Probe
• Benutzt abstoßende ionische Kräfte (10-9 N)
• Geeignet für härtere Materialien
- Metalle, Keramiken, Polymere, …
• Kann abrupten Kanten und hohen steilen Formen nicht folgen
• Cantilever billiger als die für andere Modi
• Einfacher einzustellen und zu benutzen als die anderen Modi
• Kann laterale Reibungskräfte auf der Probenoberfläche
aufnehmen
SS 09 Oberflächenphysik
„Non-contact“ Modus
• Cantilever schwingt nahe der Oberfläche
• Benutzt Van der Waals, elektrostatische, magnetische oder
Kapillarkräfte für die Bilderzeugung
• Sehr kleine Kraft zwischen Spitze und Probenoberfläche
• Geeignet für weiche oder elastische Proben
• Schwieriger zu messen als „contact“ Modus
• Cantilever teurer
SS 09 Oberflächenphysik
„Tapping“ Modus
• Schlüsselfortschritt für AFM Messungen
• Ähnlich zu Non-Contact Modus, Spitze berührt leicht die
Probenoberfläche
• Überwindet Probleme mit Reibung, Adhäsion,
elektrostatischen Kräften etc.
• Geeignet für alle Oberflächen
• Schädigt Proben weniger als Contact, da keine Lateralkräfte
wirken können
• Cantilever teurer
SS 09 Oberflächenphysik
„Tapping“ Modus
SS 09 Oberflächenphysik
Verschiedene Abbildungen
Gefriergebrochener Styrol – Isobultylen – Styrol a-b-a Block Kopolymer-Filmvon: http://www.psrc.usm.edu/mauritz/afm.html
Höhen Bild
Amplituden Bild
Phasen Bild
SS 09 Oberflächenphysik
Abbildungsmodi
SS 09 Oberflächenphysik
Messungen bei konstantem Abstand
Messung in zwei Phasen:
Geeignet für z.B. elektrostatische oder magnetische Kräfte
1) Aufnahme der Topographie in
„Tapping“ oder „Contact“ Modus
2) System wiederholt die Spur ohne
Regelung in vorgegebener Höhe
misst langreichweitige Kräfte in
„non-contact“ Modus
SS 09 Oberflächenphysik
Kräfte
SS 09 Oberflächenphysik
Cantilever und Spitzen
Cantilever-Spitze Einheit typischer-weise aus Si oder Si3N4
Charakterisiert durch:
Spitzenradius (typ. 10 nm)
Federkonstante (0.1-100 N/m)
Resonanzfrequenz (5-500 kHz)
verschiedene Beschichtungen erhältlich
magnetische Cantilever erhältlich
SS 09 Oberflächenphysik
Spitzenform und Auflösung
RKurzreichweitige WW wie Tunnelstrom
Auflösung bestimmt durch Mikro-Spitze
Herstellung von STM Spitzen mit atomarer
Auflösung auf atomar flachen Terrassen „einfach“
Größere Probenstrukturen
Makroskopische Spitzengeometrie wird wichtig
SS 09 Oberflächenphysik
Gliederung
• Kleine Geschichte der Mikroskopie
• Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Quantenmechanische Grundlage
- In der Praxis
• Beispiele aus der Anwendung
• Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM)
- Betriebsmodi / Kräfte
• Abbildungsfehler/Artefakte
• Anwendungsbeispiele
SS 09 Oberflächenphysik
Bildinterpretation
SS 09 Oberflächenphysik
Artefakte
Abgeflachte Spitze
=> „Dreiecke“ bilden Spitze ab
Doppel-Spitze => „Geisterbild“ bei hohen Objekten
Kraftinduzierte Artefakte
Kapillarkräfte
SS 09 Oberflächenphysik
Gliederung
• Kleine Geschichte der Mikroskopie
• Prinzip der Rastertunnelmikroskopie (RTM)
- Quantenmechanische Grundlage
- In der Praxis
• Beispiele aus der Anwendung
• Prinzip der Rasterkraftmikroskopie (AFM)
- Betriebsmodi / Kräfte
• Abbildungsfehler/Artefakte
• Anwendungsbeispiele
SS 09 Oberflächenphysik
Kraftspektroskopie
Annäherung
Rückzug
SS 09 Oberflächenphysik
AFM in Flüssigkeit
SS 09 Oberflächenphysik
Messungen an Ferroelektrika
AFM erzeugt ferroelektrische Domänen in Substrat und bildet diese ab
Feldverteilung um die Spitze
SS 09 Oberflächenphysik
„Dip-Pen“ Litographie
SS 09 Oberflächenphysik
„Tinten“
Weiche Materialien
• kleine funktionelle Moleküle
• SAMs
• Leitende Polymere
• Biopolymere/ Makromoleküle
Harte Materialien
• Metall Tinten
• Sol Prekursoren
• Nanoteilchen Katalysatoren
SS 09 Oberflächenphysik
Self-assambly
90 minuten „Echtzeit“
Substrat: HOPG
Ausrichtung wird in „Tapping“ Modus nicht verändert
C60 „Federbälle“
SS 09 Oberflächenphysik
Manipulation
H-terminiertes Si wird lokal oxidiert
Pt/Cr Beschichtung auf Si Spitze
SS 09 Oberflächenphysik
ManipulationU = -10 V U = -3 V
SS 09 Oberflächenphysik
Andere Abkürzungen…