Lección 4. SPM (2017)

Resumen Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Nanociencia y Nanotecnología - 2º curso
Asignatura Laboratori de microscopies
Año del apunte 2017
Páginas 3
Fecha de subida 11/06/2017
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Lección 4. SPM Aplicaciones Fechas: • • • • • • Saber estructura atómica superficial Análisis estuctura electrónica de semiconductores Adsorbatos Crecimiento de capas delgadas Corrosión, reactividad, efiiencie Nanolitografía y manipulación 1925. Descubrimiento del efecto túnel.
1981. Rohrer y Binning crean primer STM.
Estudio Átomo Conjunto de átomos Sólido Propiedades a tener en cuenta Orbitales Orbitales moleculares Bandas de conducción Ilustración 1. Propiedades en la conducción a cada nivel. Densidad de estados (DOS); es el número de niveles de energía entre E y E+dE. En las bandas; la superior es la de valencia y la inferior la de conducción. El nivel de Fermi son los niveles de energía que dividen las bandas llenas de las vacías, y el espacio energético de separación es el Band Gap. La banda de los electrones libres (fuera del sólido), se llama nivel de vacío Ev.Para desplazar un electrón de EF a Ev, requerimos el trabajo de extracción, ø. Valores normales en unidades (4-5) eV. Efecto túnel: fenómeno por el que una partícula viola la mecánica clásica atravesando una barrera de potencial mayor que su energía cinética. La función de onda representa la probabilidad que tiene la partícula de ser encontrada en la curva del comportamiento ondular. Proviene de la ecuación de Schrödinger. Describe una función senoidal en los extremos del potencial, y exponencial decreciente dentro de la barrera de potencial. La corriente túnel (valores de 1nA) depende de la DOS (directamente), la función de trabajo efectiva (inversamente exponencial) y la distancia (de forma inversamente exponencial) entre los elementos. -1 Coeficiente de decaimiento (m ), va multiplicando a la z (distancia que separa los dos elementos) dentro del -1 exponencial negativo. Depende de la masa y de la función de trabajo. Sus valores normales son en 10-11 nm . Si la distancia varía 1Å, la intensidad varía en un orden de magnitud. Midiendo la corriente túnel, podemos determinar la z y así definir la superficie. Desplazamos la punta usando piezoeléctricos. Lección 4. SPM | Sara Arias Blanco STM AFM Puntas redondas: imágenes redondas Conductora: Platino e Iridio o cable de Tungsteno Radio grande: escalones inclinados Punta Puntas muy finas: agujeros pequeños Superficie Distancias Å Conductora/semiconductora Interacciones punta-muestra, dependientes de la distancia entre ellas. F=K·∆d Corriente 10pA-1nA -8 -12 Fuerza 10 -10 N. Desplazamiento preciso en ±0,5Å K de 0,01-100 N/m Información 3D: imagen+datos Qué obtenemos - Topografía buena a gran escala Densidad de carga buena a niveles atómicos Mecánicas (covalente, metálicas) Coulombianas (dipolo, iónicas) Polarización (dipolos inducidos) Estructuras biológicas (flagelos, cromosomas, superficies celulares) y nanoestructuras (nanotubos, superficies de polímeros, nanowires), superficies (topografía, química, cerámicas) Velocidad del feedback, eliminar ruidos Retos Trabajar cerca del mínimo de energía, y a la menor distancia, para obtener una mayor resolución. no llegar a hacer contacto controlar los piezos CONTACTO: cuando las fuerzas de repulsión son predominantes.<5Å ALTURA CONSTANTE: medimos la corriente. Rápido pero solo muestras planas Modos • Altura constante. Varía la altura mientras escanea. Modo rápido Fuerza constante. Responde a la topografía manteniendo la deflection constante. Limitación de velocidad. CORRIENTE CONSTANTE: medimos la altura. NO CONTACTO (atracción): entra en juego Van der Waals, y las fuerzas de polarización. 10-100Å. Usamos realimentación. Mide las fuerzas atractivas sin tocar la muestra Lento pero muestras rugosas. Requerimientos • Un átomo en la punta Radio mínimo del átomo INTERMITENTE o tapping: 5-20Å Láser: para aumentar la sensibilidad sobre el detector de fotodiodo. El fotodiodo aumenta la sensibilidad para detección en 2D. Las fuerzas atómicas causan que se doble el cantiléver (refleja el láser cuando se dobla) Alta frecuencia de resonancia, baja K, baja masa del cantiléver. Resolución Lateral 1 Å Vertical 0,1 Å Campo 100 𝜇m No hay daño a la muestra Ventajas Desventajas Mejor resolución vertical que SEM Bajo coste Sirve para muestras biológicas y no conductoras Átomos individuales Comparación según los modos de operación Muestras conductoras y semiconductoras Difícil Ilustración 2 pág. 2 Lección 4. SPM | Sara Arias Blanco No contacto Ventajas Desventajas No se ejercen fuerzas Menor resolución lateral y menor velocidad. Mejor resolución lateral Intermitente Daño mínimo a la muestra (fuerzas más débiles) Menor velocidad que contacto. Alta velocidad. Cizalla (f. laterales) pueden distorsionar las características de la superficie. Resolución atómica. Efecto SNAP-IN . Registra cambios bruscos Se puede dañar la muestra. Altura constante sirve para imágenes planas. Contacto 1 Amplitud 100% de la libre Basados en Feedback. Amplitud 50-60% de la libre Si pretendemos velocidad, el mejor modo es el modo contacto. Para resolución lateral, el tapping mode. Para muestras hidrofóbicas el modo no contacto. Ilustración 3. Modos de AFM MEDIDAS EN SPM Alta velocidad → artifacts Velocidad típica 0,5 − 2Hz Integral →↑ I gain, mayor velocidad de reacción, mejor calidad Gain ↑↑ puede haber oscilaciones P → a altos valores, ruido Setpoint (Tapping mode). Es la amplitud de oscilación del cantiléver a la que la punta toca la superficie. • Velocidad • • ↓ setpoint → ↑ fuerza de contacto Si es demasiado alto, puede que la punta se vaya del feedback Si es demasiado bajo, la fuerza es muy alta, y puede dañarse la punta. 1 Debido a las fuerzas de capilaridad. pág. 3 ...

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