Vrstični tunelski mikroskop (STM) in mikroskop na atomsko silo (AFM)

Transcription

1 UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO Seminar Vrstični tunelski mikroskop (STM) in mikroskop na atomsko silo (AFM) Povzetek Človeka že od nekdaj želi spoznati najpodrobnejše elemente iz katerih je sestavljen svet okrog njega. V ta namen se je tudi razvila mikroskopija, najprej optična in nato še elektronska mikroskopija. Nekoliko kasneje pa tudi dve vrsti mikroskopa, ki se danes s pridom uporabljata in sicer vrstični tunelski mikroskop in mikroskop na atomsko silo. Med njima so določene podobnosti in seveda razlike, predvsem v principu delovanja. Oba pa se odlikujeta po veliki ločljivosti, ki je navaden optični mikroskop ne more doseči in sicer, da lahko gledamo, bolje rečeno otipamo posamezne atome. Avtor: Katrca Mivšek Mentor: prof. dr. Janez Dolinšek Ljubljana, maj 006

2 Kazalo Kazalo Uvod...3. Osnove delovanja Osnove delovanja STM Osnove delovanja AFM Zgradba Zgradba STM in AFM Uporaba STM in AFM...15 Literatura...16

3 1. Uvod Pri opazovanju majhnih predmetov smo bili dolgo omejeni z valovno dolžino vidne svetlobe. Njen uklon ne dovoljuje opazovanja predmetov, ki so manjši od približno polovice valovne dolžine svetlobe. Velik napredek je prineslo odkritje elektronskega mikroskopa v štiridesetih letih tega stoletja. Pri opazovanju strukture kristalov je z njim mogoče doseči ločljivost do pol nanometra [1]. V želji po opazovanju čim manjših predmetov oziroma po opazovanju čim večjih podrobnosti so leta 198 odkrili povsem nov način mikroskopiranja s tako imenovanim vrstičnim tunelskim mikroskopom (STM). Nekoliko kasneje leta 1985 pa so predstavili še podobno napravo kot je vrstični tunelski mikroskop in sicer mikroskop na atomsko silo (AFM). Vrstični tunelski mikroskop je namenjen natančnemu opazovanju površin prevodnih snovi s pomočjo ostrega tipala (konice), ki se površine ne dotika. Delovanje tega mikroskop temelji na tuneliranju elektronov med konico in površino vzorca. Z njim lahko dosežemo ločljivost do 0, nm, s čimer lahko opazujemo skoraj posamične atome. Huda omejitev tega mikroskopa pa je, da mora biti površina prevodna. Pomembna pridobitev AFM je, da ni potreben prevoden vzorec. Njegovo delovanje za razliko od STM temelji na zaznavanju sile med atomi v konici tipala in površino vzorca. Opazovati je mogoče predele površin, ki so veliki od nekaj nanometrov do nekaj mikrometrov [1]. Z njim je mogoče opazovati tako dielektrike, polprevodnike in kovine. AFM pa se uporablja tudi za 4 merjenje sil in njihove krajevne odvisnosti v območju med in 10 N [1].. Osnove delovanja.1. Osnove delovanja STM Tuneliranje elektronov STM deluje na principu tuneliranja elektronov iz kovinske konice v prevodni vzorec snovi. Če hočemo razumeti ta pojav si moramo najprej pogledati nekaj o gostoti elektronskih stanj. Elektroni so v osamljenem atomu razvrščeni na določene diskretne energijske nivoje. Prav tako v kovini elektroni zasedajo določene energijske nivoje. Razlika je le ta, da je v 1cm kovine tako veliko elektronov, da se energijski nivoji pomaknejo bolj skupaj. Zato nima nobenega smisla poskušati razbirati energijske nivoje elektronov. V mikroskopsko majhnem 3 delu kovine je namreč približno 10 elektronov tako da bi za popis energijskih nivojev 16 porabili 10 let, če bi vsako sekundo popisali en energijski nivo. Elektroni v kovini torej zasedejo vsa razpoložljiva energijska stanja vse do Fermijeve energije E F. Pri tem se postavlja vprašanje zakaj so elektroni nameščeni eden nad drugim in niso raje združeni v kepo in ne ležijo na najnižji točki jame. Elektroni imajo zelo specifičen značaj in jih imenujemo fermioni. Pod nobenim pogojem ne moreta dva fermiona, ki imata vsa kvantna števila enaka zasesti istega energijskega stanja. Razlikovati se morata vsaj v enem kvantnem številu. To imenujemo tudi Paulijevo izključitveno načelo. Zaradi tega so v medsebojni razdalji na različnih energijskih nivojih in niso združeni v gručo. V našem primeru so elektroni v vzorcu ali konici nameščeni na ugodnih energijskih nivojih v energijski jami. 3

