Scanning Probe Microscopy (SPM)

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1 1 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Fundamentos de Cristalografia e Difração - PMT º Semestre de 2017 CARACTERIZAÇÃO DE SUPERFÍCIES Scanning Probe Microscopy (SPM) (Microscopia de Varredura por Sonda) Imagem de STM (Scanning Tunneling Microscopy) de uma camada superficial incompleta do Si(111) com reconstrução 7x7 < chargetransportthroughnanostructures_node.html> Ivette Frida Cymbaum Oppenheim ( [email protected])

2 2 SCANNING PROBE MICROSCOPY (SPM) SUMÁRIO Histórico Fundamentos Equipamento Scanning tunneling Microscope (STM) Atomic Force Microscopy (AFM)

3 SCANNING PROBE MICROSCOPES (SPM s) 3 O PRIMEIRO G.Binnig e H.Rohrer "Scanning tunneling microscopy", Helv. Phys. Acta, vol.55, #6, p (1982). Exemplo de um "Scanning Probe Microscope" atual.

4 HISTÓRIA 1981 Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (ambos da IBM Zurich 4 Research Center) inventam o "Scanning Tunneling Microscope (STM)" Gerd Binnig e Heinrich Rohrer produzem pela primeira vez na história da ciência moderna, uma imagem da morfologia da Gerd Binnig superfície de um sólido cristalino com resolução atômica. O instrumento utilizado foi o STM, previamente por eles desenvolvido, e o sólido estudado foi o silício. (Phys.Rev.Letters, Vol. 49, No 1, 1982, p.57). Heinrich Rohrer 1985 Gerd Binnig, Christoph Gerber (IBM Zurich Research Center) e C. F. Quate (Stanford University) desenvolvem o "Atomic Force Microscope (AFM)" Gerd Binnig e Heinrich Rohrer recebem o Prêmio Nobel de Física pela invenção do STM (< STM se torna disponível comercialmente AFM se torna disponível comercialmente.

5 SCANNING PROBE MICROSCOPY (SPM) 5 Os Microscópios de Varredura por Sonda (Scanning Probe Microscopes - SPMs) constituem uma família de equipamentos utilizados para microscopia, microanálise, nanolitografia e manipulação atômica. O funcionamento dos SPMs se baseia no monitoramento das interações entre uma sonda (ou ponta) atomicamente afilada (em inglês "tip") e a superfície de uma amostra, enquanto a sonda varre a superfície da amostra, visando a obtenção de um sinal de alta resolução. A natureza da interação sonda-superfície monitorada define o sinal medido e determina a propriedade que será investigada. Exemplos de propriedades estudadas com SPMs são: morfologia de superfície, propriedades elétricas, propriedades magnéticas, forças de atrito, adesão, elasticidade, dureza e distribuição de temperaturas. sonda escala atômica interação superfície O STM, primeiro membro da família SPM, quebrou o paradigma na forma de vizualização dos microscópios anteriores e abriu caminhos inovadores para caracterização e manipulação de materiais em escala nanométrica.

6 SCANNING PROBE MICROSCOPY (SPM) 6 OBSERVAÇÃO As animações ilustram, com resolução atômica, uma sonda varrendo uma superfície. A intensidade da interação sondasuperfície determina se faremos uma observação ou uma modificação da amostra. MODIFICAÇÃO < 3D-Animation von Miguel Heß, Jahresarbeit O diâmetro do ápice da sonda (tip) é de aproximadamente 10 nm. As distâncias usuais entre as sondas e as superfícies se encontram no intervalo de 0,1 nm a 10 nm. <

7 Componentes Básicos e Princípio de Funcionamento dos SPMs 7 Sensor da posição vertical da sonda cantilever Sistema de retro-alimentação (feedback system): controle da posição vertical (distância sonda-superfície) da sonda sonda amostra Posicionador rústico: posicionamento inicial scanner de varredura Computador: adquire os dados controla o scanner converte os dados em uma imagem <

