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.