estudio de superredes mediante afm
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Oral presentation realized as PhD subjet "Microscopía de fuerza atómica" at Universidad Nacional de Rosario (Argentina) in 2007TRANSCRIPT
Estudio de superredes mediante AFM
Javier García Molleja
Introducción
Microscopía de fuerza de fricciónMonocapas orgánicasNanotubos de carbonoSolitones en fullerenosEfectos de la corrosiónEfectos del orden espontáneoPelículas delgadas de óxido de perovskita
Introducción
Caracterización de antipuntosPropiedades de fracturaSuperred de CoO/CoPuntos cuánticos en superredesComparación de STM y AFM
Microscopía de fuerza de fricción
Al estudiar con AFM el grafito aparece el efecto conocido como “stick-slip” (o elevación-deslizamiento).
En este efecto aparecerán saltos de la punta y por tanto no podrán determinarse completamente las estructuras atómicas.
Microscopía de fuerza de fricción
Microscopía de fuerza de fricción
Para evitar el efecto haremos el estudio desde el punto de vista de la fricción lateral.
Se considerarán para ello distintas combinaciones de rigidez lateral y carga normal en el cantilever.
Microscopía de fuerza de fricción
El cantilever puede sufrir los siguientes movimientos:
1. Doblamiento vertical
2. Doblamiento lateral
3. Torsión
4. Extensión
Microscopía de fuerza de fricción
Microscopía de fuerza de fricción
El modelo analítico de estudio se basa en la suposición de un comportamiento similar a muelles elásticos.
Analizaremos en detalle los grados de libertad y la composición de movimientos.
Así se simularán diferentes comportamientos atendiendo a la deflexión o no del cantilever.
Microscopía de fuerza de fricción
En el modo de fuerza constante se tiene que YC
es constante, por lo que para conocer fY hay que medir x
C.
Si no se considera la dinámica del cantilever deberá cumplirse que el movimiento de éste sea más lento que las vibraciones de la red.
Debemos apoyarnos de estudios cuánticos y moleculares. Supondremos que el potencial de interacción es del tipo de Lennard-Jones.
Microscopía de fuerza de fricción
Al no considerar la dinámica se podrá observar que la posición de los átomos de carbono no es exacta al estudiar el mapa de fuerza lateral.
El mapa de fuerza normal sí dará las posiciones exactas.
Esto se debe a la coincidencia o no del máximo de fuerza y la posición.
Microscopía de fuerza de fricción
Microscopía de fuerza de fricción
Podemos también considerar la dinámica del cantilever.
Necesitamos un tratamiento matricial para la ecuación de movimiento.
La masa, la rigidez y la fuerza de interacción entre punta y muestra serán matrices.
El vector de desplazamiento absoluto y relativo también se relacionan por una matriz.
Microscopía de fuerza de fricción
Monocapas orgánicas
Con AFM se pueden realizar estudios tribológicos.
El sustrato será de Si (111) y se depositará por evaporación una capa de Au (111).
El oro se limpia con radiación y soluciones químicas.
Monocapas orgánicas
Si sumegimos todo el sistema en soluciones orgánicas, con el tiempo se creará una capa de tipo orgánico.
El entrecruzamiento entre las moléculas se puede lograr con un bombardeo electrónico.
El estudio se hará en modo contacto con inclinación de 22º y un 45-55% de humedad relativa, limpiando previamente la muestra con agua destilada.
Monocapas orgánicas
Monocapas orgánicas
Punta y cantilever son de Si3N4, con el último recubierto de oro, forma triangular y constante 0.58 N/m. La punta será una pirámide cuadrada de 30-50 nm de radio.
Obtendremos las imágenes de rugosidad y fricción. La adhesión se determinará en el modo de calibración.
Se recurre a una punta de base triangular de diamante para realizar el desgaste.
Monocapas orgánicas
Con las dimensiones del cantilever y su módulo de Young podemos determinar la constante de muelle.
La punta recorrerá periódicamente una muestra de silicio para eliminar la posible contaminación.
