Wykład 8. Artefakty w mikroskopii AFM

Wykład 8.

Artefakty w mikroskopii AFM

Ilustrowane głównie wynikami otrzymanymi metodą C-AFM

(Większość wyników była prezentowana jako poster na seminarium AFM/STM Zakopane 2004)

F. Gołek (golek@ifd.uni.wroc.pl) www.pe.ifd.uni.wroc.pl

Współpraca

P. Mazur, S. Zuber, Z. Ryszka.

Motywacja:

Bez zrozumienia przyczyn powstawania artefaktów prawidłowa interpretacja

otrzymywanych obrazów w mikroskopii typu SPM (scanning probe microscopy) jest często niemożliwa.

Artefakty – obiekty, które w rzeczywistości

„wyglądają” inaczej lub nie istnieją.

Plan wykładu

1) Zasada działania mikroskopu AFM 2) Przyczyny powstawania i przykłady artefaktów.

3) Wnioski.

Zasada działania C-AFM jest podobna do zasady działania profilometru igłowego (

Schmalz G., Z. VDI. Vol. 73 (1929) 144–161

).

Powiększenie do 1000x.

Zasada działania mikroskopu AFM

Dźwignia k ≈ 0.1 Nm^-1

Piezoceramiki

Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT) 10^-4 – 10^-7 % na V Mikroskop posiada układ izolujący go od wibracji.

 Mikroskop sił atomowych (AFM) został wynaleziony w 1985 roku

przez Binning’a i wsp. (G. Binning, C.F. Quate, Ch. Gerber, Phys. Rev.

Lett. 56 (1986) 930). Był to rezultat poszukiwań sposobu na niemożliwość badania izolatorów skaningowym mikroskopem tunelowym (STM - 1982),

G. Binning i H. Rohrer, Nagroda Nobla (50%) w 1986 za STM)

 Dwa rodzaje organizacji układu dźwignia - próbka .

(pochylenie ostrza wynosi 10º - 25º)

Układ AFM-STM firmy Omicron

 

AFM, podobnie jak STM, należy do grupy nowych technik mikroskopowych czasem nazywanych mikroskopiami bliskich oddziaływań. W takich mikroskopach element próbkujący

przemieszczany jest nad badaną powierzchnią w bardzo małej odległości (rzędu 1 nm). AFM obrazuje głównie położenia atomów, STM obrazuje lokalną gęstość stanów

elektronowych w pobliżu poziomu Fermiego.

Podstawowe mody pracy:

1) C-AFM (0.1 - 100 nN)

2) NC-AFM (10

^-1

- 10

^-4

nN)

3) Tapping AFM (0.1 - 1 nN)

Ograniczenie czułości AFM przez termiczne wzbudzenia dźwigni.

Im mniejsza wartość stałej siłowej c dźwigni

tym większa czułość, ale też większe termiczne wibracje:

kT/2 = (Δz)

²

c/2 

c - stała siłowa, ∆z - amplituda wychylenia,

dla c = 0.1N/M i T = 300K ∆ z

_rms

= 0.02nm

Pewna minimalna wartość stałej siłowej jest konieczna aby uzyskać wymagane zbliżenie bez tzw. przeskoku do kontaktu.

W komercyjnie dostępnych dźwigniach:

10

^-2

N/m < c < 10

²

N/m.

Ostrza: Si, SiO2, Si3N4, lub BN o promieniu

około 10 nm.

 Częste przyczyny powstawania artefaktów w C-AFM.

1

.

Przerzuty na brzegowych krawędziach (efekty bezwładności).

2. Szum elektroniczny lub wibracyjny oraz efekt filtracji szumu.

3. Termiczny dryf.

4. Zakrzywienie poziomu (przy znacznych wychyleniach ostrza).

5. Efekt histerezy materiału piezoelektrycznego skanera.

6. Efekt sumowania gdy stałe sieci ostrza i próbki są równe lub zbliżone.

7. Skończone rozmiary ostrza próbkującego (efekt obrazu ostrza).

8. Przyłączanie do ostrza drobnych fragmentów próbki i ich tracenie.

9. Tarcie.

10. Powstawanie menisku lub innych układów indukowanych ostrzem.

11. Zlokalizowany ładunek elektryczny.

12. Porównywalne stałe sprężystości próbki i dzwigni.

13. Efekt pochylenia dźwigni z ostrzem.

http://prism.mit.edu/analysis/instruments/afm_details.html

P. West, N. Starostina, Pacific Nanotechnology, Inc. 3350, Scot Blvd 29, Santa Clara.

Efekty przerzutów na krawędziach

może sprawiać wrażenie zwiększonej rozdzielczości i

istnienie drobniejszych szczegółów.

