Atomik Kuvvet Mikroskobu(AKM)Ahmet Oral

Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Sabancı Üniversitesi

Tuzla, 34956, İstanbul

1

Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) 1981 Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) 1986

1986 Nobel Fizik Ödülü!!

G. Binnig ve H. Rohrer,

Ruska ile beraber: Elektron Mikroskobu!

Atomik çözünürlük

1989 İlk Türk TTMleri

(A.Oral ve İ.İ.Kaya, Y. Lisans Tezleri)

1993 Türkiye’de İlk Ultra Yüksek Vakum TTM imalatı ( A.Oral Doktora Tezi)

Si(111)(7x7) Yüzeyinin TTM ile alınmış görüntüsü

İlk Türk TTMları

STM Imaging of SiGe Alloy Growth on Si(100) A.Oral & R.Ellialtıoğlu, Surf. Sci. 1995UYV-TTM Toplam Maliyet ~ $65,000!

Grafit Yüzeyi İ.İ.Kaya

Y. Lisans Tezi ‘90A.Oral Y. Lisans

Tezi ‘90

A.Oral Doktora Tezi ‘94 P ~ 3x10-10 mbar

• Harvard University, USA• Oxford University, England • MIT, USA• Tokyo Inst. Tech. / Kyoto / Nagoya University, Japan• University of California, Riverside, USA• Trinity College Dublin, Ireland• Texas A&M University / University of Texas at Austin, USA• Wayne State University/ University of Alabama USA• Bath University / Sheffield University, England• EPFL Lausanne, Switzerland• Oslo University, Norway• Katholic University Leuven, Belgium• University of Modena, Italy• Rice University, Houston, USA• Alicante University / ICMM Madrid, Spain• Sungkyunkwan University, Korea• Weizmann Institute of Science, Israel• Gazvin University, Iran• Bilkent/Sabancı/İYTE x3!!/ Atatürk / İnönü / Gazi / Uludağ Physics & Textile /Yıldız • İTÜ/ Hacettepe x2!!/Abant İzzet Baysal / Ege / Cumhuriyet / Koç / ODTÜ : TURKEY• 2 x TATA Institute for Research, Mumbai, India• IUC Indore / RRCAT Indore, India• Indian Institute of Science, Bangalore, India• Argonne National Lab / Los Alamos National Lab., USA• Brookhaven National Lab, USA• Sandia National Lab, USA• NRC, Canada• IFW, Dresden Germany• JAIST Kanazawa, RIKEN , Saitama ! Japan• Quantum Design Inc., USA• Seagate, USA• Fuji Film, Japan / KLA Tencor / ATC Corporation USA

Teknolojimizi Kullanan Kurumlar

Teknolojimizi Kullanan Kurumlar

Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM)G. Binnig et al. 1986

sample

feed-backregulator

high-voltage amplifierxy-piezo (lateral position)

deflectionsensor

probing tip

cantilever

z-piezo(tip-sample distance)

DVD üzerindeki Bit’ler

Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM)

Atmosfer ortamında biyolojik numuneler

RhodobacterSphaeroides,20x20 μm scan

StaphylacoccusAereus15x15 μm scan

Streptomycetescerevicea,20x20μm scan

Echerichia Coli10x10 μm scan

Fish Bacteria,25x25 μm scanTopography

DNA coils amplified with PCR5x5μm scan,Phase Image

Fish Bacteria,25x25 μm scanPhase

Plasmid DNA 1x1μm scanPhase Image

Atmosfer ortamında biyolojik numuneler

Red BloodCells

Single RBC & zoomed in image

Atmosfer ortamında biyolojik numuneler

Mika Yüzeyindeki Atomik teraslar

• Yay rezonans frekansında titreştirilir, ~75kHz• Soldan sağa tarama : topografi• Sağdan sola tarama : yay dönüşte 20-100nm havaya kaldırılarak

manyetik görüntü elde edilir• Zayıf Manyetik kuvvetler faz sinyalinde gözükür

Lift-Mode

Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MKM)

Seagate 394Gbpsi Hard diskin MKM ile Görüntülenmesi

nm

Pha

se(d

eg)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 50 100 150

~9 nm

AKM Uygulamaları: Nanolitografi

En küçük Türk bayrağı

700 nm

650x950nm

Gazi Universitesi Logosu

Hacettepe logosu

Seagate 394Gbpsi Harddisk’in DS-MKM görüntüsü @ 77K

PPMS-AKM/MKM Sisteminin Gürültü Seviyesi@ 77K , k=8N/m, 3.5mW

Shot noise

AKM ile aynı anda iletkenlik ölçümü(LSMO Numune)