Podemos estudiar el efecto de la humedad.
Monocapas orgánicas
Existe una buena correlación entre las imágenes de altura y fricción, ya que cambian al unísono.
Monocapas orgánicas
Monocapas orgánicas
La adhesión se puede modelizar con FL = 2Rla (cos1 + cos2).
R es el radio de la gota de agua de forma esférica, la es la tensión del líquido contra el aire y los valores 1 y 2 son los ángulos de contacto entre el líquido y superficies planas y esféricas, respectivamente.
Monocapas orgánicas
Mediante la ecuación de Young-Dupre sabremos el trabajo de adhesión: Wa = la (1 + cos 1).
Monocapas orgánicas
Monocapas orgánicas
Las figuras muestran los mapas de fricción y de desgaste.
Los resultados dependen del empaquetamiento molecular de cada capa depositada.
Se comprueba que existe un valor crítico. La adhesión y la fricción aumentan por la
creación de un capilar de agua en presencia de los grupos polares, a humedad relativa distinta de cero.
Nanotubos de carbono
Se sintetizan a partir de una plantilla de policarbonato tras un tratamiento electroquímico. Posteriormente, se elimina la plantilla con una solución.
Todo el sistema se filtra con una membrana porosa, por lo que los nanotubos quedarán en los poros.
Nanotubos de carbono
Nanotubos de carbono
El cantilever será de Si3N4.Las propiedades físicas se determinan por
la frecuencia de resonancia del cantilever libre.
Entre el portamuestras y la punta se aplicará un campo eléctrico modulado, pero sin imponer polarización.
Esto hace que el pico de resonancia sea simétrico.
Nanotubos de carbono
Los nanotubos se detectan al aumentar la frecuencia de resonancia respecto a la que posee el cantilever aislado.
La deformación y la contribución del nanotubo hacen cambiar el valor de la frecuencia.
Aparecerá en el diagrama tres picos de vibración: dos de flexión del cantilever y otro de torsión.
Nanotubos de carbono
Nanotubos de carbono
La frecuencia de resonancia dependerá del diámetro y la longitud suspendida (o sea, rigidez) del nanotubo.
El estudio del fenómeno se hace con un modelo de muelles.
Mostrará el modelo la deformación del nanotubo en las dos dimensiones.
Nanotubos de carbono
Nanotubos de carbono
La componente paralela de deformación depende de la orientación relativa respecto del cantilever.
La componente angular es bastante grande, pudiendo entonces despreciar la anterior.
El modelo predice que la rigidez entre punta y nanotubo es mayor que la natural del último.
Nanotubos de carbono
Con el modelo podemos determinar el módulo elástico.
Para ello hay que describir las condiciones de contorno (el anclaje) y la frecuencia de resonancia.
Solitones en fullerenos
Un solitón es una onda que no se amortigua al propagarse por un medio no lineal.
El medio de propagación puede ser el C70, que se crea por el método del transporte de polvo al sufrir un lento descenso de la temperatura.
Estudiaremos el medio con AFM.
Solitones en fullerenos
El cantilever será de Si3N4 de punta triangular con constante de muelle de 0.02 N/m.
Ejerceremos una fuerza de 0.1 nN sobre la muestra, apoyada en un sustrato de HOPG.
Utilizaremos los métodos de altura y fuerza constante.
Se rotará la muestra para eliminar posibles artefactos.
Solitones en fullerenos
En la dirección (0001) se observan las superredes onduladas de dimensión molecular.
Cada capa muestra dos tipos de empaquetamiento diferentes.
Aparecen placas en la imagen. Esto sugiere más crecimiento. Las placas se desgastan cada vez que pasa la punta.
Solitones en fullerenos
Solitones en fullerenos
Dejando la muestra en un sitio oscuro y seco durante dos semanas aparecerán terrazas en ciertas direcciones, aunque se sigue conservando la estructura de superred.
Amplificando la imagen y aplicando un filtro pasa-baja de 1 kHz se puede analizar la estructura, cuyo carácter periódico se confirma con una transformada de Fourier.
