O slideshow foi denunciado.
Utilizamos seu perfil e dados de atividades no LinkedIn para personalizar e exibir anúncios mais relevantes. Altere suas preferências de anúncios quando desejar.

лекция02 сзм(1)

530 visualizações

Publicada em

  • Best dissertation help you can get, thank god a friend suggested me ⇒⇒⇒WRITE-MY-PAPER.net ⇐⇐⇐ otherwise I could have never completed my dissertation on time.
       Responder 
    Tem certeza que deseja  Sim  Não
    Insira sua mensagem aqui
  • Seja a primeira pessoa a gostar disto

лекция02 сзм(1)

  1. 1. Принцип работы СТМПлан лекцииСТМ изображение донора и вакансии на поверхности GaAsИзображения реконструкции поверхностиНизкотоковая туннельная микроскопия: молекула полипропиленаНобелевские премии за туннельный эффектИнвар Гиавер в МГУ имени М.В.ЛомоносоваФизика туннельного переходаПриближенное выражение для туннельного токаРежим постоянного туннельного токаПервые СТМ изображения реконструкции поверхности Si 7x7Шумы туннельного токаРекомендуемая литература
  2. 2. Донор и вакансия на поверхности GaAsСколотая в сверхвысоком вакууме поверхность GaAs (110)с находящимся на поверхностидонорным атомом кремния Si (светлая область) и вакансии Ga (темная область). Размеркадра 17.3 x 17.7 нм. Изображение получено в сверхвысоком вакууме на туннельноммикроскопе.Image courtesy of JF Zheng, F. Ogletree, E. Weber and M. Salmeron, Lawrence Berkeley Lab
  3. 3. STM image of yttrium nanowires grown on Si(100). Image was taken at 10 K Sample bias:2.0 V Tunneling current: 0.18 nA Scan size: 140 nm x 140 nmTae-Hwan Kim, An-Ping Li and John WendelkenCenter for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratoryhttp://www.rhk-tech.com/results/showcase.php
  4. 4. Low Current - 22pA UHV STM of polypropyleneUHV 300 STM image of a polypropylene molecule on graphite acquired at 22 pA.Courtesy R. Czerw & D. Carroll, Clemson Universityhttp://www.rhk-tech.com/results/polyprop.php
  5. 5. Low Current Imaging of SAMsUHV 300 STM image of decanethiol on Au(111) after annealing for 10 hours at 55 C. Defectsremoved by heating. C(4X2) domains as large as 80nm x 80nm.Image taken at 30 pA.Courtesy of G.Y. Liu & Y. Qian, Wayne State Universityhttp://www.rhk-tech.com/results/30pA_SAMs.php
  6. 6. Нобелевские премии за туннельный эффектЛауреатами нобелевской премии по физике сталиВ 1973 году:Лео Есаки – за открытие явления туннелирования в твердыхтелахАйвар Гиавер – за экспериментальное исследование явлениятуннелирования в полупроводниках и сверхпроводникахБрайан Джозефсон – за теоретические исследования посверхпроводимости и туннелированию, в частности, – за открытиеэффекта, получившего название эффект ДжозефсонаВ 1986 году:Герд БиннигИХайнрих Рорер – за изобретение сканирующего туннельного микроскопа
  7. 7. www.nanoscopy.or2011 – Пятая международная конференция «Современные достижения бионаноскопии»Айвар Гиавер в МГУ имени М.В.Ломоносова
  8. 8. Физика туннельного переходаПри большом зазоре между проводниками (рис. слева) электрический токравен 0, при контакте проводников в цепи возникает электрический ток(например, величиной в 1А).Вопрос: До какого расстояния надо сблизить два проводника, чтобы взазоре появился электрический ток величиной в 1 нА?Подсказка: 1 нА – типичная величина туннельного тока, измеряемая всканирующем зондовом микроскопе.
  9. 9. Физика туннельного переходаТуннелирование – прохождение через потенциальный барьер. Втуннельном микроскопе барьер преодолевают электроны.Вероятность туннелирования тигра через каменную стену настолькомала, что мы этого никогда не увидим.
  10. 10. Физика туннельного переходаОбщий вид механической системы микроскопа конструкцииГ.Биннига и Х.Рорера.Игла Т расположена на трехкоординатный пьезоманипулятор стремя направляющими XYZ. Для осуществления начальногосближения с иглой Т образец S установлен на «трехножке» –манипуляторе L, обеспечивающим перемещение образца.С целью виброизоляции механика микроскопа подвешена намягких пружинах P.