4 Slika 1: Elektroni v kovini zasedejo vsa razpoložljiva energijska stanja vse do Fermijeve energije E [11]. F Če bi hotel en elektron zapustiti energijsko jamo, bi zato potreboval energijo imenovano izstopno delo. Vakuum okrog konice si lahko predstavljamo kot energijsko bariero (slika ). Z dovolj veliko energijo bi premagal vakuumsko bariero in bi se prosto gibal proč od kovine. To se lahko zgodi tako, da elektroni tunelirajo skozi vakuumsko bariero. Slika kaže, da je situacija pri konici in vzorcu podobna. Med njima je zelo malo prostora in ni prevodnega stika. Elektroni prav tako potrebujejo energijoφ, da premagajo potencialno bariero in preidejo iz vzorca v konico oz. obratno. Toda, če želijo tunelirati skozi vakuumsko bariero vidimo, da v drugi energijski jami nimajo prostora (slika ). S priključitvijo konice na napetost glede na vzorec povečamo Fermijev nivo energije vzorca glede na konico. Pojavijo se prazna energijska stanja v konici in elektroni lahko tunelirajo iz vzorca v konico (slika 3). Slika : Elektroni v konici in vzorcu so ločeni z vakumsko bariero [11]. Slika 3: Tuneliranje elktronov [11]. Število tunelirajočih elektronov je odvisno od napetostne razlike med konico in vzorcem, ki povzroča proste energijske nivoje. Smer tuneliranja elektronov je pa je torej odvisna od smeri priključene napetosti (slika 4 in 5). Če priključimo vzorec na negativno napetost v primerjavi 4

5 s konico, bodo elektroni tunelirali z napolnjenih energijskih nivojev vzorca v proste energijske nivoje konice (slika 3 in 4). Če pa priključimo konico na negativno napetost v primerjavi z vzorcem, bodo pa elektroni tunelirali s konice v vzorec (slika 5). Slika 4: Tuneliranje elektronov iz vzorca v konico. Slika 5: Tuneliranje elektronov iz konice v vzorec. Tunelski tok Če torej priključimo med tipalo ter vzorec napetost od nekaj mv do nekaj V, med konico in vzorcem steče tok (tunelski tok). Če je tipalo preveč oddaljeno od vzorca, tok ne teče. Tipalo in vzorec morata biti v medsebojni razdalji od 0,5 nm do 1 nm tako, da se elektronska oblaka atomov vzorca in tipala prekrijeta. Na tej razdalji lahko elektroni»skočijo«s konice na površino vzorca. Tok ponavadi znaša med nekaj pa do nekaj na. Gibanje elektrona podaja Schrodingerjeva enačba [9]: r r i Ψ( zt) = HΨ( zt) (.1) t h r Kjer je H Hamiltonova funkcija, ki je sestavljena iz kinetične energije Ψ ( z t ) in m z r r potencialne energije V ( z ) Ψ ( z t ). Potencialna energija je povsod nič le v potencialni barieri je od nič različna. Valovna funkcija Ψ ( z r t) elektronov je rešitev enačbe [9]: r h r r r h r r i Ψ( zt) = Ψ( zt) + V ( z) Ψ( zt) = V ( z) ( zt) t m z + m z Ψ. (.) Verjetnost, da najdemo delec opisan z valovno funkcijo Ψ ( z r t) ob času t na poziciji z r je r r * r r P( zt) = Ψ( zt) Ψ ( zt) = Ψ( zt). (.3) Za lažje računanje vzamemo eno dimenzionalni primer bariere z časovno neodvisnim potencialom. Valovno funkcijo Ψ ( z r t) zapišemo kot produkt Ψ( z r t) =Ψ z ( z) Ψt ( t). Enačbo (.) lahko zapišemo kot 5

