Skanningssondmikroskopi

Del av en serie artiklar om
nanoteknik
Påverkan och tillämpningar
Nanomaterial
Molekylär självmontering
Nanoelektronik
Nanometri
Molekylär nanoteknik

Scanning probe microscopy ( SPM ) är en gren av mikroskopi som bildar bilder av ytor med hjälp av en fysisk sond som skannar provet. SPM grundades 1981, med uppfinningen av skanningstunnelmikroskopet, ett instrument för avbildning av ytor på atomnivå. Det första framgångsrika scanningstunnelmikroskopexperimentet gjordes av Gerd Binnig och Heinrich Rohrer . Nyckeln till deras framgång var att använda en återkopplingsslinga för att reglera gapavståndet mellan provet och sonden.

Många scanningsprobmikroskop kan avbilda flera interaktioner samtidigt. Sättet att använda dessa interaktioner för att erhålla en bild kallas i allmänhet ett läge.

Upplösningen varierar något från teknik till teknik, men vissa sondtekniker når en ganska imponerande atomupplösning. [ citat behövs ] Detta beror till stor del på att piezoelektriska ställdon kan utföra rörelser med en precision och noggrannhet på atomär nivå eller bättre på elektronisk kommando. Denna familj av tekniker kan kallas "piezoelektriska tekniker". Den andra gemensamma nämnaren är att data vanligtvis erhålls som ett tvådimensionellt rutnät av datapunkter, visualiserat i falsk färg som en datorbild.

Etablerade typer

Bildbildning

För att bilda bilder, skanningssondmikroskop rasterskannar spetsen över ytan. Vid diskreta punkter i rasterskanningen registreras ett värde (vilket värde beror på typen av SPM och driftsättet, se nedan). Dessa registrerade värden visas som en värmekarta för att producera de slutliga STM-bilderna, vanligtvis med en svartvit eller orange färgskala.

Konstant interaktionsläge

I konstant interaktionsläge (ofta kallat "i återkoppling"), används en återkopplingsslinga för att fysiskt flytta sonden närmare eller längre från ytan (i z-axeln) som studeras för att upprätthålla en konstant interaktion. Denna växelverkan beror på typen av SPM, för skanning av tunnelmikroskopi är växelverkan tunnelströmmen, för kontaktläge AFM eller MFM är det fribärande avböjning , etc. Typen av återkopplingsslinga som används är vanligtvis en PI-loop, vilket är en PID-loop där differentialförstärkningen har satts till noll (eftersom den förstärker brus). Spetsens z- position (avsökningsplanet är xy -planet) registreras periodiskt och visas som en värmekarta. Detta kallas normalt för en topografibild.

I det här läget tas också en andra bild, känd som "felsignalen" eller "felbilden", som är en värmekarta över interaktionen som återkopplades. Under perfekt drift skulle denna bild vara tom vid ett konstant värde som sattes på återkopplingsslingan. Under verklig drift visar bilden brus och ofta en viss indikation på ytstrukturen. Användaren kan använda denna bild för att redigera återkopplingsvinsterna för att minimera funktioner i felsignalen.

Om förstärkningarna är felaktigt inställda är många avbildningsartefakter möjliga. Om vinsterna är för låga kan funktioner verka utsmetade. Om vinsterna är för höga kan återkopplingen bli instabil och svänga, vilket ger randiga drag i bilderna som inte är fysiska.

Konstant höjdläge

I konstant höjdläge flyttas inte sonden i z -axeln under rasterskanningen. Istället registreras värdet av interaktionen som studeras (dvs. tunnelströmmen för STM, eller fribärande oscillationsamplitud för amplitudmodulerad beröringsfri AFM). Denna registrerade information visas som en värmekarta och brukar kallas en konstant höjdbild.

Konstanthöjdsavbildning är mycket svårare än konstant interaktionsavbildning eftersom sonden är mycket mer benägen att krascha in i provytan. [ citat behövs ] Vanligtvis innan du utför konstanthöjdsavbildning måste man avbilda i konstant interaktionsläge för att kontrollera att ytan inte har några stora föroreningar i avbildningsområdet, för att mäta och korrigera för provets lutning och (särskilt för långsamma skanningar) för att mäta och korrigera för termisk drift av provet. Piezoelektrisk krypning kan också vara ett problem, så mikroskopet behöver ofta tid på sig att sätta sig efter stora rörelser innan konstant höjdavbildning kan utföras.

