A szilárdtestfelületek szerkezetének felderítésére alkalmas legfontosabbmódszerek (FEM-FIM, LEED, RHEED, SPM-STM-AFM)

történeti áttekintés

a módszerek fejlesztési iránya

atomi poziciók deketálása

A felület részaránya igen kis tömbi hányadot képez, ha a felületi atomi réteget a tömbben diszpergáljuk, vagyis a felületi érzékenység igen nagy érzékenységet jelent.

Az elektronok inelasztikus szabadúthossza jellemzően változik az energiával, de szilárdtestekben meglehetősen kicsi a 10-1000 eV tartományban, összemérhető a szokásos rácsállandókkal:   10 Angstroms ( 1 nm ) 15 < E/eV < 350   20 Angstroms ( 2 nm ) 10 < E/eV < 1400 , s ez eredményezi a nagy felületérzékenységet.

FEM-FIMField Emission Microscopy (FEM)Field Ion Microscopy (FIM) ( téremissziós mikroszkópia, térionizációs mikroszkópia)

A téremissziós mikroszkópot 1936-ban Dr. Erwin Mueller alkotta meg, aki később 1951-ben készülékét továbbfejlesztve feltalálta a térionizációs mikroszkópot is. A maga korában (sőt egészen az STM 1982-ben történő felfedezéséig) a téremissziós mikroszkóp volt az egyetlen kísérleti módszer, amellyel szilárdtestfelületek atomjai megjeleníthetők voltak. Még napjainkban is fontos módszer, különösen, ha „repülési idő” tömegspektrometriával van összekapcsolva, s így atomszondás elemanalízisre ad lehetőséget.

FEM-FIMField Emission Microscopy (FEM)Field Ion Microscopy (FIM) ( téremissziós mikroszkópia, térionizációs mikroszkópia)

A nagyon kis görbületi sugarú (~ 20 nm) csúcs egy krisztallit formát képez, ahol a kristálytani síkok és a felület metszése élatomokat eredményez. Ezeknek a környezetüknél nagyobb az emisszióképességük, ezért a FEM (ill. a FIM) képeken fényes pontokként jelentkeznek a képernyőn, ha a minta és a hemiszférikus képernyő közé 10 - 20 kV nagyságrendű feszültséget kapcsolunk.

modell FIM kép

FEM-FIMA téremissziós (térionizációs) mikroszkóp felépítése

NagyításN = a minta – csúcs távolság / csúcs görbületi sugár

10 cm / 10 nm ~ 107

hűthető mintatartónagy feszültség

betekintő ablak

minta

leképező gáz (He)

elektron ágyú

fékező rácsok

minta

kollektor felület

kísérleti elrendezés

Low Energy Electron Diffraction (LEED) ( kis energiájú elektrondiffrakció)

LEED analizátor

Tipikus energia tartomány: 20-200 eV, amely esetében a kb. 0.3 nm rácsállandójú síkrácsok 10-15 cm távolságban jól elkülönülő (10-15 mm) diffrakciós pontok jelennek meg.

LEED

Az elektron hullámhossza, = h / p ( ahol p az elektron impulzusa)vagyis

p = m v = (2 m Ek )1/2 = (2meV)1/2 , ahol

m – az elektron tömeg [ kg ] v - sebesség [ m s-1 ] Ek – kinetikus energia

e – elektromos töltésV – gyorsító feszültség (eV)

= h / ( 2 m e V )1/2

az erősítés vagyis a diffrakció Bragg-feltétele

a x sin = n x

valódi rács – reciprok rács távolság hullámszám vektor

(energia jellegű)

LEED

1 1 a a

LEEDvalódi rács fcc(110) felület diffrakciós (LEED) kép

Első közelítésben a felületi elemi cella elhelyezkedés szimmetria viszonyait kapjuk meg (kinetikus LEED elmélet). Az elemi cella belső atomi felépítésére primér elektron energia-függés mérésekre van szükség, amelynek kiértékelésében az nyugalmi atomi poziciók körüli termikus rezgéseket is figyelembe kell venni (dinamikus LEED elmélet).

RHEED

88 fokos beesési szög esetén

Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) ( reflexiós nagy energiájú elektrondiffrakció)

A diffrakciós kép ebben az esetben meghatározott távolságban megjelenő csíkok rendszere, amelyeknek a távolsága a rácssíkok távolságával hozható kapcsolatba.