Dla obszernych tarasów i niskich stopni (do kilku stałych sieci) kształt i skończone rozmiary ostrza zwykle nie są krytyczne dla obrazowania powierzchni. Pomimo efektu złożenia (konwolucji) zarys linii stopni molekularnych jest dobrze widoczny.

 Wzniesienia na krawędziach i zagłębienia przy krawędziach to efekt metody - artefakt

 

Przerzuty przy krawędziach

Typowe szumy w obrazach AFM

Efekty uzyskania nadmiernej rozdzielczości przez filtrację szumu.

Obraz nanorurki

(P. West, N. Starostina Pacific Nanotechnology)

Efekt zmiany długości ostrza

Skrócenie Wydłużenie

(np. złamanie) (np. pochwycenie)

Dryf w układzie próbkującym powoduje deformacje kształtu badanych obiektów (widoczne jako ugięcia

linii uskoku).

Powierzchnia monokryształu LiF. 3D LiF: 3µm x 3µm, ∆z ≈ 9nm.

Dryf Gdy początkowy dryf jest większy niż prędkość skanu w kierunku Y (kierunek wolnego skanu) i przeciwnie skierowany to pewien początkowy fragment (dolna część

obrazu) próbki może być dwukrotnie przeskanowany.

STM Si(110)

Dryf

Przy zaokrąglonych liniach stopni atomowych deformacja generowana dryfem jest trudna do określenia.

Trenowana i częściowo odparowana powierzchnia Si(001) (3µm x 2.7µm, ∆Z = 10nm)

  Efekt zakrzywienia płaszczyzny

przy dużych obszarach obrazowania.

Efekt histerezy materiału

piezoelektrycznego skanera

Efekt jednoczesnego oddziaływania kilku atomów ostrza z atomami próbki.

http://zeus.plmsc.psu.edu/~manias/MatSc597/docs/koutsos3.pdf

Częste nie uwidacznianie

defektów oznacza, że zwykle mamy ostrze wieloatomowe.

Efekty niedoskonałego ostrza.

W C-AFM zwykle dochodzi do wieloatomowego oddziaływania i

deformacji próbki co czyni niezwykle trudnym uzyskanie rozdzielczości atomowej. Znacznie łatwiej o taką rozdzielczość w NC-AFM.

R. Erlandsson, L. Olsson, P. Martensson, Phys. Rev. B 54 (1996) R8309.

Efekt przemieszczania (grabienia)

materiału próbki

Zanieczyszczone ostrze.

Ostrze morze zbierać i tracić cząsteczki i nanoklastery

Dirty AFM-tip www.chem.ucla.edu

Efekty niedoskonałego ostrza.

Ostrze stępione.

(Three panels showing equal areas of Pd islands supported on SiO₂).

R. Erlandsson, L. Olsson, P. Martensson, Phys. Rev. B 54 (1996) R8309.

Typowe sytuacje układu: niedoskonałe ostrze –

próbka

Podwójne ostrze.

LiF/NaCl(001)

∆Z = 7nm ∆Z = 4nm

Efekt wysokich i wąskich wysp (konwolucja).

LiF/Si(001), T_g ≈ 600 K, obszar: 1.5 µm x 2.7 µm, ∆Z = 19 nm

LiF/Si(001), T

_d

≈ 600K, Θ < 5 DL,

∆ Z = 17.1nm, h ≈ 12 nm

140nm

Efekt wysokich i wąskich wysp. 

Efekt wysokich i wąskich wysp. 

Efekt pozornego zlepiania się wysp

Efekt średnio wysokich wysp.

Gdy kąty nachylenia niewysokich ścian na obrazach AFM są mniejsze niż 45° + 65° mogło by się wydawać, że to

topografia próbki. Niestety ostrza próbkujące zwykle mają

przy szczycie zaokrąglenia lub mniejsze niż przy podstawie

(45° + 65°) kąty ścian bocznych.  

Efekty stępionego ostrza i ostrych wysp na próbce:

Pochylone ostrze (- piramida o podstawie prostokątnej, a nawet kwadratowej) i wyspy-igły generują obrazy o

trapezoidalnym zarysie.

  Efekt zmiany kierunku skanowania (o 90°)

Pytanie: Czy jest to obraz próbki czy ostrza?

  Efekt zmiany kierunku skanowania (o 90°)

Pytanie: Czy jest to obraz próbki czy ostrza?

Wniosek: Zmiana kierunku skanowania nie rozstrzyga

tego problemu! Tylko obrót próbki (albo obrót ostrza)

wokół osi próbka-ostrze może przynieść rozstrzygnięcie!