6 = h Ψz ( z) + ( E V ) Ψ z ( z) [9]. (.4) m z 0 Predpostavimo, da elektron pride v bariero z leve strani. Dobimo tri rešitve Schrodingerjeve enačbe in sicer za levo stran bariere, notranjost bariere in desno stran bariere [9]: ipz ipz h h Ae + Be ; z< 0 kz kz Ψz ( z) = Ce + De : 0 z d. (.5) ip( z d ) h AS( E) e ; z > d d je razdalja med konico in vzorcem, p= meh k = m( V E), S(E) je tunelski matrični element, ki meri verjetnost za tuneliranje iz leve proti desni za delec, ki je prisoten na levi strani bariere. Za parametre A, B, C, D, S(E) lahko izberemo poljubne vrednosti tunelirajočega elektrona. Zato vzemimo A=1. Tunelski matrični element je potem za E<V [9]: ( ihkp S E) =. (.6) ihkp cos( kd) + ( p h k )sinh( kd) Tunelska bariera vsebuje tako transmisivnost kot reflektivnost. Pri merjenju tunelskega toka detektiramo samo transmisivnost, ki je podana z [9]: sinh ( ) ( ) ( ) kd T E = S E = 1+. (.7) E E 4 (1 ) V V Ta enačba je enostavna za elektrone z mnogo manjšo de Broglievo valovno dolžino kot je širina bariere d oziroma kd>>1. Potem dobimo zvezo [9] I T( E) 16 E V 1 E V e ( kd ) = 16 E V 1 E V 1 e h m( V E) d (.8) Tunelski tok je torej odvisen od razdalje med konico in površino vzorca d, višine potencialne bariere Ф=V-E, kjer je V energija potencialne bariere in E energija samega vzorca oziroma energija elektronov v vzorcu. Navadno okrog 4eV. Odvisen je seveda tudi od priključene napetosti. Odvisnost toka od razmika med vzorcem in konico je približno eksponentna (slika 7), tako da lahko sprememba razmika za 0,1 nm povzroči spremembo toka za faktor 10. 6

7 Slika 6: Priključitev napetosti med konico (L-razdalja med vzorcem in konico, U- energija potencialne bariere). Slika 7: Odvisnost toka od razdalje (drazdalja med vzorcem in konico, Ф-višina potencialne bariere). Načini delovanja Ločimo dva načina delovanja vrstičnega tunelskega mikroskopa in sicer način pri katerem je konstanten tunelski tok (slika 8b) in način pri katerem je konstantna višina konice (slika 8a). Pri prvem načinu povratna zanka skrbi za konstanten tunelski tok z regulacijo višine konice. Pri drugem načinu pa konica potuje v horizontalni ravnini nad vzorcem. Tunelski tok se spreminja v odvisnosti od topografije in lokalnih električnih površinskih lastnosti vzorca. Oba načina imata prednosti in slabosti. Način konstantne višine je hitrejši, ker sistemu ni potrebno premikati konice gor in dol. Toda ta način privede do pravih informacij le pri relativno gladkih površinah. Z načinom konstantnega toka pa lahko merimo hrapave površine z veliko natančnostjo, toda za meritve je potrebno več časa [7]. Slika 8a in 8b: Način konstantne višine in konstantnega tunelskega toka[7]. 7

