metode de caracterizare a materialelor nanostructurate

5/12/2018 Metode de Caracterizare a Materialelor Nanostructurate - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/metode-de-caracterizare-a-materialelor-nanostructurate 1/55

Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti

Catedra de Ştiinţa şi Ingineria Materialelor Oxidice şi Nanomateriale

Curs 5

Metode de caracterizare amaterialelor nanostructurate



B. MICROSCOPIA DE SCANARE

nnin r mi r SPM)



enera

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

în cadrul laboratorului de cercetare IBM Zurich,

Rueschlikon, Elveţia;

Binnig şi Rohrer au primit premiulNobel pentru fizică în 1986 pentru

această descoperire;

Sigla companiei IBM scrisă cu atomi de xenon



enera

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

la laboratorul de cercetare IBM Zurich, Rueschlikon,

Elveţia; este primul instrumentcapabil să obţină imagini 3Dale suprafeţelor solide, cu

rezoluţie la nivel atomic; microscoapele STM pot fifolosite pentru a studia Suprafața unei probe de siliciu, mărit ăexclusiv suprafeţele care au

un grad oarecare deconductibilitate.

de 20 de milioane de ori, astfel încât să

permit ă vizualizarea atomilor;imagine prelucrat ă computerizat



enera

Aplicaț ii:

inducerea unor noi proprietăţi la nivel nanometric, prin:

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

nanoprelucrare mecanică.

Atomii de fier au fost pozi ţ ionaţ i individual

astfel încât să formeze grupări cu diversegeometrii pe o suprafaţă de cupru



enera

Pe baza design-ului STM, în 1985 Binnig şi colaboratorii

Măsoar ă for ţe foarte mici (mai puţin de 1nN) prezente

între vârful AFM şi suprafaţa probei de examinat.

poate fi folosit pentru examinarea tuturor tipurilor de suprafeţe, fie ele conductoare

este folosit pentru măsur ători normale şitopografice la scar ă micro sau nano.

Imagine AFM



enera

AFM modificate astfel încât să măsoare atât for ţenormale, cât şi pe cele laterale sunt numite microscoape

\ FFM).

n num r e cerce or au con nua s m un eascAFM \ FFM, astfel încât să poată fi folosite pentru amăsura:

adeziunea şi frecarea la nivelul unor suprafeţe lichide / solide lascar ă micro sau nano; gradul de zgâriere al unei suprafe e; gradul de uzur ă al unei suprafeţe;

proprietăţi mecanice (precum duritatea sau modulul deelasticitate).



enera

AFM sunt folosite pentru:

manipularea individuală a atomilor de xenon, molecule, și

plasarea lor pe suprafeţe de siliciu şi polimerice; nanofabrica ie nanoprelucrare mecanică.



enera

Comparaţ ie între diverse microscoape convenţ ionale şi SPM

OPTIC SEM/TEM Confocal SPMM rirea 10 10 10 10

Preţul

[U.S. $]

Vârsta200 ani 40 ani 20 ani 20 ani

e no og e



enera

Microscoapele STM şi AFM sunt folosite la măriri3 9, , , ,

pentru:

,foarte înaltă; spectroscopie.



enera

STM şi AFM pot fi folosite în orice mediu, precum: aer diverse gaze; lichide; vid.

Imagistica în lichid permite:- studiul robelor biolo ice vii

- vizualizarea cristalelor lichide sau a moleculelor lubrifiante pesuprafeţe de grafit;- eliminarea fenomenului de capilaritate, prezent în mediul ambiantla interfaţa vârf-probă.



enera

STM şi AFM pot fi folosite la: tem eraturi scăzute mai u in de 100°K temperaturi ridicate.

Imagistica la temperaturi scăzute (la temperatura heliului lichid) sefoloseşte pentru:

studiul materialelor organice şi biologice; studiul fenomenelor care au loc la temperaturi scăzute – precum

supercon uc v a ea; hăr ţi foarte acurate de orientare a for ţelor, datorită reducerii vibraţiilor termice.



enera

Stiinţ a şi tehnologia la nivel nanometric sunt dependente

,

suprafeţ elor la nivel atomic.

pe care se bazează SPM, acesta a început să fie folosit în multedomenii în afara cercetării fundamentale;

Familiile de instrumente bazate pe STM şi AFM, denumitemicroscoape de scanare (SPM), au fost dezvoltate pentru a fi utilizate în diverse domenii de interes ştiinţific şi industrial.



m

Concepte generale în SPM - AFM și STM sau STEM.

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

14.php]



. .

CU EFECT TUNELcann ng unne ng crosopySTM)



enera

Principiul tunelizării electronilor a fost propus de

două metale, 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 ofer ă condiţii ideale pentru fenomenul de tunelizare.

en ru a se pu ea m sura un curen e une zare, ce edouă metale trebuie să se afle la o distanţă mai mică de 10nm.



enera

Binnig şi col. au impus tunelizarea în vid, combinată cu.

