metode de caracterizare a materialelor nanostructurate

5/24/2018 Metode de Caracterizare a Materialelor Nanostructurate

1/55

Universitatea POLITEHNICA din Bucureti

Catedra de tiina i Ingineria Materialelor Oxidice i Nanomateriale

Curs 5

Metode de caracterizare amaterialelor nanostructurate


2/55

B. MICROSCOPIA DE SCANARE

nnin r mi rSPM)


3/55

enera

Microscopul de scanare cu efect de tunel (STM) a fost. ,

n cadrul laboratorului de cercetare IBM Zurich,

Rueschlikon, Elveia;

Binnig i Rohrerau primit premiulNobel pentru fizic n 1986 pentru

aceastdescoperire;

Sigla companiei IBM scriscu atomi de xenon


4/55

enera

Microscopul de scanare cu efect de tunel (STM) a fost. ,

la laboratorul de cercetare IBM Zurich, Rueschlikon,

Elveia;este primul instrumentcapabil s obin imagini 3Dale suprafeelor solide, cu

rezoluie la nivel atomic;microscoapele STM pot fifolosite pentru a studia Suprafaa unei probe de siliciu, mritexclusiv suprafeele care au

un grad oarecare deconductibilitate.

de 20 de milioane de ori, astfel nct s

permitvizualizarea atomilor;imagine prelucratcomputerizat


5/55

enera

Aplicaii:

inducerea unor noi proprieti la nivel nanometric, prin:

-ardere la nivel nano-inducere de reacii chimice la nivel nano;

nanoprelucrare mecanic.

Atomii de fier au fost poziionai individual

astfel nct s formeze grupri cu diversegeometrii pe o suprafade cupru


6/55

enera

Pe baza design-ului STM, n 1985Binnigi colaboratorii

Msoar fore foarte mici (mai puin de 1nN) prezente

ntre vrful AFMi suprafaa probei de examinat.

poate fi folosit pentru examinarea tuturortipurilor de suprafee, fie ele conductoare

este folosit pentru msurtori normale itopografice la scarmicro sau nano.

Imagine AFM


7/55

enera

AFM modificate astfel nct s msoare att forenormale, ct i pe cele laterale sunt numite microscoape

\ FFM).

n num r e cerce or au con nua s m un eascAFM \ FFM, astfel nct s poat fi folosite pentru amsura:

adeziunea i frecarea la nivelul unor suprafee lichide / solide lascarmicro sau nano;gradul de zgriere al unei suprafe e; gradul de uzural unei suprafee;

proprieti mecanice (precum duritatea sau modulul deelasticitate).


8/55

enera

AFM sunt folosite pentru:

manipularea individual a atomilor de xenon, molecule, iplasarea lor pe suprafe

e de siliciu

i polimerice;

nanofabrica ienanoprelucrare mecanic.


9/55

enera

Comparaie ntre diverse microscoape convenionale i SPM

OPTIC SEM/TEM Confocal SPMM rirea 10 10 10 10

Preul

[U.S. $]

Vrsta200 ani 40 ani 20 ani 20 ani

e no og e


10/55

enera

Microscoapele STM i AFM sunt folosite la mriri3 9, , , ,

pentru:

,foarte nalt;spectroscopie.


11/55

enera

STMi AFM pot fi folosite n orice mediu, precum:aerdiverse gaze;lichide;vid.

Imagistica n lichid permite:- studiul robelor biolo ice vii

- vizualizarea cristalelor lichide sau a moleculelor lubrifiante pesuprafee de grafit;-eliminarea fenomenului de capilaritate, prezent n mediul ambiantla interfaa vrf-prob.


12/55

enera

STMi AFM pot fi folosite la:tem eraturi sczute mai u in de 100Ktemperaturi ridicate.

Imagistica la temperaturi sczute (la temperatura heliului lichid) sefolosete pentru:

studiul materialelor organicei biologice;studiul fenomenelor care au loc la temperaturi sczute precum

supercon uc v a ea;hri foarte acurate de orientare a forelor, datorit reducerii vibraiilortermice.