8 .. Osnove delovanja AFM Pri AFM pa ne gre za tuneliranje elektronov, ampak za delovanje sil med konico tipala in površino vzorca. Sile, ki delujejo med konico mikroskopa na atomsko silo in vzorcem so za človeka, prav tako kot velikost atoma, nepredstavljivo majhne, to je reda velikosti nn. Matematični opis sile na tej skali temelji na potencialu. Silo iz potenciala v splošnem dobimo kot [1] F r = V r. (.) Potencialna energija med konico in vzorcem V TS povzroča v smeri osi z komponento sile [1] VTS F =. (.3) z Glede na način delovanja mikroskop na atomsko silo uporablja ali silo TS F TS ali neko iz nje izpeljano količino za merjenje razdalje med konico in opazovano površino. Sila med konico in substratom ima prispevke dolgega in kratkega dosega. Poleg dosega se prispevki razlikujejo tudi po tem, kako velike sile povzročajo. V vakuumu tako nastopajo kemijske sile, ki so kratkega dosega (manj kot 1 nm), ter elektrostatične, magnetne in van der Waalsove sile, ki so daljšega dosega (do 100 nm) in je pri majhnih oddaljenostih med tipalom in vzorcem odbojna in zelo hitro pada z oddaljenostjo, pri nekoliko večjih oddaljenostih pa je privlačna in se ne spreminja tako hitro s spreminjajočo se oddaljenostjo, pri še večji oddaljenosti pa je sila zanemarljivo majhna (slika 9). V običajnih ambientalnih pogojih pa se lahko pojavijo sile, katerim je vzrok sprijemanje plasti na konici in vzorcu. Van der Waalsovo silo povzročajo fluktuacije električnega dipolnega momenta atomov in njihove vzajemne polarizacije. Za potencial sferične konice z radiem R na razdalji z nad ravnino dobimo van der Waalsov potencial [1] AH R VVD =. (.4) 6z Torej je van der Waalsova sila za sferične konice sorazmerna z. Za konice v obliki piramide 1 in stožca pa je sila sorazmerna z. Hamakerjeva konstanta A H je odvisna od materiala konice in substrata. Za večino trdnih snovi in interakcij v vakuumu je reda velikosti 1 ev, to pa pomeni, da so van der Waalsove sile precej velike. Slika 9: Van der Waalsova sila [6]. 8

9 V primeru, da sta tako konica kot vzorec iz prevodnega materiala in imata od nič različen elektrostatski potencial U, postanejo pomembne tudi elektrostatske sile. Za sferično konico z radijem, ki je od ravne površine oddaljena za z<<r, dobimo silo [1] : πε RU F ES = 0. (.5) z Prav tako kot van der Waalsova sila, je tudi elektrostatska sila precej močna na majhnih razdaljah. Način delovanja Poznamo kontaktni, nekontaktni in mešani način delovanja. Pri prvem med delovanjem konica drsi po površini in sledi vboklinam in izboklinam na površini vzorca. Pri tem se zelo občutljiva ročica upogiba. Van der Waalsova krivulja je v odbojnem območju zelo strma, kar pomeni, da na majhni razdalji sila močno naraste ( 10 7 N ). Razdalja med konico tipala in površino vzorca se ne spreminja, ker so sile v ravnovesju [3]. Pri nekontaktnem načinu se izkorišča privlačno območje van der Waalsove sile. Razdalje med konico tipala in vzorcem so od 5-10 nm. Privlačna sila se sorazmerno počasi spreminja z oddaljenostjo. Ročice pri mikroskopih z nekontaktnim načinom merjenja so trše kot pri kontaktnem načinu, da konica ne more udariti ob površino vzorca. Ročico vzbujamo s frekvenco, ki je blizu lastne frekvence ročice (ta je med 00 in 300 khz) in z amplitudo nekaj nanometrov. Tako nihajočo ročico premikamo po vzorcu in zaznavamo spremembo lastne frekvence oz. spremembo amplitude nihanja ter spremembo faznega zamika. Pri mešanem načinu konica tipala na nosilcu oscilira z resonančno frekvenco. Pod tako nihajočo konico premikamo vzorec. Konica se pri vsakem nihaju dotakne površine. Pri tem praktično ne poškoduje (razi) površine, kot pri kontaktnem načinu. Lahko pa površino elastično deformira, npr. kapljo vode zaradi njene površinske napetosti. Zato je slika, ki jo dobimo pri tem načinu, kombinacija topografskih in elastičnih lastnosti površine vzorca. 3. Zgradba 3.1. Zgradba STM in AFM Po zgradbi sta si mikroskopa zelo podobna. Glavni del obeh je konica, ki mora biti pri STM prevodna medtem ko pri AFM ni nujno prevodna in pri AFM je konica pritrjena na ročico. Pri obeh je pomemben tudi piezoelektrični element s katerim krmilimo ročico s konico oziroma vzorec in pa seveda detektor ter elektronsko vezje, ki upravlja povratno zanko in računalnik. 9

