Metode experimentale de studiu a suprafeelor si interfeelor

Metode experimentale de studiu a suprafeţelor si interfeţelor 2010 -2011 1

2. Microscopia de baleiaj folosind efectul tunel (STM) Z X Utilizată pentru determinarea topologiei suprafaţei � (conductoare). Permite maparea suprafeței, punând în evidență detalii de dimensiuni atomice. Permite monitorizarea creşterii în timp real a suprafeţei. l l l Rezoluție: laterală < 1Å verticala < 0. 1Å Notă: Imaginile sunt frecvent interpretate ca “atomi”, însă aceasta nu este in mod necesar adevarat in orice circumstanțe. Ceea ce se măsoară, din punct de vedere fizic, este densitatea electronică a supafeței, şi nu pozitia atomilor! 2

Schema unui dispozitiv STM Inventatorii STM, Gerd Binnig si Heinrich Rohrer au fost răsplătiți cu premiul Nobel in fizică în anul 1986. 3

Principiul fizic al STM Vârf-sondă STM Eşantion EV EV d EF EF masiv Barieră de potențial j – densitatea de curent; α 1, α 2 – constante; V – tensiunea aplicată între sondă şi eşantion φav – valoarea medie a lucrului de extracție a electronului, în cazul perechii de materiale sondă -suprafață; s – distanța vârf - eșantion 4

Moduri de operare în STM Două moduri de operare: curent constant si înălțime constantă Modul de operare în curent constant este cel mai frecvent utilizat. Este aleasa o valoare a Itunel (30 p. A - 1 n. A). Pentru a păstra Itunel = constant, valoarea lui z trebuie ajustată în mod automat de un circuit de reacție inversă (feed-back). 5

Modul curent constant În acest mod se înregistrează curenți de tunelare de minimum 30 p. A, valoare suficient de mică pentru a putea investiga și: v suprafetele cu conductivitate electrică scazută, v unele preparate biologice. . 6

Modul înălțime constantă În acest caz se fixeaza o anumita valoare a lui z, urmând a se măsura Itunel direct … fără feedback. v Apare o variatie periodica a distantei dintre tip si atomii din regiunea de suprafață. v In pozitia in care tip-ul va fi exact deasupra unui atom de pe suprafata, curentul de tunelare va fi maxim. v Cand vârful se va gasi deasupra unei “adâncituri”, curentul de tunelare va fi mult mai mic. Folosit doar pentru suprafetele foarte plate! 7

Modul înălţime constantă (cont. ) Dificultățile utilizării tehnicii STM: Complexitatea interpretarii rezultatelor in cazul unor anumite suprafete: imaginea suprafetei nu este determinată doar de relief, ci și de: - densitatea de stări electronice, - semnul si valoarea tensiunii de polarizare, - valoarea curentului etc. 8

Ce informatii putem obtine din imaginile STM? 1. Procese de creștere la suprafață (1) Pb and Cu sunt metale non-miscibile: r. Pb= 1. 37 r. Cu. Es Pb = 0. 50 J/m 2, în timp ce Es Cu = 1. 96 J/m 2. În conformitate cu teoria clasica a fenomenelor de creștere, Cu trebuie sa creasca sub forma de insule pe suprafaţa constituită din atomi de Pb. (ii) Atomii de Pb sunt foarte mobili! v O insula de Cu formata pe Pb are, la randul ei o suprafata pe cele doua extremitati laterale, ceea ce se reflecta in creșterea energiei de suprafață. Starea de echilibru între tendinţa de segregare a Cu şi efectele induse de mobilitatea mai ridicată a Pb. v Configurația cea mai favorabilă (energie minimă): extremităţile “insulei” sunt acoperite cu atomi de Pb. 9

Ce informatii putem obtine din imaginile STM? l 2. Segregarea atomilor la suprafaţă… …inclusiv segregarea impuritatilor la limitele de graunţi cristalini. u Imaginea din dreapta reprezintă suprafaţa (110) a unui eşantion din aliajul (Fe-C)96. 5 Si 3. 5. u Aproximativ 1/3 din atomii de la suprafata sunt atomi de Si (de culoare inchisa in imaginea alăturată), care substituie, aici, atomii de Fe! u Atomii de C nu sunt detectabili în mod direct, dar ei mascheaza atomii de Fe din randurile centrale structurii de tip “scară”. Referinţă: H. Biedermann, M. Schmid, P. Varga, Surf. Sci. 331 -333 (1995) 787 -793. 10

Alte aplicaţii ale STM Nanolitografia v Calea cea mai directă de prelucrare (mecanică sau termică) a unei suprafete. v Suprafata eșantionului de sub vârful STM poate fi topită și evaporată. Un exemplu de litografie STM: o imagine STM a 3 ML de film, pe durata expunerii la 3 pulsuri electrice. 11

Nano-anodizarea v Se aplica o tensiune electrică între varful unui cantilever conductor si suprafața metalică de anodizat; se produc procese electrochimice care conduc la formarea de nanostructuri oxidice. v Folosind electro-litografierea se pot modifica proprietatile geometrice si compozitionale locale suprafetei eșantionului. . 12

Nano - manipulare Fe pe Cu (111) 13