13/55

enera

Stiina i tehnologia la nivel nanometric sunt dependente,

suprafeelor la nivel atomic.

pe care se bazeaz SPM, acesta a nceput s fie folosit n multedomenii n afara cercetrii fundamentale;

Familiile de instrumente bazate pe STM i AFM, denumitemicroscoape de scanare (SPM), au fost dezvoltate pentru a fi utilizate

n diverse domenii de interestiinifici industrial.


14/55

m

Concepte generale nSPM - AFM i STM sau STEM.

[http://www.nanowerk.com/nanotechnology/videos/video

14.php]


15/55

. .

CU EFECT TUNELcann ng unne ng crosopySTM)


16/55

enera

Principiul tunelizrii electronilor a fost propus de

doumetale, separate de un strat izolator foarte fin, se va

genera un curent, produs de abilitatea electronilor de apene ra ar era zo a oare.Vidul ofercondiii ideale pentru fenomenul de tunelizare.

en ru a se pu ea m sura un curen e une zare, ce edoumetale trebuie sse afle la o distanmai micde 10nm.


17/55

enera

Binnig i col.au impus tunelizarea n vid, combinatcu.

Scanarea lateralpermite obinerea de imagini ale suprafeelor

-lateral - mai puin de 1 nm;-vertical - mai puin 0,1 nm,

suficiente entru a defini ozi ia unui sin ur atom.


18/55

ezo u e

Rezoluia vertical foarte nalt a STM este obinut

distana dintre cei doi electrozi (vrful metalic i suprafaa

de scanat).

Tipic, curentul de tunelizare descrete cu un factor de 2dacdistana crete cu 0,2 nm.

Rezoluia lateral foarte nalt e dependent de.


19/55

r componen e

Nanoscopul STM e compus din trei pri principale:

Capul de scanare, care conine:

- vrfului;

- Circuitul de preamplificare (amplificatorul de intrare FET),,

determinrii;


20/55

r componen e


Capul de scanare:

- - -12,7mm diametru, montat ntr-o carcasizolatoare, folositpentru a minimiza variaiile verticale de temperatur;

oPiezo-tubul are electrozi separa i pentru X, Y, i Z, care au

circuite de reglare separate.


21/55

r componen e


Capul de scanare:

- , ,obicei fabricate din:

- fire metalice din tugsten (W);- platin-iridiu (Pt-Ir);

- aur (Au).

Vrful de scanare


22/55

r componen e


Capul de scanare:

-- lefuire;- tiere (cu cutter sau o lamfoarte ascuit) ;- emisie\evaporare n cmp;

- laminare n flux de ioni;- rupere;- gravare\polizare electrochimic.

Vrful de scanare


23/55

r componen e


Bazade montare a probei;

upor u, care sus ne aza capu .


24/55

r nc p u e unc onare

Un vrf ascuit

metalic (un electrod aladus n apropiereasuprafeei (la 0,3 1

Vrfnm) de investigat (aldoilea electrod).


25/55


la un voltajconvenabil (10 mV

1 V , curentul detunelare variaz de la0,2 la 10 nA, ceea ce

Vrfsuficent de marepentru a putea fim sura .


26/55


Vrful baleiaz

suprafa a de examinatla o distande 0,31 nm, i n acest timp

Vrftunelar dintre el isuprafa


27/55

Prin i i l in rimaginii

I = ct. H = ct.

STM poate fi operat n regim de:

nlime constant.1sca

are

ns

anri


28/55


I = ct. H = ct.


o reea de feedback permite

1sca

,srmnconstant; deplasarea vrfului, dat de curentula licat, creeaz o hart to o rafic a

are

ns

suprafeei.

anri


29/55


I = ct. H = ct.


vrful metalic poate baleia suprafaa la

1sca

n me vo a aproape cons an e, ntimp ce curentul este monitorizat; regimul este de obicei folosit pentru

are

ns

nu este aplicabil suprafeelor rugoase.

anr

i


30/55

imaginii

I = ct. H = ct.O imagine 3D [z(x, y)] a

multiple [z(x)] reprezentate lateral

una fade cealaltpe direcia y.1sca

are

ns

anr

i


31/55


I = ct. H = ct.Trebuie reinut c dac ntr-o

specii atomice, se vor produce

cureni tunelari diferii pentru un1sca

voltaj dat.