  11. 11. Физика туннельного переходаКогда в вершине иглыодин атом,туннелирование восновном происходитчерез этот атомИгла неправильнойформы – обычно один изатомов находится кповерхности чуть ближе,чем все остальные.Туннелированиеэлектронов происходитчерез этот атом
  12. 12. Иглы (зонды) для сканирующего туннельного микроскопаМатериал иглы Метод приготовления Преимущества НедостаткиВольфрам Электрохимическоетравление в щелочиKOHОпределеннаяформа острияОкисление навоздухе и выход изстрояСплав Pt80Ir20 Механический срез Легкий способизготовленияВысокая микро-твердостьИнертностьНеконтролируемаяформа острияХранится на воздухе
  13. 13. Приближенное выражение для туннельного тока
  14. 14. Физика туннельного переходаПоложительное напряжение на игле:Электроны из заполненныхэлектронных состояний образцатуннелируют в незаполненныеэлектронные состояния иглы.Отрицательное напряжение на игле:Электроны из заполненныхэлектронных состояний иглытуннелируют в незаполненныеэлектронные состояния образца.При туннелировании энергия электронов неизменяется (упругое туннелирование).
  15. 15. Режим постоянного туннельного токаИз нобелевской лекции Г.Биннига и Х.Рорера
  16. 16. Режим постоянного туннельного токаИз нобелевской лекции Г.Биннига и Х.РорераРеконструкция поверхности на поверхности кремния Si 7х7а - Изображение собрано из кривых, полученных непосредственно вэксперименте на самописцеб - обработанное изображение реконструкции поверхности кремния Si 7х7.Угловые впадины и двенадцать максимумов (адатомов) характерны дляромбоэдрической элементарной ячейки на поверхности кристалла.
  17. 17. Image Spectroscopy on Si(111) 7x7UHV 300 STM image of Si(111) 7 x 7.The Image was acquired in Image Spectroscopy mode, where the tip bias was ramped from-1.27 V to -3.27 V.The image was acquired at RHK
  18. 18. Режим постоянной высотыВ режиме постоянной высоты игла двигается в заданной плоскости надповерхностью образцаДля обеспечения этого режима:отключается цепь обратной связи полностьюилизвенья обратной связи (пропорциональное, интегральное,дифференциальное) выбираются вблизи нулевых значенийПреимущества:более быстрые измеренияобратная связь не вносит свои погрешностиНедостатки:Реально удается наблюдать участки небольшого размера - до 10-100 нм.Возможность повредить зонд при соударении с поверхностью образца
  19. 19. Типичные параметры измерений с помощью СТМВеличина туннельного тока – 1 нАНапряжение на туннельном переходе – 20 мВРазмер области сканирования – не более 1х1 мкм2Частота строчной развертки – 1 ГцКоличество точек в кадре – 512х512Время получения одного кадра – 51,2 секДиапазон для возможного выбора параметровВеличина туннельного тока 0,01 пА – 100 нАВеличина туннельного напряжение 1 мВ – 10 В(при напряжениях более 1-2 В может происходить модификация поверхности– литография)Количество точек в кадре 128х128 …. 4096х4096 и болееВремя получения одного кадра – 0,1 сек …. 1 час
  20. 20. Подготовка образца к измерениямВизуальный осмотр:Образец с чистой зеркальной поверхностью подходитОбразец с матовой поверхностью скорее не будет виденОбразец должен быть размещен в держателе так, чтобы былэлектрический контакт с рабочей поверхностью держателя.Образец закрепляется с помощью:Проводящего клеяПроводящего скотчаМеханического электропроводящего прижимаОбразец должен иметь:Подробное описание в письменном видеУникальное имя, которое будет также использовано для обозначенияфайлов изображений
  21. 21. Типичные параметры измерений с помощью СТМНаименование образца Величинатуннельного токаВеличинанапряжения напереходеПиролитический графит 1 нА 10-50 мВЗолото 0,1 - 1 нА около 100 мВСеребро 0,1 - 1 нА около 100 мВТитан, оксид титана 1 нА 1-2 ВПравила работы с СТМ иглой (зондом)1.Использовать чистые ножницы для механического срезаPt80Ir20 проволоки2.Брать иглу пинцетом, не трогать руками3.Осуществить контроль острия в оптический микроскоп4.Устанавливать иглу c защитой от электростатики