8 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) 8 Ilustração do processo de aquisição de imagens Filme fino de Zr com 250nm de espessura, depositado por Sputtering Magnetron, TS = 300ºC E.F. Chinaglia e I.C. Oppenheim - USP Ref.: E. F. Chinaglia, Tese de Doutorado - Instituto de Física da USP (2002), p.42

9 SCANNING PROBE MICROSCOPY (SPM) 9 Dos diversos tipos de SPMs, dois são particularmente importantes: AFM (Atomic Force Microscope, Microscópio de Força Atômica) - o mais comumente utilizado na atualidade, fornece a topografia de superfície por meio do monitoramento da força de interação sonda-superfície. Ref.: G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Geber, Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Letters, Vol. 56, No 9, 1986, p.930. STM (Scanning Tunnelig Microscope) - o primeiro da famíla e o de maior resolução espacial, fornece a topografia de superfície por meio do monitoramento da corrente quântica de tunelamento entre a sonda e a superfície. Ref.: G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy, Phys.Rev.Letters, Vol. 49, No 1, 1982, p.57. Exemplos de outros tipos de SPMs: Electric Force Microscopy Magnetic Force Microscopy Lateral Force Microscopy Scanning Near-Field Microscopy Surface Potential Scanning Spreading Resistance Microscopy Atomic Tunneling Force Microscopy Thermal Scanning Microscopy Scanning Capacitance Microscopy Scanning Acoustic Microscopy Torsional Resonance Mode Conductive Atomic Force Microscopy Breves descrições acompanhadas de animações de diversos tipos de SPM s encontram-se em <

10 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) 10 No STM monitora-se a CORRENTE DE TUNELAMENTO entre a sonda e a superfície da amostra. A magnitude da corrente de tunelamento encontra-se geralmente no intervalo de na a pa e a distância sonda-superfície entre 0,2 a 0,5 nm. Com essa técnica pode-se estudar amostras condutoras ou semicondutoras. A sensibilidade da técnica deve-se ao fato de que variações de 0,10 nm na distância sonda-superfície alteram a corrente de tunelamento por um fator de 10 Pode fornecer imagens topográficas com resolução atômica (distâncias de até 0,20 nm podem ser discernidas). Com o STM pode-se t a m b é m e s t u d a r a s propriedades eletrônicas de superfícies. Exemplo: condutividade <www3.delta.edu/mttalbot/.../27_quantum_physics%20.ppt>

11 11 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) A corrente de tunelamento varia com distância sonda-superfície de acordo com a expressão: I(L) ~ V e -2kL com k = (2 /h) 2mϕ I = corrente de tunelamento (~ alguns na) L = distância entre a sonda e a superfície (frações de nm) V = diferença de potencial entre a sonda e a superfície (~ 0,1 a 1 V) Φ = função de trabalho (~ poucos ev) m = massa do elétron h = constante de Planck

12 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) Corrente de tunelamento sonda-superfície constante MODOS DE OPERAÇÃO Posição vertical da sonda constante 12 < <

13 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) SONDAS Para imagens com resolução atômica, apenas as características atômicas da ponta da sonda são relevantes, a forma macroscópica da sonda tem pouca importância. 13 V. L. Mironov, "Fundamentals of Scanning Probe Microscopy", The Russian Academy of Sciences Institute for Physics of Microstructures, Nizhniy Novgorod (2004)

14 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) 14 SONDAS Para imagens de estruturas grandes, em relação à escala atômica, a forma macroscópica da sonda é relevante.

15 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) 15 Imagem de STM, com resolução atômica, da seção transversal de uma super-rede de GaSb/InAs Sb As Super-rede crescida por MBE: - 12 monocamadas de GaSb - 14 monocamadas de InAs Seção transversal: superfície de clivagem corresponde à do plano (110) do substrato (wafer de Si). < Devido à estrutura cristalina, apenas planos alternados aparecem nas superfícies (110).

16 16 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) NANOLITOGRAFIA - UM MECANISMO DE OPERAÇÃO A intensidade da interação sonda-superfície determina se faremos uma observação da amostra ou uma modificação na amostra.