  Efekt zmiany kierunku skanowania (o 90°)

Odpowiedź: prawdopodobnie obrazy ostrza uzyskane

igłami o różnych profilach.

  Efekt zmiany kierunku skanowania (o 90°) i analiza szczegółów.

Odpowiedź: na pewno obrazy ostrza!

210nm 210nm

Czy zmiana kierunku skanowania rozstrzyga między

podwójną wyspą a podwójnym ostrzem (artefaktem)? Niestety nie!

Po zmianie kierunku skanowania (with scan direction changed)

To exclude multiple tip artifact

one can not base on the comparison of the AFM images generated for

different scan directions.

Jeżeli nie można dokonać obrotu próbki lub ostrza wokół własnej osi to pozostaje metoda zmiany lub wymiany ostrza. Przykład zastosowania ostrzy o trójkątnym i prostokątnym przekroju poprzecznym ilustruje to dobitnie.

Przekroje ostrza:

trójkątny trójkątny prostokątny

Złożenie (konwolucja) profili: potrójnego ostrza i prostopadłościennych wysp.

W takiej sytuacji bywa możliwym do zmierzenia wysokość wysp i zarys szczytowych tarasów.

.

Bliźniaczo podobne obiekty (- obrazy ostrza) mogą się nieco różnić, gdy różnią się profile nano-obiektów badanej próbki.

• KCl/Si(100) dwa kolejno uzyskane obrazy (06i07r02).

Efekt złożenia stępionego ostrza i wąskich wysp.

Obiekt o najmniejszych rozmiarach lateralnych przedstawia najlepsze przybliżenie profilu ostrza.

LiBr/Si(001)

3000 x 3000 x 63 nm³

Efekt znikania wąskich szczelin i zaokrąglania

krawędzi.

LiF/Si(100) Zniekształcenia kątów prostych spowodowane są dryftem 

Efekt znikania wąskich szczelin

LiF/Si(100) (35,11/12r02) (420 x 420 x 7 nm³) Głębokości prostokątnych wgłębień = 4 nm

84nm

Obserwacja złamania wysokiej wyspy.

Trapezowate profile wynikają z pochylenia ostrza

(o prostokątnym przekroju poprzecznym) względem

badanych wysokich wysp.

Zaobserwowanie kolejnego złamania wysokiej wyspy.

Wpływ zmian tarcia na wynik obrazowania.

Wpływ zmian tarcia na wynik obrazowania.

Przy niewłaściwym kierunku „skanowania” mamy efekt sprzężenia siły lateralnej z siłą pionową.

J. I. Paredes, A. Martinez-Alonso, J. M. D. Tasco, J. Microscopy 200, (2000) 109.

Zmiana tarcia widziana jako zmiana wysokości.

(zanieczyszczenia na powierzchni NaCl)

240nm

240nm

R. Erlandsson, L. Olsson, P. Martensson, Phys. Rev. B 54 (1996) R8309.

AFM nie pokazuje prawdziwych położeń atomów.

Uzyskiwany kontrast może zależeć od aktywności chemicznej

poszczególnych adatomów oraz sztywności poszczególnych miejsc powierzchni pod działaniem ostrza.

Si(111)

A) AFM image

B) STM (-2V) empty-state image.

C) STM (+2,2V) filled-state image.

Efekt pochylenia dźwigni przy zmianach wartości siły.

Ze względu na pochylenie dźwigni zmiana siły nacisku pociąga za sobą przemieszczenie ostrza w kierunku x. Efekt ten może być przyczyną

artefaktów w badaniach tarcia, a zwłaszcza zależności typu FvL (friction versus load).

R.J. Cannara, M.J. Brukman, R.W. Carpick, Rev. Sci. Instruments 76 (2005) 053706.

Histereza krzywej siłowej

Generowanie

menisku

Histereza krzywej siłowej

Obecność długich

molekuł

Efekt ekspozycji (około 15 min) układu LiBr/Si(100)

na działanie powietrza atmosferycznego (adsorpcja

wody). Znaczna zawartość wody wymusza kroplowy

kształt wysp.

Efekt ekspozycji (około 15 min) układu LiBr/Si(100) na działanie powietrza atmosferycznego.

Obraz po:

a) wstępnym wygrzaniu, b) po odparowaniu.

Wnioski:

1) Przy interpretacji obrazów AFM wymagana jest wielka ostrożność.

Przyczyn powstawania artefaktów jest wiele.