Datele obinute n regim de nlimeare

ns

constantar putea snu fie o reprezentareexacta topografiei suprafeei probei.

anr

i


32/55

mag n

Imagine STM - Suprafaa uneiprobe de Si, dupdirecia

cristalografic(111) Ga As

Imagine STM - Suprafaa unei probeGaAs(110)


33/55

mag n

Imagini STM ale unor

domenii oxidicemonodisperse, pe un alt oxid

Triunghiurile ntunecate

trioxidului trimeric detungsten, n timp ce partea

luminoasaratatomul deungs en cu n ve energe c

nalt


34/55

m

Introducere n studiulSTM.

Animaia prezintcapabilitatea de analiza STM,

precum i cteva elemente legate de modul deunc onare.

[http://www.nanowerk.com/nanotechnology/videos/video19.php]


35/55

m

Exemplude imagini STM nregistrate simultancu determinarea presiunii pariale a reactaniloripro uor e reac e.[http://www.physics.leidenuniv.nl/sections/cm/ip/p

rojects/reactor-stm/] n partea de sus sunt prezentate imagini STM

(210nm x 210 nm, 65 s/image). n partea de jos sunt prezentate presiunile pariale

a e ,2an

2, pe scar ogar m c pe axa

vertical: 10-4-1 bar). Timpul total de nregistrare este de 125 min.


36/55

B.2. MICROSCOPIA DE FOR

AT MI (Atomic Force Microsopy AFM)


37/55

enera

Ca i STM, AFM se bazeaz pe o tehnic de baleiere

suprafeei probei de examinat.

Imagine AFM a osuluicortical, care relev

organizarea colagenului n in jurul unei lacune

osteocitare


38/55

enera

AFM msoar fore foarte mici (mai puin de 1nN)

examinat.

ces e or e oar e m c sun eva ua e pr n m surareamicrii unui suport foarte flexibil de masfoarte mic.


39/55

enera

n timpul unei msurtori AFM, de obicei este micat,

msoar deplasarea relativ dintre suprafaa consolei

flexibile i cea de referin, i orice micare a suportului ara uga v ra .

Pentru msuratorile pe probe mari existAFM-uri la care.

La AFM se detecteaz forele care se stabilesc ntreprob i vrf, nu curentul tunelar, ca n cazul STM.

Evaluarea acestor fore permite poziionarea vrfului de

scanare fade prob.


40/55


AFM poate fi folosit:

n regim static;

n regim dinamic.


41/55



ose mai numete mod de respingere sau mod de contact;,

(consol) flexibil este adus n contact cu suprafaa probei;

Link pentru animaie:

http://monet.physik.unibas.ch/famars/statanim.htm


42/55



on timpul contactului iniial, atomii vrfului sunt supui unei,

orbitalilor atomilor vrfului cu cei ai atomilor de pe suprafaade examinat;

oFor a ce ac ioneaz la vrf roduce o deviere a su ortului

flexibil care este msuratcu ajutorilor unor detectori de tip:- efect tunel;- capacitiv;- op c;

oDevierea poate fi msuratpnla valori de 0,02 nm.


43/55



ose numeste i imagisticprin forde atracie sau imagistic

non-contact;ovrful este adus n proximitate (la civa nm), nu n contact

cu proba.

Link pentru animaie:

http://monet.physik.unibas.ch/famars/dyn_anim.htm


44/55



oSuportul flexibil este vibrat intenionat:-- modulat n frecven(FM);

oGradientul de foreste obinut prin vibraia suportului flexibil

i msurarea modificrii frecvenei de rezonana acestuia.