10 Slika 10: Shema STM [10]. Slika 11: Shema AFM [6]. Konica Pri obeh mikroskopih je konica zelo ostra. Pri STM je nujno prevodna konica ponavadi kovinska, narejena iz voframa in je pritrjena na piezoelektrični element. Konica naj bi bila tako ostra, da bi z njo lahko natančno tipali atome. To je možno le če je na koncu konice en sam atom. Pojavlja se torej vprašanje kako je možno narediti tako konico, na koncu katere bo en sam atom. To se trudijo doseči z jedkanjem tanke kovinske žice. Seveda to ne uspe in na koncu konice dobimo več atomov. Jedkanje poteka tako, da katodo in anodo potopimo v raztopino NaOH ali KOH. Na meji med zrakom in raztopino pride do jedkanja: Anoda: A( s) + 6OH AO 3 + OH > AO ( s) + 6e > A 3 4 ( aq) + H Katoda: H O+ 6e > 3H ( g) + 6OH 6 + 3H O O Slika 1a: Postavitev eksperimenta za jedkanje konice [8]. Slika 1b: Jedkanje konice [8]. 10

11 Pri jedkanju pa pogosto prihaja tudi do težav. Lahko se nam zgodi, da dobimo konico, ki je pojedkana po korakih (Slika 14 a), da ni špičasta ampak je topa (slika 14b), da dobimo razcepljeno (slika 14c) konico ali nesimetrično konico (slika 14d). Slika 13a: Konica pojedkana v korakih [8]. Slika 13b: Topa konica [8]. Slika 13c: Razcepljena konica [8]. Slika 13d: Nesimetrična konica[8]. Tako kot pri STM je tudi pri AFM konica najobčutljivejši del mikroskopa. Izdelajo ga s piramidnim kalupom iz silicija, v katerega naparijo tanko plast silicijevega nitrida Si 3 N 4 v želeni obliki. Tipični krivinski radij take konice je 10 nm. Še bolj ostro konico s krivinskim radiem 5 nm pa naredijo z jedkanjem silicija. Konice so lahko konične ali piramidne. Komercialno so razpoložljivi trije tipi konic: normalna konica (slika 15a), super konica (slika 15b) in "ultralever" (ultravzvod) konice (slika 15c). Običajno so že montirane na ročico. Material konic mora biti zelo trd. Slika 14: Vrste konic: a) normalna konica, b) super konica, c) ultravzvod konica [5]. 11

12 Ročica in konica sta torej kritični komponenti pri mikroskopiji na atomsko silo, saj določata silo na vzorec in vzdolžno resolucijo. Zelo popularne so V ročice, ker zagotavljajo majhno odpornost na navpične premike in veliko odpornost proti vzdolžnim premikom in torziji. Slika 15: a) Shema V ročice b) Slika V ročice Piezoelektrični element in povratna zanka Piezoelektrični element je narejen iz piezoelektrične keramike, običajno je to svinčev cirkonijev titanat, ki ima to lastnost, da se mu pod električno napetostjo dolžina precizno spreminja. Zaradi spremembe zunanjega električnega polja se spremenijo dimenzije vodila. Najbolj ugodna napetost za meritev (to se nekako empirično izkaže, pa tudi v navodilih mikroskopa piše ) je okoli,5 mv. Ko je napetost na piezotu 0V, je ta v ravnovesni legi. Z regulacijo napetosti na piezoelektričnem elementu torej lahko reguliramo razdaljo med konico (tipalom) in površino vzorca. V večini primerov je napetost nastavljena tako, da tunelski tok vedno zavzame isto vrednost npr. 1nA. Tako je treba ohranjati konstantno razdaljo med zadnjim atomom v konici in najbližjim atomom v vzorcu, ki ga preiskujemo. Ta razdalja se avtomatsko regulira s povratno zanko, ki vseskozi izračunava odstopanja tunelskega toka od zaželene vrednosti in odmika konico, če je tok prevelik oz. približuje, če je le ta premajhen. Med delovanjem povratne zanke dva dela piezoelektričnega elementa, ki sta vzporedna s površino vzorca, premikata konico v x in y smeri. Tako skrbno preišče celotno površino vzorca. Slika 16: Podaljšek ali skrčitev piezo elementa. Slika 17: Kombinacija treh piezo elementov. Kombinacije zelo majhnih premikov v x, y in z smeri ter vzporednost in pravokotnost piezoelektričnega elementa s površino nam omogočajo različne kombinacije piezo elementov in različne oblike piezo elementa. 1