Solitones en fullerenos
Solitones en fullerenos
Todo esto nos ayuda a identificar la estructura cristalina del fullereno, que será hcp con incrustaciones de fcc.
Efectos de la corrosión
Mediante sputtering por magnetrón DC se depositan capas de diferentes espesores de TiN y NbN sobre acero de herramientas.
Con AFM se puede estudiar la corrosión de las muestras tratadas y sin tratar.
El acero cambia su rugosidad de 4.6 a 266 nm, mientras que la superred varía de 5.2 a 5.4 nm.
Efectos de la corrosión
Efectos del orden espontáneo
Las superredes dependen sensiblemente de la deposición de los materiales.
En capas de AlGaN, donde se varía el flujo de deposición (técnica de epitaxia metal-orgánica en fase vapor) pueden aparecer espontáneamente agregados.
Con AFM se puede determinar al observar la superficie qué condiciones son las idóneas.
Efectos del orden espontáneo
Efectos del orden espontáneo
Con cortes transversales podemos estudiar las superredes. Para ello se pule la zona cortada y se trata químicamente para que revele su estructura, la cual presentará máximos y mínimos de concentración de aluminio, debido a la rápida desorción del galio.
Efectos del orden espontáneo
Películas delgadas de óxido de perovskita
Sobre SrTiO3 se deposita BaTiO3 mediante MBE con láser.
Mediante AFM conoceremos su topografía.
Caracterización de antipuntos
Sobre un sustrato de dióxido de silicio se depositan capas de plomo y germanio mediante MBE.
Con técnicas litográficas se realizan ciertos agujeros en la superred.
Como el Ge es aislante, no podemos utilizar STM, luego recurriremos a AFM en modo Tapping.
Caracterización de antipuntos
AFM indica el espaciado entre antipuntos, además de su profundidad. También muestra que las esquinas están redondeadas.
Por el tamaño de la punta se producen efectos de convolución al estudiar las paredes.
La zona llana de la muestra presenta una rugosidad de 1nm.
Caracterización de antipuntos
Propiedades de fractura
Con MBE se crean superredes de GaAs/AlAs. Al fracturar la superred con AFM podemos ver
que aparecen crestas en las capas de AlAs debido a la deformación plástica.
No se puede determinar la profundidad entre capas contiguas por los efectos de la convolución entre la forma de la punta y la topografía, por lo que sólo se podrá conocer el espesor de las capas que forman las crestas.
Propiedades de fractura
Superred de CoO/Co
Interesan por sus propiedades magnéticas: el CoO es antiferromagnético y el Co es ferromagnético.
Se aplican para mecanismos de rotación y para memorias RAM.
Se depositan mediante MBE sobre un sustrato de GaAS (111) con una capa de oro.
Superred de CoO/Co
Con AFM se determina que el sustrato presenta escalones atómicos en la dirección [0-11].
Superred de CoO/Co
El óxido de cobalto presenta una rugosidad cuadrática media de 0.6 nm tras un proceso de irradiación.
Puntos cuánticos en superredes
Cuando se supera un cierto límite de deposición de manera espontánea, el compuesto se agrupa en islas, las cuales presentarán un confinamiento cuántico.
Las islas inducirán campos de esfuerzos sobre las capas intermedias.
Mediante la técnica CVD se deposita Ge sobre Si (001).
Puntos cuánticos en superredes
Con AFM en modo contacto podremos conocer las dimensiones de los puntos dependiendo del espesor de la capa de silicio de recubrimiento.
Puntos cuánticos en superredes
Comparación de STM y AFM
Se crea mediante CVD metal-orgánico una superred de GaAs/AlGaAs.
Posee aplicación en dispositivos optoelectrónicos.
Tras un corte transversal se puede determinar la estructura de superred.
Comparación de STM y AFM
Comparación de STM y AFM
AFM también nos permite la creación de imágenes de fuerza elástica y lateral.
Comparación de STM y AFM
Se puede aplicar una transformada de Fourier para verificar la estructura de la superred.