Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 1
:5מכשור אלקטרוני פרק Atomic Force Microscope
1מטרה
2תיאורסכמתי
טבלת מכלולים
פעולה מכנית
Van der Waalsכוח
הגדלה אופטית
עקרון הפעולה
3
4ה"קורה"
Tip5ה-
4/46 ו-2/2גלאי
7דוגמאות
SEM8 ו-AFMהשוואה בין
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 2
סכמתי : תיאור ותדירויות: אוסצילוסקופ מתחים מדידת מטרה
21
34 5
6
78
9
CRTמכשורים דמויי
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 3
מכלולי#שםתפקיד / תיאורם
1מעטפת2תותח אלקטרוני
3
לוחות או סלילי הטיה בציר תירגום האות למרחקY
4
לוחות או סלילי הטיה בציר הפיכת הזמן למרחקX
5
6מסך פלורסצנטי
7
8grid9
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 4
מטרה: יצירת תמונה מאות ווידאומסך טלוויזיה: תיאור סכמתי
21
34 5
6
78
9
אות הווידאומבקר את עוצמת זרם האלקטרונים
עוצמת ההארה של הנקודה ממופגזת
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 5
הלחמה בקרן
אלקטרונים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 6
TEM
כושר ההבחנה של SEM וה-TEM ה-
גרועה מזאת שמנבא הקריטריון
Rayleigh של
דחיה בין אלקטרונים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 7
SEM
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 8
Electron beam
lithography (EBL)
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 9
http://www.cnf.cornell.edu/cnf_spie54.html
Electron beam lithography (EBL)
שימוש בעדשותאלקטרו-סטטיות
ומגנטיות
Schematic of the JEOL JBX-5DII system
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 10
pm 10 עם כושר הבחנה של הדמייה תלת ממדית
DA = 10-11 m
ElementRadius [10-10 m]
CovalentAtomic
Hydrogen0.320.79
Carbon0.770.91
Silicon1.111.46
Chlorine0.990.97
Mercury1.491.76 מאפשר לדגום אטום במספר שורות
100 pm = 1 Ångström
AFM
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 11
תיאור סכמטי ומכלולים
2.1-
3-
4-
1-
5-
6.1– 6.2 –
Buffer Solution
2.2 -Tip
9 – Control
Unit
7 – Control
Unit
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 12
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/1/1a/Atomic_force_microscope_block_diagram.png
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 13
טבלת ,1SampleSemiconductor devicesמכלולים
Biological Tissues, Minerals, Polymers
2.1Cantilever
2.2Tip
3LaserIlluminates the cantilever
4DetectorDetects the Reflection Angle
5PiezotubeMoves sample on xyz directions
6.1Fluid CellFor biological purposes only.ATM doesn’t need vacuum. Works also with water 6.2Buffer
Solution
7Control Unit
Maintains the sample a the proper height
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 14
AFMModel.exe
Novascan Technologies Atomic Force Microscopy - Atomic Force Microscopes AFMs Tips Probes
UV-Ozone Cleaners.htm
מערכת הבקרה דואגת להחזיק את הגובה בתחום הרגישות
עקרון הפעולה הכללי
הקרן של הלייזר ניצבת למישור הסריקה
הקורה מתכופפת בחלק מהמקרים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 15
הכוח המושך ודוחה את כוחותcantileverה-
Van der Waals Debye Interaction
London Keesom
כולל כוחות משיכה אלקטרוסטיים: מטענים (יונים)• דיפולים קבועים••Multipoles דיפולים מושרים•
הכוחות המסבירים מדוע אבק "נדבק" לקירות ומיים מרטיבים זכוכית
סטייה של גז אמיתי מחוק הגז האידיאלי – מעבר של גז לנוזל
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 16
Z+ נוצרות רמות במולקולה +Z
הפנימיות הרמותZ+צמודות לגרעין נשארות +Z
חפיפה של רמות מלאות חלקית וראשונה ריקה
+Z +Z
כאשר מקרבים אטום אחד לשני
האלקטרונים של הרמות המלאות, חלקית באטומים
מאכלים את הרמה המולקולרית
כוחות דחיה
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 17
רמות מולקולה
פוליאטומית קווית
+Z +Z +Z +Z
הרמותהפנימיות
צמודות נשארותלגרעין.