17 SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM) 17 NANOLITOGRAFIA - EXEMPLOS 35 átomos de Xe sobre uma superfície de Ni (110), mantida à temperatura de 4 K. Nature 344, 524 (1990) Átomos de Fe sobre Cu 48 átomos de Fe formam um círculo Science 262, 218 (1993) Caracteres Kanji para a palavra átomo.

18 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) VARIANTES DO AFM 18 <

19 19 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO AFM Fotodiodo Laser Espelho Fotodiodo Laser Amostra Feedback Ponta Cantilever (sensor de força) Scanner Piezoelétrico

20 20 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) Diagrama esquemático da sonda (ponta + cantilever) Cantilever Base Ponta V. L. Mironov, "Fundamentals of Scanning Probe Microscopy", The Russian Academy of Sciences Institute for Physics of Microstructures, Nizhniy Novgorod (2004)

21 21 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) Diagrama esquemático do sistema óptico para detecção da deflexão do cantilever. Laser Fotodiodo Fotodiodo V. L. Mironov, "Fundamentals of Scanning Probe Microscopy", The Russian Academy of Sciences Institute for Physics of Microstructures, Nizhniy Novgorod (2004)

22 22 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) Força perpendicular à superfície Força paralela à superfície V. L. Mironov, "Fundamentals of Scanning Probe Microscopy", The Russian Academy of Sciences Institute for Physics of Microstructures, Nizhniy Novgorod (2004)

23 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) 23 Para estudos da morfologia de superfície, o potencial de interação entre a sonda e a superfície (força perpendicular à superfície) pode ser modelado como originado por forças de van der Waals e matematicamente aproximado pelo potencial de Lennard-Jones, U(r) = U0 { -2(r0 / r) 6 + (r0 / r) 12 }

24 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) MODOS BÁSICOS DE OPERAÇÃO (força perpendicular à superfície) 24 força repulsiva força atrativa Ref.: MIT_OCW_3.052 Lecture 5

25 25 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) MODO: CONTATO DC <

26 26 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) MODO: CONTATO INTERMITENTE (TAPPING MODE) <

27 27 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) MODO: CONTATO INTERMITENTE (TAPPING MODE) Zr (filme fino 120nm), TS = 400ºC Ti (filme fino 145nm), TS = 300ºC Varredura: 10 µm Varredura: 1,0 µm Imagens de E.F. Chinaglia e I.C. Oppenheim - Universidade de São Paulo

28 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) 28 CANTILEVER DE Si Cantilever retangular V. L. Mironov, "Fundamentals of Scanning Probe Microscopy", The Russian Academy of Sciences Institute for Physics of Microstructures, Nizhniy Novgorod (2004) <

29 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) 29 CANTILEVER DE SiN Cantilever triangular < V. L. Mironov, "Fundamentals of Scanning Probe Microscopy", The Russian Academy of Sciences Institute for Physics of Microstructures, Nizhniy Novgorod (2004) <

30 30 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) SONDA (PONTA + CANTILEVER) <

31 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) Convolução 31 O sinal é sempre o resultado da convolução da topografia da amostra com a topografia da ponta. < courses/mate145/>

32 32 ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM) Convolução O sinal é sempre o resultado da convolução da topografia da amostra com a topografia da ponta. O menor faz a imagem do maior Ref.: Marc Nolte <

33 SCANNING PROBE MICROSCOPY (SPM) 33 REFERÊNCIAS V. L. Mironov, "Fundamentals of Scanning Probe Microscopy", The Russian Academy of Sciences Institute for Physics of Microstructures, Nizhniy Novgorod (2004). < Spring-2007/LectureNotes/> M. Ohring "Materials Science of Thin Films" - Academic Press Inc., 2ª edição, W.A. Mannheimer, Microscopia dos Materiais - Uma Introdução. Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanálise < COMPLEMENTE SEU APRENDIZADO Video: "Understanding AFM", (RM - 56K) (RM - 220K) (MOV MB) (Courtesy of Asylum Research, Inc. Used with permission) SPM Basics: <