Taramali Tunelleme Mikroskobu STM ve Ato

(1)

Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM) ve

Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM)

(2)

Prof.Dr. İbrahim USLU

Taramalı Tünelleme Mikroskobu

Scanning Tunneling Microscope (STM)

• 1982’de taramalı tünelleme mikroskobunun (STM) keşfiyle

(Binnig et al. 1982) yoğunlaşan çalışmalar sonucunda, 1990 yılının başlarında detaylı cihazlar piyasaya sürülmeye

başlamıştır.

• Taramalı Tünelleme Mikroskopu), çekirdek çevresindeki

(3)

STM görüntüleri

(4)

STM ile görüntülenmiş

(5)

Bakır yüzey üzerinde 48 demir atomu

(6)

STM atomik yapılarının ve elektronik hallerinin

belirlenmesini sağlar

• STM, iletken bir katı yüzeyin özelliklerini atomik boyutta inceleme imkanı sağlar.

• İncelenen yüzeyin atomik yapılarının ve elektronik hallerinin belirlenmesinde oldukça önemli bir tekniktir.

(7)

Tünelleme

• STM’in temelini kuantum tünelleme teorisi oluşturur.

• Kuantum tünelleme teorisine göre bir elektronun enerjisi kendi toplam enerjisini aştığı zaman klasik fiziğe göre imkansız olan bölgeleri delip geçebilir. Yani tünelleme yapabilir.

• Başka bir değişle iki iletken birbirine 10 Ǻ veya daha fazla yaklaştırılıp aralarında bir potansiyel farkı oluşturulursa

(8)

(9)

Tünelleme Etkisi

(10)

(11)

(12)

(13)

Tünel Akımı Güçlendirici ve verilerin

(14)

Tünelleme akımının oluşumu

• Atomik boyutta tip (iğne) olarak adlandırılan çok sivri bir

metal uç incelenecek yüzeye mekanik bir sistem yardımıyla bir d mesafesinde (1-10 Ǻ) yaklaştırılıp potansiyel fark

(15)

Tünelleme akımının yönü

• Akımın yönü uygulanan potansiyelin işaretine bağlıdır.

• Eğer numune negatif yüklü ise elektronlar numunenin dolu orbitalinden tipin boş orbitaline geçecektir.

(16)

STM Çalışma Prensibi

• Aralarında çok küçük bir mesafe (birkaç Å) bulunan örnek ve tip (uç) arasında bir öngerilim oluşturulduğunda, kuantum tünellemeden dolayı örnekten tipe veya tipten örneğe elektron geçişi olur ki bu da picoamper mertebesinde bir tünel akımına karşılık gelir.

(17)

Sabit Akım ve Sabit Yükseklik Modu

(18)

Sabit Akım ve Sabit Yükseklik Modu

• Sabit akım modunda tipin yüksekliğini ayarlayarak akımı sabit tutan geri besleme devresi sayesinde akım sabit

tutularak tip yüzey üzerinde hareket ettirilir. Bu esnada tipin yüksekliğinde meydana gelen değişmeler kaydedilerek görüntü oluşturulur.

• Sabit yükseklik modunda ise tip yüzeye yaklaştırıldıktan sonra uzaklık sabit tutulur ve tip yüzeyde hareket

(19)

Sabit Yükseklik Modu

• Sabit

(20)

(21)

Tünelleme akımı ve tiple örnek arasındaki

mesafe

• Tünelleme akımı, tiple örnek arasındaki uzaklığa bağlı olarak eksponansiyel bir şekilde değişir.

Burada V iletkenler arasındaki potansiyel farkı, C iletkenlerin bileşimine bağlı bir sabit, d ise tipteki en alt (numuneye en yakın) atom ile numunedeki en yüksek (tipe en yakın) atom arasındaki uzaklıktır.

(22)

(23)

(24)

Taramalı tünelleme mikroskobunun en

önemli parçası tiplerdir

(25)

Taramalı tünelleme mikroskobunun en

önemli parçası tiplerdir

• Tünelleme tipi, taramalı tünelleme mikroskobunun en önemli parçası olup, tipin ucu tek bir metal atomu ile sınırlı

(26)

Taramalı tünelleme mikroskobunun en

önemli parçası tiplerdir

• Tipler önceleri platin/iridyum telleri keserek veya tungsten metalini elektrokimyasal olarak aşındırarak elde ediliyordu.

(27)

(28)

Hava boşluğu kalınlığı ve tünelleme akımının

(29)

Kaba yaklaştırma mekanizması

• Kaba yaklaşım mekanizması, örnek ile tarama ucu arasındaki ön yaklaştırmayı sağlamaktadır.

• Bu mekanizma; vidalı, motorlu veya manyetik sistemlerle yapılabilir.

(30)

(31)

İnce yaklaştırma mekanizması

• İnce yaklaştırma mekanizması ise tünel akımı başlayana kadar örneğin tarama ucuna yaklaştırılmasını sağlar ve angstrom mertebesinde olan bu mesafe uygulanan ön gerilim ve örneğin cinsine göre değişir.

• Bu mekanizmayı oluşturmak için sıklıkla mikro hareket ettiriciler veya çok hassas step motorlar kullanılır.

(32)

Tarama kafası

• Tarama kafası genellikle silindirik tüp, kare veya pul

(33)

Elektronik aksamı

• Elektronik aksamı, oluşan tünel akımını kontrol ederek uç ile örnek arasındaki

mesafeyi bir geri besleme devresi ile ayarlar ve aynı zamanda yükseltilen tünel akımı görüntüleme sistemine gönderilir.