+Z +Z +Z +Z
חפיפה של רמות מלאות חלקית
וראשונה ריקה
+Z +Z +Z +Z
כוחות דחיה
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 18
רמות במוצק
+Z +Z +Z +Z
הרמותהפנימיות
צמודות נשארותZ+לגרעין. +Z +Z +Z
חפיפה של רמות מלאות חלקית
וראשונה ריקה
+Z +Z +Z +Z
לא סגור להמחיש שזה מספר גדול מאוד
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 19
היווצרות רמת הגביש
רמת הערכיות: מיזוג של כל הרמות המלאות חלקית
+Z +Z +Z +Z
Eg
מיזוג של כלרמת ההולכה: הרמות הריקות הראשונות
ערכיות
הולכה
Eg
לדוגמהTipבדומה למקרים הקודמים – קירוב ה-והדוגמהTip יוצרת התפלגות של אלקטרונים בין ה-
עם משיכה ודחיה כתלות במרחק שבין הגרעינים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 20
מה קורה כאשר המרחק לא מספיק
להווצרות רמה ?משותפת יציבה
+Z +Z
השדה של גרעין מרוחק משפיע על ההסתברות .להמצאות של אלקטרון ה"שייך" לגרעין השני
השפעה חזקה לאלקטרונים של הרמות המלאות חלקית
נוצרות רמות ,משותפות ,לא יציבות .רגיעיותקשר"
"וואן דר-וואלס
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 21
בקשר שבין שני גרעינים פועלות שני כוחות מנוגדות: דחיה ומשיכה
FN = FA + FR
FA = Attractive Force FR= Repulsive Force
מוצקים ונוזלים הם במצב צבירה כזה בגלל כוחות
וון דר וואלב
:חום כמוס לרתיחהשבירת הוחות וון גר וואלס
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 22
r, A0
E0
FA
FR
PotentialEnergy
Repulsion
Attraction
0
לכל הקשרים בין אטומים(קוולנטי, יוני, מימני)
יש עקומה כזאת
r0
FN
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 23
תיאור מטמתי מקורב כוחותל
Van der WaalsLennard Jonesעקומת
where: ε is the well depthσ is the hard sphere radius.
=repulsive forces
=attraction forces
Interaction energy of argon dimer
מרחק לנגיעה: מינימה באנרגיה
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 24
http://www.nanoscience.com/education/AFM.html
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 25
Cantilever (קורה גמישה, מקפצה)
Tip
Photo-montage
http://atomicforce.de/Olympus_Cantilevers/Tip_Properties/tip_properties.html
לא יכולtipקצה ה- להיות קטן מהאטומיםשהוא בודק. הוא עצמו
בנוי מאטומים.
k ~ 0.1N/mL ~ 100 mm
k
2
1
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 26
NameCantilever properties
OMCL- ShapeThickness (um)Spring const. (N/m)
Res. freq. (kHz)
HA100WSrectangular 215160
RC800PBrectangular 0.8
0.06 ,0.11 ,0.42 ,0.8217 ,17 ,64 ,66
RC800PSA0.05 ,0.10 ,0.39 ,0.7618 ,19 ,69 ,71
TR400PB
triangular
0.40.02 ,0.0910 ,32
TR400PSA0.02 ,0.0811 ,34
TR800PB0.8
0.16 ,0.6122 ,68
TR800PSA0.15 ,0.5724 ,73
http://atomicforce.de/Olympus_Cantilevers/olympus_cantilevers.html
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 27
Tips
Figure 4. Three common types of AFM tip.Electron micrographs by Jean-Paul Revel, Caltech.Tips from Park Scientific Instruments; supertip made by Jean-Paul Revel.
(a)normal tip (3 µm tall)~30 nm end radius
)b (supertip;
)c (Ultralever )also 3 µm tall(
~10 nm end radius.
שימוש במיקרו-אלקטרוניקה לייצור
Silicon nitride Si3N4
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 28
Van der Wallsערך הכוח משתנה בזמן הסריקה על פני אטום
מרכז הטיפ מעל לאטום מרכז הטיפ מעל לרווחבין אטומים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 29
NameTip properties
OMCL- shapeheight (m)radius (nm)
AC160TStetrahedral11<7
AC160BNhigh aspect tetrahedral
9<15
AC240TStetrahedral14
<7
AC240TM<15
BL-RC150VBV-shaped sharpened730
typical
http://atomicforce.de/Olympus_Cantilevers/olympus_cantilevers.html
מתכלים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 30
Laser Diode √Two Half - Detectors
המיקום היחסי נקבע מתוךהפרש או היחס בין האותות של הגלאים
P = C1 (SA - SB)
P = C2 (SA/SB)עיבוד אות אופטי
שיקולים בתכנון: גודל הכתם
LD
Dspot
Detector A
Detector B
כתם מואר
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 31
אפשרות למדוד קשיחות -חיכוך של החומר הנבדק
4/4גלאי ארבע רבעים
Detector A
Detector B
כתם מואר
Detector A
Detector B
כתוב את הביטוי המאפשר לחשב את המיקום של מרכז בכתם בעזרת האות המתקבל שכל גלאי
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 32
מדידת אלסטיות של חומר בעזרת cantilever רוטט
Figure 10. AFMs can image sample elasticity by pressing the tip into the sample and measuring the resulting cantilever deflection.
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 33
4/4 וגלאי 2/2גלאי
הקורה מתכופפת
קרן הלייזר ניצבת לכיוון הסריקה
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 34
Figure 9. Cross-sectional profile of friction
data image showing stick-slip behavior.