13 V modernejših vrstičnih mikroskopih uporabljajo valjasto obliko piezo elementa (slika 19). Sestavljen je iz štirih delov na katere so pritrjene elektrode (slika 14). Vsak del se neodvisno od drugih treh lahko podaljša ali skrajša. Ko priključimo napetost med eno izmed elektrod in podlago, se valj na tisti strani skrči. Če se vsi deli podaljšajo ali skrajšajo za enako vrednost, potem se konica pomika v z smeri, če pa se X+ del podaljša, potem je takrat X- za isto vrednost krajši. Piezo element se tako nekoliko deformira in konica se nekoliko pomakne v x smeri. Isto velja tudi za y smer. Z njim lahko dosežejo premike v xy smeri do 0,05 nm. Slika 18a: Valjasta oblika piezo elementa. Slika 18b: Konica na valjastem piezoelementu. Pri AFM ravno tako s piezoelektričnim elementom in povratno zanko uravnavamo ročico, na katero je pritrjena konica. Poleg tega pa je uporaben tudi kot podstavek, ki omogoča premikanje vzorca v vodoravni in navpični ravnini. Podobno kot pri vrstičnemu mikroskopu je narejen iz piezoelektrične keramike, ki se pod vplivom električne napetosti skrči oziroma raztegne. Ko priključimo napetost med eno izmed njih in podlago, se valj na tisti strani skrči, podstavek se upogne in vzorec premakne. Napetosti uravnavamo tako, da se vzorec med meritvijo postopno premika z enakomernim korakom v smereh x in y, dokler tipalo ne prečeše vse opazovane površine (slika 1). Te podatke računalnik spremeni v sliko opazovane površine. Takšno stojalo omogoča največje horizontalne premike od 0,5 do 15 µm, odvisno od velikosti stojala. V navpični smeri so premiki do nekaj µm. Slika 19: Shema piezoelektričnega podstavka [1]. Slika 0: Premikanje konice in točke merjenja. 13

14 Nastanek slike pri STM Pri preiskovanju površine s konico se zadnji atom konice nahaja enkrat točno nad atomom površine in drugič med atomi površine. V prvem primeru se mora konica nekoliko odmakniti od površine, v drugem pa se ji mora nekoliko približati (slika ), saj želimo med premikanjem tipala nad površino ohraniti stalen tok. Odmik konice v navpični smeri zelo precizno upravlja povratna zanka. Slika 1: Oddaljenost konice od vzorca. Na ta način konica avtomatsko sledi kotanjasti trajektoriji, ki se prilagaja nagubani površini. Informacijo o tem kakšna bo trajektorija nam dajo napetosti, ki jih dobimo s povratno zanko na piezo element med xy preiskovanjem površine. Trajektorije lahko predstavimo na več načinov in sicer kot zbirko črt (izohips), kot črno belo ali barvno prezentacijo ali kot tridimenzionalen pogled. Pomembno je vedeti, da je STM za barve»slep«in da barve predstavljajo višino. Višinska skala je boljša, saj iz nje lahko razberemo večje podrobnosti o površini vzorca. Slika : Površina grafita. Vsaka izboklina predstavlja atom ogljika. Slika 3: Površina grafita v barvah. Hitrost merjenja Kako hitro poteka meritev pa je zelo odvisno, tako od vzorca, ki ga preiskujemo, kot tudi od tega kako natančno sliko želimo in kaj se nam v danem trenutku najbolj izplača. Ponavadi pa je tako, da pri manjših povečavah skeniramo hitreje, saj želimo na celotnem vzorcu najti 14