PPMS-AKM ile Piezo-etki Kuvvet Mikroskobu(PMNT Numune)

mK-MKM/AKM @ Rice Univ. USA, 300mK

mK-MKM ile CoPt Çoklutabaka görüntüsü @350mK

Sample courtesy of Dr. Olav Hellwig of Hitachi-GST, San Jose, USA

Yüzeye Değmeden Atomik Kuvvet Mikroskobu (yd-AKM) ile İLK Atomik Çözünürlük

Franz Giessibl,

Science, 1995

Atomik ve Moleküler Seviyede Manipülasyon

Peter Beton, Nottingham University, T = 300K

Demir Atomları ile bakır yüzeyine imal edilmiş Kuvantum Koral

Don Eigler, IBM, T = 4.2K

Si(100) yüzeyinde C60

T.Fishlock, A.Oral, R.Egdell& J.B. Pethica

Nature 404, 743 (2000)

T = 300K

Bakır yüzeyinde Br Atomları

F=?

Atomik Seviyede Manipülasyonyd-AKMT = 300K,

Morita Grubu, Osaka

Yüzeye Değmeden Atomik Kuvvet Mikroskobu (yd-AKM)

Sample Displacement ( Angstrom )-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

I t ( n

A )

10-1

100

101

102

103

104

105

106

k int

(N/m

)

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Si(111) Surface

STM

nc-AFM

A.Oral et al. APL 79, 1915 (2001) P.M.Hoffmann, et al. PRL 87, 265502 (2001).

Y. Sugimoto et al. 446, Nature 2007

Yüzeydeki Atomların yd-AKM ile Tespiti !!!

Kuvvet bir vektördür !...

3D-Manyetik Alan Çizgileri Gösterisi, Pasco

~ $79

M. Ternes et al. Science 319, 1066(2008)

Atomik manipülasyon kuvvetinin ölçülmesi, 4.2K!!!

FN

v

FL

Sürtünme Heryerde Vardır !!!!

MEMS Aygıtları

Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies, www.mems.sandia.gov"

Kertenkeleler yapışma kuvvetini kullanarak tavanda yürürler

From B. Persson and S. GorbJCP, 119, 11437 (2003)

Atomik Seviyede Sürtünme Kuvvetlerinin Ölçümü: Kontak Mode: ‘Stick-slip’

FN = 0.44 nN

Ediss = 1.4 eV(per slip)

Atomic stick-slip Friction loop

KBr(001)-crystal

Courtesy of Prof.E. Meyer, Basel University

Yatay Kuvvet yd-AKM Fotoğrafı

Slide Number 1Slide Number 2Si(111)(7x7) Yüzeyinin TTM ile alınmış görüntüsü�İlk Türk TTMlarıSlide Number 5Slide Number 6Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) �G. Binnig et al. 1986Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Lift-ModeSlide Number 14AKM Uygulamaları: NanolitografiSlide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Atomik Seviyede Manipülasyon�yd-AKMYüzeye Değmeden Atomik Kuvvet Mikroskobu (yd-AKM)Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29MEMS AygıtlarıKertenkeleler yapışma kuvvetini kullanarak tavanda yürürlerAtomik Seviyede Sürtünme Kuvvetlerinin Ölçümü: Kontak Mode: ‘Stick-slip’Yatay Kuvvet yd-AKM FotoğrafıSlide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Su altında yd-AKM!!!Su içinde yd-AKM, Faz Kilitlemeli Döngü ilePoly-PTSTek KristaliSu altında yd-AKM ile Mika GörüntülenmesiSlide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44Slide Number 45Atomik Kuvvet Mikroskobu(AKM)Slide Number 47Slide Number 48Slide Number 49Slide Number 50Slide Number 51Slide Number 52Slide Number 53Slide Number 54Slide Number 55Slide Number 56Slide Number 57Slide Number 58Slide Number 59Atomik Çözünürlükle Sıvıda Çalışan Pazardaki ilk Ticari yd-AKM !!!Physics Today, Eylül 2010 SayısıSonuçlar ve Gelecekte Planlanan ÇalışmalarSlide Number 63Slide Number 64Slide Number 65