• Gözlenen tünel akımı bir bilgisayar aracılığı ile kaydedilip işlenerek yüzeyin üç boyutlu tomografisi elde edilir.

(34)

STM’in dezavantajı

• Yalıtkan olan yüzeylerin, bu teknikle incelenememesi STM için en önemli dezavantajdır.

(35)

Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM)

• Yine Binnig ve grubu tarafından bulunan (Binnig et al. 1986) atomik kuvvet mikroskobu da STM gibi bir yüzeyin

özelliklerini inceleme olanağı sağlar.

• STM tekniğinin aksine burada kullanılacak numuneler iletken olmak zorunda değildir.

• Dolayısıyla AFM iletken olmayan numunelere de uygulanabilir.

• AFM sayesinde hemen hemen her türlü numune yüzeyi hakkında morfolojik bilgi almak mümkündür.

(36)

AFM-STM Farkı

• AFM örnek yüzeyini algılama metodu bakımından STM’den farklıdır. AFM tipi ile örnek arasında akım değil,

elektrostatik, van der walls, sürtünme ve magnetik kuvvet gibi güçler söz konusudur.

(37)

Ulusal Nanoteknoloji Merkezi

(38)

(39)

(40)

Tünelleme akımının yerine atomik

kuvvet

• Taramalı Tünelleme Mikroskopları'nda (TTM) tünelleme akımı sayesinde görüntüler

oluşturuluyordu.

(41)

İtici ve Çekici Mod

• Atomik kuvveti ise manivelanın ucundaki atom ile yüzeydeki atom arasındaki kuvvet şeklinde tanımlayabiliriz.

• Mikroskobun iki modu var: itici, çekici.

• Manivela ile yüzey arasında eğer uzaklık çok fazla ise yüzey manivelayı çeker, bu çekici moddur.

• Çekici modda iken manivela ve yüzey arası uzaklık 10-100 Angström arasıdır, atomik kuvvet değeri ise 10-12 Newtondur.

(42)

AFM

• Manivela ve dolayısıyla sivri uç biraz eğilmiş.

• İşte bu eğilme miktarına göre atomik kuvvet ölçülür.

• Manivelayı bir yay gibi

düşünebiliriz, lise fiziğinden biliyoruz ki yay sabiti ne kadar düşükse yay o kadar hassastır. • Mikroskobun hassas olması için

kullanılan manivelaların da düşük yay sabitine sahip olması lazımdır. • En fazla kullanılan malzemeler

(43)

(44)

Manivela (kentilever)

• Bu sistemde kuvvete karşı duyarlı bir ucu iğneli (tip) denge çubuğu numune üzerinde raster düzeninde tarama yapar. AFM’de silisyum, silisyumoksit veya silisyumnitrürden

(45)

Yüzey Morfolojisi Tespiti

(46)

Eğilme miktarı nasıl ölçülür?

• Eğilme miktarının

ölçülmesinde optik metodlar kullanılmaktadır

• Bu yöntemde manivelanın üstü bir metalle kaplanır ve ayna

haline getirilir. Daha sonra

lazerden demetler gönderilir. Yansıyan demetler iki

fotodiyottan oluşan bir sisteme çarpar.

(47)

(48)

Denge Çubuğu (manivela) ve TİP

• Bir atomik kuvvet mikroskobun performansı denge çubuğunun ve ucun fiziksel niteliklerine bağlıdır.

• Denge çubukları oldukça küçük ve hassas parçalardır. • Denge çubukları yaklaşık olarak on, yirmi mikrometre

uzunluğunda, on mikrometreden daha az genişlikte ve yaklaşık bir mikrometre kalınlığındadır.

(49)

(50)

(51)

Tap modu ile – Kontaksız (yüzey teması

(52)

Tap Mod

• Denge çubuğunun yüzeyi taraması tipin sürekli olarak

yüzeyle teması ile mümkündür. Ancak bu durumda yüzeyin hasar görmesi ve görüntünün bozulması kaçınılmaz olur. • Bunu önlemek için tip yüzeye sadece çok kısa sürelerle

(53)

(54)

(55)

(56)

Faz Değişimi tespit edebilen

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

(62)

AFM’nin TTM'ye göre avantajları

• - Görüntüleme kuvvete bağlı olduğundan, mikroskop hem iletken hem de yalıtkan yüzeylerde kullanılabilir.

• TTM'lerde görüntü akıma bağlı olduğundan , sadece iletken yüzeylerden görüntü alınabiliyordu.

• Sübstratın 3 boyutlu profilini gösterir. TTM ise 2 boyutlu profiini gösterebilir.

• Daha ucuzdur.

• Açıkhavada ve sıvı ortamda çalışabilir, TTM vakumlu

(63)

AFM’nin TTM'ye göre dezavantajları

• Daha yavaştır.

• Resim büyüklüğü maksimum 150 x 150 olabilir. TTM'de ise milimetre uzunluğunda ve genişliğinde resimler elde

edilebilir.

(64)

Uygulama Alanları

• Görüntüleme - Yüzeylerin topografik görüntüleri oluşturulur. • Hissetme - Bazı malzemelerin ortamda olup olmadığını

anlamaya yardımcı olur.

• Atom yer değiştirmesi - Yüzeydeki atomların yerleri ile oynanabilir.