15 območje, kjer si želimo dobiti atomsko resolucijo, in ko to območje najdemo povečamo povečavo in skeniramo malo počasneje, zopet povečamo povečavo, skeniramo še počasneje in tako neprej. Npr. pri vzorcu (MnO) je na atomski resolucijo skeniranje trajalo 400s. Skeniranje lahko na sredi tudi ustavimo, če želimo. Pomembno pri tem je še to, da hitrost skeniranja nastavimo tako, da v bistvu preko računalniškega programa mikroskopu povemo koliko časa naj porabi za en prehod igle iz ene strani vzorca oz. območja, ki ga skeniramo, na drugo stran. Mikroskop vedno skenira v obe smeri. To pomeni iz leve proti desni in nato še iz desne proti levi, potem pa se prestavi v naslednjo vrstico, tako da ti v bistvu na zaslonu dobiš dve sliki. Eno, ko skenira iz leve proti desni in drugo ko skenira iz desene proti levi. Povem naj še to, da pri atomskih resolucijah igla težko sledi vzorcu, zato mora biti hitrost skeniranja majhna, saj v nasprotnem primeru slike ne bi dobili. 4. Uporaba STM in AFM Vrstično tunelsko mikroskopijo se uporablja za raziskovanje strukture in dinamike kovinskih površin. Površine raziskujejo v ultravisokem vakuumu in tudi pod visokim pritiskom. V prvem primeru so poskusi uporabni za študije površinske difuzije in površinsko fazno prehajanje. V drugem primeru pa raziskujejo influenco reaktivnih plinskih mešanic na kovinskih površinah pod visokim pritiskom na kovinskih površinah. Mikroskop na atomsko silo je danes nepogrešljiv pripomoček v laboratorijih za fiziko trdne snovi, kemijskih in bioloških laboratorijih ter industriji. Imajo ga tudi na Institutu Jožef Stefan. Površine kovin preučujejo predvsem z STM, AFM pa uporabljajo pri raziskavah površin izolatorjev in prevodnikov. Začetne poskuse so naredili na anorganskih snoveh s plastno strukturo, kot so grafit, borov nitrid in sljuda. V teh sistemih so interakcije med atomi v plasti mnogo močnejše kot med plastmi. Z AFM so dobili presenetljivo lepe slike atomov ogljika v grafitu. Opazili so tudi pojav sile trenja, ki narašča s površino kontakta med tipalom in vzorcem. To so bile prve raziskave sile trenja na atomskem nivoju. AFM omogoča opazovanje tankih plasti organskih snovi, orientacije polimernih verig na različnih podlagah in defektov. Uporablja se ga tudi za slikanje bioloških molekul pod različnimi zunanjimi pogoji (zrak, kapljevina, vakuum). Z njim je mogoče meriti sile na molekularnem nivoju ali opazovati rast kristalov iz bioloških molekul. Raziskave novih tehnik slikanja so usmerjene v prostorsko ločljivo slikanje v povezavi z metodo jedrske magnetne resonance. Z razvojem teh metod si obetajo tudi opazovanje 3D strukture posameznih molekul. Slike narejene z STM: 15

16 Na sliki je prikazan del vzorca grafita. Lepo je razvidna kristalna struktura grafita oziroma njegova kristalne ravnine. Slika 4: Grafit. Na sliki je prikazan del vzorca silicija. S tem načinom mikroskopiranja pridemo torej lahko do atomske ločljivosti. Na sliki so vidni posamezni atomi silicija, ki jih je otipala ostra konica STM. Slika 5: Silicij. Literatura [1] M. Vilfan, I. Muševič: Obzornik mat. fiz,43 (1996) 1 [] H. Breuer: Atlas klasične in moderne fizike, DZS, Lj, 1993 [3] U. Hartman: An Elementary Introduction to Atomic Force Microscopy and Related Methods, Institute of Experimental Physics, University of Saarbrücken, Saarbrücken, 1997 [4] T. Hafner: RKM raster Kraft Microsckopie, seminarska naloga, Ruprecht-Karls Universität Heildelberg, Heildelberg, 003 [5] T. Jakob: Metode eksperimentalne fizike (AFM), seminar, PF Maribor, 004 [6] [7] [8] N. Olfest: A Reliable Electrochemical Etching Procedure for Tungsten STM Tips, Power Point Presentation, Vancouver, 004 [9] [10] 16

17 [11] [1] %0Mikroskop%0na%0atomsko%0%0silo/Seminar.pdf 17