Scanarea laterală permite obţinerea de imagini ale suprafeţelor

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

suficiente entru a defini ozi ia unui sin ur atom.



ezo u e

Rezoluţia verticală foarte înaltă a STM este obţinută

distanţa dintre cei doi electrozi (vârful metalic şi suprafaţa

de scanat).

Tipic, curentul de tunelizare descreşte cu un factor de 2dacă distanţa creşte cu 0,2 nm.

Rezoluţia laterală foarte înaltă e dependentă de.



r componen e

Nanoscopul STM e compus din trei păr ţi principale:

Capul de scanare, care conţine:

- –vârfului;

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

determinării;



r componen e


Capul de scanare:

- - -12,7mm diametru, montat într-o carcasă izolatoare, folosităpentru a minimiza variaţiile verticale de temperatur ă;

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

circuite de reglare separate.



r componen e


Capul de scanare:

- , ,obicei fabricate din:

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

- aur (Au).

Vârful de scanare



r componen e


Capul de scanare:

-- șlefuire;- tăiere (cu cutter sau o lamă foarte ascuţită) ;- emisie\evaporare în câmp;

- laminare în flux de ioni;- rupere;- gravare\polizare electrochimică.

Vârful de scanare



r componen e


Baza de montare a probei;

upor u , care sus ne aza ş capu .



r nc p u e unc onare

Un vârf ascuţit

metalic (un electrod aladus în apropiereasuprafeţei (la 0,3 – 1

Vârf nm) de investigat (aldoilea electrod).




la un voltajconvenabil (10 mV –

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

Vârf suficentă de marepentru a putea fim sura .




Vârful baleiază

suprafa a de examinatla o distanţă de 0,3–1 nm, și în acest timp

Vârf tunelar dintre el şisuprafaţă



Prin i i l in r imaginii

I = ct. H = ct.

STM poate fi operat în regim de:

Înălţime constantă.1 s c a

ar e

n s

an ă r i




I = ct. H = ct.


o reţea de feedback permite

1 s c a

,să r ămână constant; deplasarea vârfului, dată de curentula licat, creează o hartă to o rafică a

ar e

n s

suprafeţei.

an ă r i




I = ct. H = ct.


vârful metalic poate baleia suprafaţa la

1 s c a

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

ar e

n s

nu este aplicabil suprafeţelor rugoase.

an ă r i



imaginii

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

multiple [z(x)] reprezentate lateral

una faţă de cealaltă pe direcţia y.1 s c a

ar e

n s

an ă r

i




I = ct. H = ct. Trebuie reţinut că dacă într-o

specii atomice, se vor produce

curenţi tunelari diferiţi pentru un1 s c a

voltaj dat.

Datele obţinute în regim de înălţime ar e

n s

constantă ar putea să nu fie o reprezentareexactă a topografiei suprafeţei probei.

an ă r

i



mag n

Imagine STM - Suprafața unei

probe de Si, după direc ția

cristalografic ă (111) Ga As

Imagine STM - Suprafaţ a unei probe

GaAs(110)



mag n

Imagini STM ale unor

domenii oxidicemonodisperse, pe un alt oxid

Triunghiurile întunecate

trioxidului trimeric detungsten, în timp ce partea

luminoasă arat ă atomul de

tungsten cu n ve energet c

înalt



m

Introducere în studiul STM.

Animaț ia prezintă capabilitatea de analiză a STM,

precum și câteva elemente legate de modul deunc onare.

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



m

Exemplu de imagini STM înregistrate simultancu determinarea presiunii par ț iale a reactanț ilor șipro uș or 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). În partea de jos sunt prezentate presiunile par ț iale

a e ,2

an2, pe scar ogar m c pe axa

verticală: 10-4-1 bar). Timpul total de înregistrare este de 125 min.



B.2. MICROSCOPIA DE FOR ȚĂ

AT MI Ă (Atomic Force Microsopy AFM)



enera

Ca şi STM, AFM se bazează pe o tehnică de baleiere

suprafeţei probei de examinat.

Imagine AFM a osului cortical, care relev ă

organizarea colagenului în şi

în jurul unei lacune

osteocitare



enera

AFM măsoar ă for ţe foarte mici (mai puţin de 1nN)

examinat.

ces e or e oar e m c sun eva ua e pr n m surareamişcării unui suport foarte flexibil de masă foarte mică.



enera

În timpul unei măsur ători AFM, de obicei este mişcată,

măsoar ă deplasarea relativă dintre suprafaţa consolei

flexibile şi cea de referinţă, şi orice mişcare a suportului ar a ăuga v raţ .

Pentru măsuratorile pe probe mari există AFM-uri la care.

