Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)1 מכשור אלקטרוני פרק 5: Atomic Force Microscope 1מטרה 2תיאורסכמתי טבלת מכלולים 3עקרון הפעולהפעולה מכנית כוח Van der Waals הגדלה אופטית 4ה"קורה" 5ה-Tip 6גלאי 2/2 ו-4/4 7דוגמאות 8השוואה בין AFM ו-SEM
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)2 אוסצילוסקופ : תיאור סכמתי מטרה: מדידת מתחים ותדירויות מכשורים דמויי CRT
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)3 מכלולים תפקיד / תיאורשם# מעטפת 1 תותח אלקטרוני 2 3 תירגום האות למרחק לוחות או סלילי הטיה בציר Y 4 הפיכת הזמן למרחק לוחות או סלילי הטיה בציר X 5 מסך פלורסצנטי grid 9
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)4 מסך טלוויזיה: תיאור סכמתי מטרה: יצירת תמונה מאות ווידאו אות הווידאו מבקר 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 ה-TEM וה-SEM גרועה מזאת שמנבא הקריטריון של Rayleigh 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 Electron beam lithography (EBL) שימוש בעדשות אלקטרו-סטטיות ומגנטיות Schematic of the JEOL JBX-5DII system
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)10 הדמייה תלת ממדית עם כושר הבחנה של 10 pm D A = m Radius [ m]Element AtomicCovalent Hydrogen Carbon Silicon Chlorine Mercury מאפשר לדגום אטום במספר שורות 100 pm = 1 ÅngströmÅngström AFM
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)11 תיאור סכמטי ומכלולים – 6.2 – Buffer Solution 2.2 -Tip 9 – Control Unit 7 – Control Unit
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)12
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)13 טבלת מכלולים Semiconductor devices, Biological Tissues, Minerals, Polymers Sample1 Cantilever2.1 Tip2.2 Illuminates the cantileverLaser3 Detects the Reflection AngleDetector4 Moves sample on xyz directionsPiezotube5 For biological purposes only. ATM doesn’t need vacuum. Works also with water Fluid Cell 6.1 Buffer Solution 6.2 Maintains the sample a the proper height Control Unit 7
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)14 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 ה-cantilever כוחות 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 נוצרות רמות במולקולה +Z הרמות הפנימיות נשארות צמודות לגרעין +Z חפיפה של רמות מלאות חלקית וראשונה ריקה +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 הרמות הפנימיות נשארות צמודות לגרעין. +Z חפיפה של רמות מלאות חלקית וראשונה ריקה +Z כוחות דחיה
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)18 רמות במוצק +Z הרמות הפנימיות נשארות צמודות לגרעין. +Z חפיפה של רמות מלאות חלקית וראשונה ריקה +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 EgEg רמת ההולכה:מיזוג של כל הרמות הריקות הראשונות ערכיות הולכה EgEg בדומה למקרים הקודמים – קירוב ה-Tip לדוגמה יוצרת התפלגות של אלקטרונים בין ה- Tipוהדוגמה 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 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, רגיעיות. "קשר וואן דר-וואלס"
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)21 בקשר שבין שני גרעינים פועלות שני כוחות מנוגדות: דחיה ומשיכה F N = F A + F R F A = Attractive Force F R = Repulsive Force מוצקים ונוזלים הם במצב צבירה כזה בגלל כוחות וון דר וואלב חום כמוס לרתיחה: שבירת הוחות וון גר וואלס
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)22 r, A 0 E0E0 FAFA FRFR Potential Energy Repulsion Attraction 0 לכל הקשרים בין אטומים (קוולנטי, יוני, מימני) יש עקומה כזאת r0r0 FNFN
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)23 תיאור מטמתי מקורב לכוחות Van der Waals עקומת Lennard Jones where: ε is the well depth σ is the hard sphere radius. = repulsive forces = attraction forces Interaction energy of argon dimerargondimer מרחק לנגיעה: מינימה באנרגיה
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)24
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)25 Cantilever (קורה גמישה, מקפצה) Tip Photo-montage קצה ה-tip לא יכול להיות קטן מהאטומים שהוא בודק. הוא עצמו בנוי מאטומים. k ~ 0.1N/m L ~ 100 m
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)26 Cantilever propertiesName Res. freq. (kHz) Spring const. (N/m) Thickness (um) ShapeOMCL rectangular HA100WS 17, 17, 64, , 0.11, 0.42, rectangular RC800PB 18, 19, 69, , 0.10, 0.39, 0.76RC800PSA 10, , triangular TR400PB 11, , 0.08TR400PSA 22, , TR800PB 24, , 0.57TR800PSA