  22. 22. Режимы подводаРазличные режимы подвода используются для начального сближения иглыи образцаСтандартный режим подвода:Шаговый двигатель будет осуществлять подвод до тех пор, пока микроскопне зарегистрирует появление туннельного тока величиной в 30% отустановленного опорного значения. При появлении туннельного токасрабатывает обратная связь, которая перемещает образец на нужноерасстояние с тем, чтобы туннельный ток достиг величины опорногозначения.Деликатный режим подвода:Этот режим обеспечивает высокую сохранность острия и образца,минимизирует вероятность их повреждения при подводе.Перед каждым шагом шагового двигателя – игла отводитсяпьезоманипулятором на максимальной удаление
  23. 23. Проблемы при сканированииСильно зашумленные изображения могут получаться по следующимпричинам:- неудачно приготовленная или загрязненная игла- поверхность образца имеет загрязнения- образец не годится для туннельной микроскопии(непроводящие участки, диэлектрические пленки и пр.)- неправильно выбраны туннельный ток и напряжение напереходе- слишком большая скорость- большие значения пропорционального и интегральногозвеньев
  24. 24. Настройка цепи обратной связиНастройка цепи обратной связи осуществляется с помощью регулировки:Пропорционального звена ПИнтегрального звена ИДифференциального звена Д(ПИД регулятор).Советы по настройке:Увеличиваем интегральное звено до появления начальных дополнительныхшумов, уменьшаем на 30% (Д=0)Увеличиваем пропорциональное звено до появления высокочастотногошума, уменьшаем на 30%Дифференциальное звено следует использовать при наличии общегонаклона образца. При плоской горизонтальной поверхности Д ~ 0.
  25. 25. Измерение зависимости туннельного тока от расстояния I(Z)В теоретическом описании туннельного эффекта предполагаетсяэкспоненциальная зависимость тока от расстояния. На практике этазависимость может сильно отличаться от предсказаний простыхтеоретических моделей.Измерение и анализ зависимости I(Z) - весьма полезное иинформативное занятие.При выборе параметров I(Z) разумно придерживаться следующихсоображений:- не следует задавать большой диапазон перемещений. Во многихслучаях достаточно выбрать диапазон в несколько нанометров
  26. 26. Измерение зависимости туннельного тока от напряжения на переходеI(U)Измерение вольт-амперных характеристик столь же полезноезанятие, как и определение зависимости тока от расстояния между иглой иобразцом.Рациональная интерпретация зависимостей I(U), снятых на воздухе, можетбыть неконтролируемым образом осложнена наличием адсорбционныхпленок на образце и игле. Вместе с тем, нестабильность I(U)может служитькосвенным свидетельством нарушением чистоты исследуемой поверхности.Измерение I(U) может применяться и для не прямых целей, аименно, для очистки иглы. Процедура очистки иглы выполняетсяследующим образом. Образец отводится от иглы на расстояние 100-500 нм,после чего проводится измерение I(U) в диапазоне значений от (-9...-3) В до(+3...+9) В. Электродесорбция, обусловленная высокой напряженностьюэлектрического поля, может приводить к очистке острия.
  27. 27. Шумы туннельного тока
  28. 28. Шумы туннельного токаСпектральная плотность шума туннельного тока.Измерения на выходе цепи обратной связи.На низких частотах происходит существенное увеличениеобщего шума туннельного тока из-за наличия избыточного 1/fшума.F. Bordoni, V.I. Panov, S.V. Savinov, A.V. Stepanov, I.V. Yaminsky. Low frequency noise in scanning tunneling microscopymeasurements, AIP Conference Proceedings 285, Noise in Physical Systems and 1/f Noise fluctuations, St.Louis, 1993, p. 487-490
  29. 29. СТМ изображение в режиме постоянного туннельного тока поверхности кристалла GaAs (110) притемпературе 4,7 К. Поверхность высокодопирована атомами Zn, выступающими в качествеакцепторов. Акцепторы приводят к появлению холмов треугольной формы, которые на рисункеимеют красно-желтую окраску. Атомы галлия (от светло голубого до желтого) и мышьяка (темносиние) наблюдаются одновременно при следующих параметрах: U= 1,6 В, I = 80 пА.Поверхностные акцепторные состояния с несферической симметрией.G. Mahieu, B. Grandidier, D. Deresmes, J. P. Nys, D. Stievenard, and Ph. Ebert.PRL 94, 026407 (2005)