45/55



oFore van der Waals foarte slabe sunt prezente la interfaa-

oDei aceasttehniceste mai performant, pentru cnu seaplicpresiune pe suprafa, deci nu exist deformare, ea

rezintdezavanta e:

- duratmare a determinrii;- greu de utilizat; folositaproape exclusiv n cercetare.


46/55

mag n

Ilustrarea schematicafuncionrii AFM n regim dinamic(a) stabilirea unei interac iuni

chimice ntre atomul vrfuluii un

(reprezentatprin linia verde)(b) For ele care se creeaz nurma aceastei interac iuni nu sunt

numai locale, datorate reacieichimice, dar i de mai maredistan: van der Waals ide obicei minimizate prin condiiiexperimentale adecvate)


47/55

mag n

c) curbe obinute pentru forelevan der Waals, for a local deinteraciune chimic i for atotal, care arat dependena

-

suprafa


48/55

mag n

d), e) imagini AFM ale unui nveli

unic de atomi de Sn (d) i Pb (e)peste un substrat de Si (111). La

nivelul acestor suprafee se pot evidenia defecte de substituie,

-topografic sczut. S geile verziarat zonele unde s-au efectuatmasurtorile spectroscopice.Dimensiunile cmpului sunt

(4,3x4,3) nm2.


49/55

mag n

(a) imagine AFM care arat structura

suprafeei filmului depus. Seobserv forma piramidal a Cu2O,definit de planele [111].

(b) Imagine TEM n seciune care arat.

(c) Spectru SAED a acoperirii i asubstratului, care arat orientarealor epitaxial: Cu2O[001]//STO[001] u2 .

(d) Spectru de difracie procesat pe

computer.


50/55

mag n

Organizarea membranei la bacterii carefac fotosintetiz observatla AFM ntimpul expunerii la luminputernic.

Centrele de recoltare a luminii (cercurile

reacie (cercurile mari cu densitatecentral) n care se utilizeazenergialuminoas. Centrele de reacie sunt

organ zate ast e nc t s ut zeze energ a

luminoasdatde lumina puternic.


51/55

mag n

Imagine AFM n care se eviden iazindividual atomi de nichel, plumb,

siliciu (albastru, verde, respectiv

rou) pe o suprafa


52/55

mag n

Imagine AFM n care se observatomide siliciu. S-a dezbtut ipoteza conformcreia formele de umbr-luminde pe

atom reprez nt or ta .


53/55

. . _Pages/Videos/Videos.html

Imagine AFM 2mmX2mm n acest clip se observ multitudinea de informaii care estecolectatfolosind 10 vrfuri paralele.25 de milioane de pixeli sunt obinui la o trecere de 2mm, fiecare

vrf scaneazo seciune latde 200m.o imagine corectde AFM ar conine 40 de milioane de pixelispaiai la 50nm.

Acest clip, care include i explicaiile aferente, evideniazprogresul n ceea ce privete vitezai aria de scanare a AFM.


54/55

. . _Pages/Videos/Videos.html

Demonstraie Suport flexibil AFM cu activator integratentru feedback VEDERE DIN FA A Demonstraie Suport flexibil AFM cu activator integrat(pentru feedback) VEDERE DIN LATERAL

Clipul aratun model devrf de scanare din ZnO cu senzor iactivator integrate. Se observcum regiunea-senzor este deviatcand vrful baleiazsuprafaa, de asemenea se observczona-ac va or pre a ev a a cu scopu e a men ne o or cons an

ntre vrfi suprafaa probei.


55/55

me

Thermomechanical Writing with an Atomic Force

[http://www.youtube.com/watch?v=IcZeKrwE4-U]

om c orce croscopy - nc e ur e[http://www.youtube.com/watch?v=0Tg4TVLmQz8&feature=related]

Gerton Lab - Atomic force microscopy= =. .

metode de caracterizare a materialelor nanostructurate

Documents

n num r e cerce or

studiul robelor biolo

astfel nct s poat

imagistica n lichid

con nua s m

tunel stm a fost