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 Si 3 N 4
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)28 ערך הכוח Van der Walls משתנה בזמן הסריקה על פני אטום מרכז הטיפ מעל לאטום מרכז הטיפ מעל לרווח בין אטומים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)29 Tip propertiesName radius (nm) height ( m) shapeOMCL - <711 tetrahedral AC160TS <159 high aspect tetrahedral AC160BN <7 14 tetrahedral AC240TS <15AC240TM 30 typical 7 V-shaped sharpened BL-RC150VB מתכלים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)30 Laser Diode √ Two Half - Detectors המיקום היחסי נקבע מתוך הפרש או היחס בין האותות של הגלאים P = C 1 (S A - S B ) P = C 2 (S A /S B ) עיבוד אות אופטי שיקולים בתכנון: גודל הכתם LDLD D spot Detector A Detector B כתם מואר
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)31 אפשרות למדוד קשיחות -חיכוך של החומר הנבדק גלאי ארבע רבעים 4/4 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 גלאי 2/2 וגלאי 4/4 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
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)35 מנגנון עקיבה של השינוי בגובה ה-cantilever הגדלה ראשונה: לפי Snell, זווית הפגיעה שווה לזווית ההחזרה. גורם 2 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 D detector d A = m d detector ~ 0.4 m Total Magnification ~ 4000
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)36 7*– D TD, המרחק בין ה-tip והגלאי של מכשיר, AFM הוא 100 מ"מ. זווית ההחזרה ההתחלתית הייתה פני השטח הנחקר עולים בגובה של 2 ננומטר. הדבר מקטין את הזווית החזרה ב-1 mrad. חשב את ההגדלה הנגרמת על ידי המרחק, m D. 1 0 = mrad 45 0 = 45 x = 785 mrad = 786 mrad 45 0 h D =100 mm Adjacent side h 1 =100 sin = 100 x = mm h 2 =100 sin = 100 x = mm h signal = 0.07 mm m D = 7 x / 2 x = 3.5 x 10 4 הגדלה אופטית של הדרך m D = h signal / h sample
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)37 11 Adjacent side הגדלה אופטית של הדרך Distance Tip-Detector D TD1 D TD2
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)38 פרטים קבועים במרחב במדידת הגובה המדויק 1 - גלאי שני חצאים הגובה הגס נקבע ע"י מערכת הבקרה של הגבישים הפיאזו-אלקטריים 3 -נקודת עגינה של הקורה 2 –קרן הלייזר (התחלה וכיוון)
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)39 מכיוון וקשה לי לצייר קורה עקומה, מתכופפת בגלל כוחות הדחיה, הדגשתי בחום את הקצה של הקורה המחזיק את הטיפ כיוון תנועת הדגם מקום פגיעה של מרכז 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 וגם בקרת Z 4 אלקטרודות חיצוניות מזיזים את מיקום הדוגמה בצירי XY 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 orderPZT of nanometers
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)43 המיקום שבו מתבצע הדיגום במישור xy נקבע ע"י המתח המופעל על הגבישים הפיאזו-אלקטריים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)44 שיעור בית: אפקט פיוזואלקטרי הסבר 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 כתובה : בעברית פונט: David 12 Line spacing: 0 עורך מרבי: שני עמודים יכלול תאריך החיבור וסימוכין. מקסימום 500 מילים
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)45 יתרונות המיקרוסקופ כוח אטומי על אלקטרוני 1תלת-ממדי לעומת דו-ממדי2אין צורך בטיפול מיוחד לדגמים. ניתן לעבוד באוויר ועם דוגמאות לחות. 3אין צורך בוואקום4אין צורך במתחים גבוהים במיוחד חיסרון אין זיהוי של האטומים5אפשר לחקור יצורים חיים6ניתן למדוד תכונות מכניות כמו קושי, צמיגות
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)46 שטח וזמן סריקה המיקרוסקופ כוח-אטומי ואלקטרוני 100 [ m] minutes3-7 [ m] AFM2-5 [mm] ms - SEMt scan ZYX
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)47 Mica KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 Sample
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)48 ה- AFM מאפשר הנחת קבוצות אטומים במיקום מוגדר ברמה של האטומים Sample
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)49 Atoms of Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOP.( לשריגים של מוצקים יש מבנה מחזורי של סידור האטומים במרחב
Electronic Instruments Chap. 5 - AFM Schechner (c)50 Figure 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.