Metode experimentale de studiu a suprafeelor si interfeelor

Metode experimentale de studiu a suprafeţelor si interfeţelor 2011 -2012

Surface imagistics and topography Cele mai răspândite tehnici de imagistică a suprafeţelor si de măsurare a caracteristicilor morfologice ale acesteia

SPM - Scanning probe microscopy O comparaţie între diversele forme de SPM

1. Microscopia de forţă atomică (AFM) Laser Mirror Photodiode matrix Cantilever Specimen XYZ piezoelectric scanner Tip l Suprafața eșantionului este scanată de vârful atașat cantileverului. l Sistemul este capabil să detecteze și să măsoare forțe de ordinul n. N, folosind detecția asistată optic.

Microscopia de forță atomică (AFM) l l l l l Modul CONTACT Interacțiunea dintre atomii individuali ai varfului-sondă (tip) și cei ai suprafeței. Teoria este foarte complexa (între tip şi suprafaţă - forte coulombiene și/sau forţe induse de polarizare). Forțele de interactiune considerabile (pot afecta starea fizică a suprafeței). Servește pentru caracterizarea morfologica a suprafeței. Modul NON-CONTACT Distanta vârf-suprafață este menținută constantă (2 -30 nm). Teorie - simplă, fiind implicate doar forțe „individuale“ de interactiune intre UN ATOM din varful tip-ului (cel mai apropiat de suprafață) si eșantion, ca întreg. Forțe coulombiene, magnetostatice, van der Waals (cu 2 - 4 ordine de marime mai mici decat in cazul tehnicii CM). Modul REZONANT (TAPPING) O combinație a celor două moduri precedente. Se bazeaza pe amortizarea oscilatiilor și pe modificarea frecvenței proprii de rezonanță a lamelei cantileverului, în prezenţa unei forţe externe statice, care apare în condițiile apropierii vârfului de suprafață. Se evita apariția efectelor de forfecare sau “gravare” a probei. 5

Microscopia de forță atomică (cont. ) v În principiu, AFM în mod contact amintește de principiul de funcţionare a traductorului de tip pick-up, sau de stylus profilometer. v AFM incorporeaza, totusi, o serie de rafinamente ce permit atingerea rezoluției la scara atomica: 1. Detecția sensibilă la fază (lock-in). 2. Cantilevere sensibile (constantă elastică mică) 3. Vârfuri mult mai ascuțite. Dependența de distanța tip - suprafaţă 4. Posibilitatea poziționării vârfului în condiții de înaltă acuratețe spațială. a intensității și a sensului forțelor van der Waals. 5. Utilizarea reacției negative pentru controlul intensității forței. Rugozitatea medie a suprafeței: unde: 6

AFM în mod contact. Topografia suprafeţei Este tehnica folosită cel mai frecvent. Permite determinarea topografiei suprafeţei, prin deplasarea vârfului activ pe suprafaţa de studiat. Există, in principal, 3 moduri de operare: (a) Inaltime constantă O imagine CM a unui strat de Ti. O 2 depus prin ablație laser

AFM in Contact Mode. Topografia suprafeţei (b) Forţă constantă O imagine a suprafetei unui film de Ti. O 2 obţinut prin pulverizare magnetron.

AFM in Contact Mode. Topografia suprafeţei O imagine de eroare in cazul scanării în contact-mode a suprafeței unui film de Ti. O 2, depus prin PLD

AFM in Contact Mode. Imagistica de forţă l Este folosit pentru a scana suprafețe relativ plate. Operatia este asigurata intr-un mod mai precis si mai rapid prin eliminarea buclei de control automat cu reacție negativă (feedback). z = const. Aplicatii in fizica polimerilor, semiconductorilor, materialelor compozite s. a.

AFM in mod contact. Imagistica de forță atomică Distinge regiuni cu valori diferite ale coeficientilor de frecare statică. Permite obținerea de imagini cu contururi foarte nete în cazul oricăror suprafețe. Poate fi folosită in asociație cu alte tehnici AFM, pentru o caracterizare mai completă. Aplicații in tehnologia semiconductorilor, polimerilor, dispozitivelor de stocare în masă, detectarea contaminării superficiale, în nano-tribologie etc.

AFM in Contact Mode. Imagistica de forta In acest caz se traseaza caracteristicile forta-distanta, din care se deduc valorile componentei verticale fortei cu care varful actioneaza asuprafetei, in mod contact. Utilizare: caracterizarea catalizatorilor, semiconductorilor, polimerilor, straturilor subtiri, dispozitivelor de stocare a informatiei, contaminarii suprafetei.

AFM în mod contact. Imagistica forţei de adeziune Se obțin informatii asupra proprietăților de aderență a suprafeței eșantionului. Se scaneaza suprafata trasându-se curbele F(d). Se alcatuiește o harta a valorilor forței corespunzătoare saltului (SNAP BACK).

AFM în mod contact. Modul spreading resistance Aici se foloseste un tip conductor pentru a obtine, de exemplu, concentratia dopanților intr-un semiconductor. Este asigurata o valoare relativ mare a fortei pentru a strapunge stratul nativ de Si. O 2 Cantileverul fiind acoperit cu un strat exterior conductor, se mapeaza conductivitatea locala a suprafe’ei. Se foloseste in mod curent in asociatie cu o altă metodă convențională de imagistică AFM.

AFM în mod rezonant (tapping mode) O imaginea TM a suprafetei de lucru a unei matrite pentru manufacturarea CDurilor.

AFM in modul rezonant. Imaginea de fază Măsurătorile se efectueaza, de obicei, în asociație cu alte metode conventionale de de imagistică topologică pentru a obtine “harți” bidimensionale proprietăților de suprafață, cum ar fi hărțile compoziției, aderenței, coeficientului de frecare, sau viscoelasticitatea. Informatii pretioase pentru o gama larga de aplicatii (biologie, magnetism etc. )

Kelvin SPM În acest caz, între vârf și eșantion se aplica o diferență de potențial electric. Se obțin informații despre distribuția superficială a potențialului electric. Metoda permite localizarea și identificare cauzelor apariţiei defectelor din structura unor dispozitive cu structura multi-material si multi-strat.

Microscopia de forță magnetică (MFM) Folosită în cercetarea fundamentală și aplicativă, pentru a obține imaginea de domenii magnetice în cazul materialelor feromagnetice masive, a straturilor subțiri feromagnetice, discurilor si benzilor magnetice, magnetilor permanenti si . materialelor magnetice moi.