2) Artefakty (w postaci zniekształceń obrazu) są zawsze obecne w

mikroskopii AFM. Nie można wyeliminować np. poszerzania obiektów związanego ze skończonymi rozmiarami próbkującego ostrza.

3). Cienkie warstwy halogenków litowców w określonych warunkach wykazują tendencję do formowania wąskich i wysokich wysp

(niedopasowanie stałych sieci warstwy i podłoża). Gdy odstępy między wyspami są odpowiednio duże, wysokości tych wysp mogą być

mierzone tradycyjnymi, a nawet stępionymi ostrzami.

Współpraca.

P. Mazur, S. Zuber.

Źródła

[1] http://prism.mit.edu/analysis/instruments/afm_details.html

[2] P. West, N. Starostina, Pacific Nanotechnology, Inc. 3350, Scot Blvd 29, Santa Clara.

[3] Schmalz G., Z. VDI. Vol. 73 (1929) 144–161

[4] G. Binning, C.F. Quate, Ch. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930 [5] P. West, N. Starostina Pacific Nanotechnology

[6] http://zeus.plmsc.psu.edu/~manias/MatSc597/docs/koutsos3.pdf

[7] R. Erlandsson, L. Olsson, P. Martensson, Phys. Rev. B 54 (1996) R8309 [8] www.chem.ucla.edu

[9] J. I. Paredes, A. Martinez-Alonso, J. M. D. Tasco, J. Microscopy 200, (2000) 109 [10] R.J. Cannara, M.J. Brukman, R.W. Carpick, Rev. Sci. Instruments 76 (2005) 053706.

[11] S.B. Velegol, S. Pardi, Xu Li, D. Velegol, B.E. Logan, Langmuir 19 (2003) 851.

[12] A.V. Bolshakova, O.I. Kiselyova, I.V. Yaminsky, Biotechnol. Prog. 20 (2004)1615.

[13] http://164.67.193.121/machinefiles/pdf/AFMSPMInstructions.pdf [14] J. Villarubia, Surface Science, vol. 321 (1994) 287.

[15] http://www.coursehero.com/sitemap/schools/1954-Drexel/courses/770965-PHYS750/

[16] A. Mendez-Vilas, M.L. Gonzalez-Martın, L. Labajos-Broncano, M.J. Nuevo, Appl. Surf. Sci. 238 (2004) 42.

[17] J.P. Pelz, R. H. Koch, Phys. Rev. B 41 (1990) 1212.

[18] M. Raposo, Q. Ferreira, P.A. Ribeiro, Modern Research and Educational Topics in Microscopy.

FORMATEX (2007) 758.

Dodatek: woltomierz fazoczuły

^{zwany też}

wzmacniaczem fazoczułym, homodynowym lub wektorowym.

Działanie polega na wzmocnieniu i mnożeniu sygnału badanego (miksowaniu z) sygnałem odniesienia.

V = V_sygV_rsin(ω_ref t + θ_syg)sin(ω_reft+ θ_ref) =

½V_sygV_refcos([ω_syg−ω_ref]t+θ_syg−θ_ref) − ½V_sygV_refcos([ω_syg+ω_ref]t+θ_syg+θ_ref) po przejściu przez filtr dolnoprzepustowy zostaje tylko:

V = ½V_sygV_refcos([ω_syg − ω_ref]t + θ_syg − θ_ref) gdy ω_syg = ω_ref (tj. gdy sygnał badany powstał jako odpowiedź na napięcie odniesienia) to

V = ½V_sygV_refcos(θ_syg − θ_ref) jest wartością stałą (nie pulsującą).

Woltomierz fazoczuły dwukanałowy

W takim woltomierzu sygnał w jednym kanae jest mnożony z sygnałem odniesienia w postaci V_ref = V_rsin(ω_reft + θ_ref) a w drugim kanale przez V_ref+90° = V_rsin(ω_reft+ θ_ref +90°).

W rezultacie otrzymujemy dwie składowe:

V_R = ½V_sygV_refcos(θ_syg − θ_ref) oraz V_U = ½V_sygV_refcos(θ_syg − θ_ref − 90°)

Te dwie składowe stanowią informację o amplitudzie sygnału badanego i jego fazie względem sygnału odniesienia.

Dodatek: Sposoby na sprawdzenie niektórych artefaktów.

1) Powtórzyć skan.

2) Zmienić kierunek skanu.

3) Zmienić rozmiary skanu.

4) Zmienić szybkość skanu.

5) Obrócić próbkę.

Dodatek: Remedium na wąskie szczeliny:

Nanorurka przymocowana do ostrza.

I. R. Shapiro, California Institute of Technology, 2003.

Dodatek: Proces produkcji ostrza Si3N4