  30. 30. Пример манипулирования с атомами в низкотемпературном СТМ – 42 атома серебраразмещены на поверхности кристалла серебра Ag(111) при температуре 4,8 К, напряжениеU=-20 мВ, I=10 нА. Перемещение атомов осуществлено при U=-10 мВ, I=300 нА. Быладостигнута практически 100% эффективность по перемещению атомов при этихпараметрах.http://www.omicron.de/en/products/low-temperature-spm/instrument-conceptИзмерения A. Bettac, Omicron NanoTechnology, Germany.
  31. 31. Сканирующая туннельная микроскопия решетки нанопроволок Pt наповерхности Ge(001). Обратите внимание, что происходит удвоениепериодичности в направлении оси Pt проволок. Расстояние междусоседними напрпроводами 1.6 нм. Туннельное напряжение -1,35 В,туннельный ток 0,54 на.N. Oncel, A. van Houselt, J. Huijben, A.Hallbäck, O. Gurlu, H. J.W. Zandvliet, andB. Poelsema. PRL 95, 116801 (2005)http://www.omicron.de/en/products/low-temperature-spm/instrument-concept
  32. 32. Сканирующий туннельный микроскоп для работы при Т<5ККомпания Омикрон (Германия).
  33. 33. Достоинства и преимущества сканирующей туннельной микроскопии1. Истинно атомное разрешение поверхности образцов.2. Наблюдение атомной структуры в вакууме, на воздухе и вжидкостях3. Осуществление манипуляций с отдельными атомами иперемещений атомов4. Родоначальник обширного семейства сканирующих зондовыхмикроскопов.5. Наличие как простых СТМ, так и сложных нанотехнологическихкомбайнов в сочетании с СТМ.Успешное развитие сканирующей туннельной микроскопиифактически привело к реальному появлению на светнанотехнологий.В первоначальном смысле полагалось, что нанотехнологии будутработать методами атомной сборки:на входе: атомы и молекулына выходе: сложные устройства, как правило, нанометровогомасштаба.
  34. 34. Поверхности, наблюдаемые в СТМНа воздухе в СТМ видныграфитзолото, серебро и другие благородные металлылипиды на графитеалканы на графитесильно легированный свежеприготовленный кремний…На воздухе в СТМ не видны или практически не видныалюминий и многие металлы с оксидной пленкойчистый и слаболегированный кремнийдиэлектрики…В высоком вакууме виднызолото, серебро и все металлыкремний, германий и др. полупроводникиграфитлипиды на графитеалканы на графите…
  35. 35. Недостатки сканирующей туннельной микроскопии1. Наблюдение только проводящих образцов.2. Наличие диэлектрического включения на поверхности образцаможет приводить к выходу зонда.3. Изучение только свойств поверхности4. Невозможность изучения структуры и свойства в объеме образцов5. Наличие механического сканирования приводит к относительнобольшим временам измерений
  36. 36. Сканирующий туннельный микроскопТри составляющие части сканирующего туннельного микроскопаI. Механическая системаII. Электронная система управленияIII. Программное обеспечение для управления микроскопомДополнительные аксессуарыI. Игла (зонд)II. Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных
  37. 37. Сканирующий туннельный микроскопТри составляющие части сканирующего туннельного микроскопаI. Механическая системаII. Электронная система управленияIII. Программное обеспечение для управления микроскопомДополнительные аксессуарыI. Игла (зонд)II. Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных
  38. 38. Сканирующий туннельный микроскопТри составляющие части сканирующего туннельного микроскопаI. Механическая системаII. Электронная система управленияIII. Программное обеспечение для управления микроскопомДополнительные аксессуарыI. Игла (зонд)II. Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных
  39. 39. Литература для дополнительного чтения1. Бинниг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия – отрождения к юности. Успехи физических наук. 1988, 154, 261-278.http://ufn.ru/ru/articles/1988/2/d/2 И. Яминский. Закон Ома для разомкнутой цепи и ... туннельныймикроскоп. Квант, 5, 10-13 (1999).3 F. Bordoni, V.I. Panov, S.V. Savinov, A.V. Stepanov, I.V. Yaminsky. Lowfrequency noise in scanning tunneling microscopy measurements, AIPConference Proceedings 285, Noise in Physical Systems and 1/f Noisefluctuations, St.Louis, 1993, p. 487-490.

×