חישת קשיחות של חומר
http://www.novascan.com/index.php
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 35
מנגנון עקיבה של השינוי בגובה cantileverה-
, Snellהגדלה ראשונה: לפי 2זווית הפגיעה שווה לזווית ההחזרה. גורם
Distance optical magnification of ~ 2000
The cantilever-to-detector distance measures thousands of times the length of the cantilever. The optical lever greatly
magnifies motions of the tip.
h
Ddetector
dA = 10-11 m
ddetector ~ 0.4 m
Total Magnification ~ 4000
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 36
7* –DTD -המרחק בין ה ,tipוהגלאי של מכשיר ,AFM מ"מ. 100הוא . פני השטח הנחקר עולים 450זווית ההחזרה ההתחלתית הייתה
. mrad 1 ננומטר. הדבר מקטין את הזווית החזרה ב-2בגובה של .mDההגדלה הנגרמת על ידי המרחק, חשב את
10 = 17.45 mrad
450 = 45 x 17.45 = 785 mrad
= 786 mrad
450
h
D =10
0 m
m
Adjacent side
h1 =100 sin 0.785 = 100 x 0.7068 = 70.68 mm
h2 =100 sin 0.786 = 100 x 0.7075 = 70.75 mm
hsignal = 0.07 mm mD = 7 x 10-5 / 2 x 10-9 = 3.5 x 104
הגדלה אופטית של הדרך
mD = hsignal/ hsample
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 37
1
Adjacent side
הגדלה אופטית של הדרך
Distance Tip-Detector
DTD1 DTD2
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 38
פרטים קבועיםבמרחב במדידתהגובה המדויק
- גלאי שני 1חצאים
הגובה הגס נקבע ע"י מערכת הבקרה
של הגבישיםהפיאזו-אלקטריים
-נקודת עגינה של 3הקורה
–קרן הלייזר2(התחלה וכיוון)
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 39
מכיוון וקשה לי לצייר קורה עקומה,
מתכופפת בגלל כוחות הדחיה,
אתבחוםהדגשתי הקצה
של הקורההמחזיק את הטיפ
כיוון תנועת הדגם
מקום פגיעה מרכז של
האלומה המוחזרת
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 40
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 41
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 42
מנגנון הסריקה בצירים XY
Zוגם בקרת
אלקטרודות חיצוניות4מזיזים את מיקום הדוגמה
XY בצירי
חומרים פיאזו-אלקטריים מתכווצים ומתרחבים כפונקציה של המתח
אלקטרודה פנימית אחת משנה את הגובה
מהירות התנועה מתוכננת מראש
שינוי מבוקר בזמן הסריקה
The deformation, about 0.1%
of the original dimension
in PZT, is of the orderof nanometers
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 43
המיקום שבו מתבצע הדיגום
נקבע ע"י xyבמישור המתח המופעל על
הגבישיםהפיאזו-אלקטריים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 44
שיעור בית: אפקט פיוזואלקטריהסבר את התופעה הפיאזואלקטרית, ברמה הפיסיקלית.
כלומר, איך היא מתרחשת בגביש הפיזו-אלקטרי.
ציין:שמות של חומרים בעלי התכונה הזאת.•את הגודל המאפיין את הבגישים הפיאזואלקטריים.•איזה שימושים יש לתופעה?•
:התשובה תהיה כתובהבעברית
David 12פונט: Line spacing: 0
עורך מרבי: שני עמודיםיכלול תאריך החיבור וסימוכין.
מילים500מקסימום
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 45
יתרונות המיקרוסקופ כוח אטומי על אלקטרוני
תלת-ממדי לעומת דו-ממדי1
אין צורך בטיפול מיוחד לדגמים. 2
ניתן לעבוד באוויר ועם דוגמאות לחות.
אין צורך בוואקום3
אין צורך במתחים גבוהים במיוחד4
אין זיהוי של האטומיםחיסרון
אפשר לחקור יצורים חיים5
ניתן למדוד תכונות מכניות כמו קושי, צמיגות 6
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 46
שטח וזמן סריקה המיקרוסקופ כוח-אטומי ואלקטרוני
100
[m]minutes3-7
[m]AFM
2-5
[mm[
ms-SEM
tscanZYX
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 47
Mica
KAl3Si3O10(OH)2
Sample
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 48
http://www.physics.purdue.edu/nanophys/stm.html
AFMה- מאפשר הנחת
קבוצות אטומים במיקום
מוגדר ברמה של האטומים
Sample
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 49
http://www.physics.purdue.edu/nanophys/images/hopg3d-1.jpg
Atoms of Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOP.(
לשריגים של מוצקיםיש מבנה מחזורי
של סידור האטומיםבמרחב
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM
Schechner (c) 50
Figure 8. 2.5 x 2.5 nm simultaneous topographic and friction image of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG).
The bumps represent the topographic atomic corrugation, while the coloring reflects the lateral forces on the tip .
The scan direction was right to left.