Konstant höjdavbildning kan vara fördelaktigt för att eliminera möjligheten till återkopplingsartefakter. [ citat behövs ]

Sondtips

Typen av en SPM- probspets beror helt på vilken typ av SPM som används. Kombinationen av spetsform och topografi av provet utgör en SPM-bild. [ citat behövs ] Men vissa egenskaper är gemensamma för alla, eller åtminstone de flesta, SPM. [ citat behövs ]

Det viktigaste är att sonden måste ha en mycket skarp spets. [ citat behövs ] Sondens spets definierar mikroskopets upplösning, ju skarpare sond desto bättre upplösning. För atomupplösningsavbildning måste sonden avslutas av en enda atom. [ citat behövs ]

För många fribärande baserade SPM (t.ex. AFM och MFM ) tillverkas hela fribäraren och den integrerade sonden genom syra [etsning], vanligtvis av kiselnitrid. Ledande sonder, som behövs för STM och SCM , är vanligtvis konstruerade av platina/iridiumtråd för omgivningsoperationer, eller volfram för UHV -drift. Andra material som guld används ibland antingen av provspecifika skäl eller om SPM ska kombineras med andra experiment som TERS . Platina/iridium- (och andra omgivande) sonder skärs normalt med vassa trådskärare, den optimala metoden är att skära av större delen av vägen genom tråden och sedan dra för att knäppa den sista av tråden, vilket ökar sannolikheten för en enda atomavslutning. Volframtrådar etsas vanligtvis elektrokemiskt, efter detta måste oxidskiktet normalt tas bort när spetsen är i UHV-förhållanden.

Det är inte ovanligt att SPM-sonder (både köpta och "hemgjorda") inte avbildar med önskad upplösning. Detta kan vara en spets som är för trubbig eller så kan sonden ha mer än en topp, vilket resulterar i en fördubblad bild eller spökbild. För vissa sonder in situ modifiering av spetsens spets möjlig, detta görs vanligtvis genom att antingen krascha spetsen i ytan eller genom att applicera ett stort elektriskt fält. Det senare uppnås genom att applicera en förspänning (av storleksordningen 10V) mellan spetsen och provet, eftersom detta avstånd vanligtvis är 1-3 Ångström genereras ett mycket stort fält.

Den ytterligare fastsättningen av en kvantpunkt till spetsen av en ledande sond möjliggör ytpotentialavbildning med hög lateral upplösning, skanningskvantpricksmikroskopi .

Fördelar

Mikroskopens upplösning begränsas inte av diffraktion , bara av storleken på sond-prov-interaktionsvolymen (dvs punktspridningsfunktionen ), som kan vara så liten som några få picometre . Därför är förmågan att mäta små lokala skillnader i objekthöjd (som 135 pikometersteg på <100> kisel) oöverträffad. I sidled sträcker sig sond-prov-interaktionen endast över spetsatomen eller de atomer som är involverade i interaktionen.

Interaktionen kan användas för att modifiera provet för att skapa små strukturer ( Scanning probe litografi) .

Till skillnad från elektronmikroskopmetoder kräver inte prover ett partiellt vakuum utan kan observeras i luft vid standardtemperatur och standardtryck eller när de är nedsänkta i ett flytande reaktionskärl.

Nackdelar

Den detaljerade formen på skanningsspetsen är ibland svår att fastställa. Dess effekt på de resulterande data är särskilt märkbar om provet varierar mycket i höjd över sidoavstånd på 10 nm eller mindre.

Skanningsteknikerna är i allmänhet långsammare när det gäller att få bilder, på grund av skanningsprocessen. Som ett resultat görs ansträngningar för att avsevärt förbättra skanningshastigheten. Liksom alla skanningstekniker, öppnar inbäddningen av rumslig information i en tidssekvens dörren till osäkerheter inom metrologi, t.ex. laterala avstånd och vinklar, som uppstår på grund av tidsdomäneffekter som provdrift, återkopplingsslingoscillation och mekanisk vibration.

Den maximala bildstorleken är vanligtvis mindre.

Skanningsprobmikroskopi är ofta inte användbar för att undersöka nedgrävda fast-fasta eller vätske-vätskegränssnitt.

Visualisering och analysmjukvara

I alla fall, och i motsats till optiska mikroskop, krävs renderingsprogram för att producera bilder. Sådan programvara produceras och bäddas in av instrumenttillverkare men finns också som tillbehör från specialiserade arbetsgrupper eller företag. De huvudsakliga paketen som används är gratisprogram: Gwyddion , WSxM (utvecklad av Nanotec) och kommersiella: SPIP (utvecklad av Image Metrology), FemtoScan Online (utvecklad av Advanced Technologies Center ), MountainsMap SPM (utvecklad av Digital Surf ), TopoStitch (utvecklad av Image Metrologi).

Vidare läsning

externa länkar


Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Scanning_probe_microscopy&oldid=1141076707 "