La AFM se detectează for ţele care se stabilesc întreprobă şi vârf, nu curentul tunelar, ca în cazul STM.

Evaluarea acestor for ț e permite poziț ionarea vârfului de

scanare faț ă de probă.




AFM poate fi folosit:

în regim static;

în regim dinamic.





o se mai numește mod de respingere sau mod de contact;,

(consolă) flexibil este adus în contact cu suprafaţa probei;

Link pentru animaț ie:

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





o în timpul contactului iniţial, atomii vârfului sunt supuşi unei,

orbitalilor atomilor vârfului cu cei ai atomilor de pe suprafaţade examinat;

o For a ce ac ionează la vârf roduce o deviere a su ortului

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

o Devierea poate fi măsurată până la valori de 0,02 nm.





o se numeste şi imagistică prin for ţă de atracţie sau imagistică

non-contact;o vârful este adus în proximitate (la câţiva nm), nu în contact

cu proba.

Link pentru animaț ie:

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





o Suportul flexibil este vibrat intenţionat:-- modulat în frecvenţă (FM);

o Gradientul de for ţă este obţinut prin vibraţia suportului flexibil

şi măsurarea modificării frecvenţei de rezonanţă a acestuia.





o For ţe van der Waals foarte slabe sunt prezente la interfaţa-

o Deși această tehnică este mai performantă, pentru că nu seaplică presiune pe suprafaţă, deci nu există deformare, earezintă dezavanta e:

- durată mare a determinării;- greu de utilizat; folosită aproape exclusiv în cercetare.



mag n

Ilustrarea schematic ă a

func ționării AFM în regim dinamic

(a) stabilirea unei interac ţ iuni

chimice între atomul vârfului şi un

(reprezentat ă prin linia verde)

(b) For ţ ele care se creeaz ă în

urma aceastei interac iuni nu sunt

numai locale, datorate reac ției chimice, dar și de mai mare

distanță: van der Waals şi

de obicei minimizate prin condi ții

experimentale adecvate)



mag n

c) curbe obţ inute pentru for ţ ele

van der Waals, for a local ă de

interac ţ iune chimic ă şi for ţ atotal ă, care arat ă dependenţ a

-

suprafaţă



mag n

d), e) imagini AFM ale unui înveli ş

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

nivelul acestor suprafeţ e se pot

evidenţ ia defecte de substituţ ie,

ț -

topografic sc ăzut. S ăgeţ ile verzi arat ă zonele unde s-au efectuat

masur ătorile spectroscopice.

Dimensiunile câmpului sunt

(4,3x4,3) nm2 .



mag n

(a) imagine AFM care arat ă structura

suprafeţ ei filmului depus. Seobserv ă forma piramidal ă a Cu2 O,

definit ă de planele [111].

(b) Imagine TEM în sec ţ iune care arat ă.

(c) Spectru SAED a acoperirii şi asubstratului, care arat ă orientarea

lor epitaxial ă: Cu2 O[001]//STO[001]

ş u2 .

(d) Spectru de difrac ţ ie procesat pe

computer.



mag n

Organizarea membranei la bacterii carefac fotosintetiz ă – observat ă la AFM în

timpul expunerii la lumină puternic ă.

Centrele de “recoltare” a luminii (cercurile

reac ţ ie (cercurile mari cu densitatecentral ă ) în care se utilizeaz ă energia

luminoasă. Centrele de reac ţ ie sunt

organizate astfel nc t s utilizeze energia

luminoasă dat ă de lumina puternic ă.



mag n

Imagine AFM în care se eviden iaz ă

individual atomi de nichel, plumb,siliciu (albastru, verde, respectiv

roşu) pe o suprafaţă



mag n

Imagine AFM în care se observ ă atomi de siliciu. S-a dezbătut ipoteza conform

c ăreia formele de umbr ă-lumină de pe

atomi reprezint orbitali.



. . _Pages/Videos/Videos.html

Imagine AFM 2mmX2mm în acest clip se observă multitudinea de informaţii care estecolectată folosind 10 vârfuri paralele. 25 de milioane de pixeli sunt obţinuţi la o trecere de 2mm, fiecare

vârf scanează o secţiune lată de 200μm. o imagine corectă de AFM ar conţine 40 de milioane de pixelispaţiaţi la 50nm.

Acest clip, care include şi explicaţiile aferente, evidenţiazăprogresul în ceea ce priveşte viteza şi aria de scanare a AFM.



. . _Pages/Videos/Videos.html

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

Clipul arată un model de vârf de scanare din ZnO cu senzor şiactivator integrate. Se observă cum regiunea-senzor este deviatăcand vârful baleiază suprafaţa, de asemenea se observă că zona-ac va or pre a ev a a cu scopu e a men ne o or cons an

între vârf şi suprafaţa probei.



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