Főleg vékonyrétegek (fémfilmek) növesztésének ellenőrzésére használják.

RHEED

Az úgynevezett szendvics-rétegek ill. szuperrácsok kialakításában alapvető fontosságú technika.

az STM felfedezéséért kapott Nobel-díj megünneplése 1986 IBM-Laboratórium, Zürich

Gerd Binnig, Heinrich Rohrer

1986

Si (111)-(7x7)

az első kísérleti megvalósítás

SPM

SPMScanning Probe Microscopies (SPM)Scanning Tunneling Microscopy STM (Pásztázó Alagútmikroszkópia)Atomic Force Microscopy AFM (Atomi erő mikroszkópia) (SFM ??)Scanning Magnetic Microscopy SMM (Pásztázó Mágneses Mikroszkópia)

leképező tű (szenzor)

vizsgálati tárgy

a leképezési tartomány atomi léptékű tartományon

leképezés a valódi rácstérben

A leképező tű mozagatása 0.01 nm laterális pontossággal piezoelektromos pozicionálók segítségével

nem csak mikroszkóp, de nanomanipulátor is

SPM az alagutazás elektronszerkezeti értelmezése

a Fermi-szint körülibetöltött és betöltetlen állapotok fontossága

ze-z ahol 2mU-E)]1/2 /h

SPM

Az STM-tű, a minta, az STM feszültség-generátora és az alagútáram erősítő zárt áramkört alkot. Az állandó aramú üzemmódban a Z-piezo ún. negatív visszacsatolással biztosítja az alagút áram szabályzását, miközben a szükséges Z-távolság értékét egy leolvasó áramkör elküldi a komputerbe, ahol egy megfelelő program képi információvá rakja össze a kapott értékeket.

SPM

betöltött elektron állap.

betöltetlen elektron állap.

leképező tű

leképező tű

potenciál gát véges magasságvéges szélesség

a leképező feszültség 0.01-5.00 V nagyságrendűa leképező áram 0.05-5.00 nA nagyságrendű

sávszerkezeti kép

A minta-tű távolsággal exponenciálisan csökkenő alagútáram !

a nagy laterális felbontás értelmezése

ze-z ahol 2mU-E)]1/2 /h

tartózkodási valószínűség : P e-2z

ily módon az alagútáram speciális esetben : I ne-2z

EF

En = EF-eV

amennyiben a lokális állapot sűrűség definícióját felhasználjuk s(z, E) =n

E

En=E-

azt kapjuk, hogy az alagútáram I V * s(z, EF)

SPM

SPM

Si(111)-(7x7)Az STM első nagy sikerét egy régóta megoldatlan felületi rekonstrukció, a Si(111) felület 7x7-es rekonstrukciójának megfejtése jelentette

A képi megjelenítést nagyban elősegítette a mikroszámítógépek fejlődése az 1980-as évek közepétől. Ma már 0.01 sec / kép (512 x 512 képpont) sebességgel video-szerűen rögzíthetők felületi folyamatok (Video-STM).

Az STM fejlesztésének a Video-STM és az STM-manipulátor mellett, a spektroszkópiai üzemmód kihasználása. A lokálisan felvett I-V spektrumok a felületi állapotsűrűségről adnak információt.

SPMAz STM, mint nanomanipulátor

A leképező tű megfelelő alagútáram és feszültség esetén képes arra, hogy a felületen kötött atomot vagy molekulát felvegye vagy lerakja, ily módon atomokból szabályos elrendeződések rakhatók ki (csak türelem kérdése).

Carbon Monoxide Man Carbon Monoxide on Platinum (111)

The Beginning Xenon on Nickel (110)

STM üzemmódok STM funkciók

konstans áramú leképezés

It = const., Z-piezo visszacsatolás

képi információ: Z-piezo feszültség

állandó távolságú leképezés

Z-piezo konstans, nincs visszacsatolás

képi információ: It alagútáram

I / U spektrumok felvétele

X, Y, Z-piezo konstans

mikroszkóp

nanomanipulátor

spektrométer

SPM

a gyakorlati munka szempontjából fontos faktorok

1. elektronika, számítástechnika,

2. zajcsökkentés, mechanikai stabilitás

3. reprodukálható tű készítés

4. képfeldolgozás, megjelenítés

5. kiegészítő módszerek alkalmazása

SPM