Microscopie a scansione
Dr. Stefania Benedetti
Corso di Laurea Specialistica/Magistrale in Fisica
Università di Ferrara
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Come si guardano?
L’occhio nudo vede circa 20 micron
• Un capello umano è spesso circa 50-100 micron
• I microscopi ottici ci permettono di vedere fino a 1
micron
Sotto questo limite:
Non possiamo più usare i metodi classici basati sulla luce
Si passa a nuovi metodi – Microscopi a scansione capaci
di “vedere” grandezze fisiche legate alla morfologia con
alta risoluzione spaziale
In molti casi non è una visione diretta come nel caso del
microscopio ottico
Come fare?
• Utilizzare sonde molto piccole (pochi nm)
• Osservare grandezze fisiche molto sensibili su scala nanometrica
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Scanning Electron Microscope
(SEM)
Ep = 1 - 40 keV
Electron gun: W, LaB6, field emission cathode
Focussing: 2 magnetic lenses (spot diameter of about 0.4 nm to 5 nm)
Scanning coils: raster in x and y
Signal detected by a detector and reconstructed by a TV/PC
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Scanning Electron Microscope
(SEM)
Ep=E0
Auger transition lines
(small intensity)
Secondary
electrons
Elastically backscattered
electrons
Inelastically backscattered
electrons (plasmons,
interband transitions,…)
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Scanning Electron Microscope
(SEM)
Inelastically backscattered
electrons (plasmons,
interband transitions,…)
Secondary
electrons
detector
Extremely sensitive to composition (chemical sensitivity)
Strong shadowing effects
Sensitive to work function variations, less to topography
incident beam
secondary
electrons
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Scanning Electron Microscope
(SEM)
• Sensitive to topography
• Sensitive to work-function variations and other electronic factors
• No quantitative information on height (out-of-plane direction)
FeNi dots
Si substrate
Cu nanorods
blood cells
Cu particles – 15 nm
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Scanning Electron Microscope
(SEM)
NO!
Lo scattering aumenta la dimensione della zona di informazione!
Analisi chimica: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy = Analisi dei raggi X emessi dal solido illuminato dal
fascio risoluzione spaziale limitata dalla pera di interazione.
SAM : Scanning Auger Microscopy = combinazione di microscopia elettronica e spettroscopia Auger,
limitata da dimensione fasci e pera di interazione.
DIFFICILE OTTENERE SIA MICROSCOPIA AD ALTA RISOLUZIONE CHE INFORMAZIONI SPETTROSCOPICHE
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Scanning Probe Microscopy (SPM)
Il problema della risoluzione atomica
Field Ion Microscope
(FIM)
Far-field Scanning Optical Microscope (FSOM)
Confocal Scanning Optical Microscope (CSOM)
Scanning Near-Field Optical Microscope (SNOM)
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Scanning Probe Microscopy (SPM)
Nel 1981 G. Binnig e H. Röhrer, ricercatori all’IBM
di Zurigo, progettarono e realizzarono il primo
moderno STM, invenzione che varrà loro il Nobel
per la Fisica nel 1986.
Scanning Probe Microscopy (SPM)
A SCANSIONE
USA UNA
SONDA
Nella microscopia si intende per sonda uno "stilo", e
cioè un vero e proprio oggetto materiale rigido che
presenta una punta, interagente col campione in vari
modi, rilevando diverse grandezze fisiche.
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
Principio fisico: EFFETTO TUNNEL QUANTISTICO:
il sistema punta-vuoto-campione rappresenta una barriera di potenziale per gli elettroni dei due
solidi; classicamente l’elettrone che non possiede una energia superiore a tale barriera non potrà
passare da un solido all’altro, mentre quantisticamente esiste una probabilità non nulla che ciò
avvenga per la sovrapposizione delle funzioni d’onda che descrivono gli elettroni dei due materiali
Giunzione metallo-isolante-metallo (MIM)
Soluzione dell’equazione di Schrodinger
(metalli identici, barriera quadrata)
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
La misura consiste nel ricavare s(I) misuro corrente e ricavo la
distanza (e quindi la topografia)
Probabilità di tunneling
Densità degli stati di
punta e campione
Processo di tunneling a seconda del verso
della polarizzazione punta-campione.
Risultato: la corrente che si ottiene non
dipende solo dalla distanza puntacampione, ma anche dalla densità di stati
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a EF di punta e campione.
Scanning Tunneling Microscopy (STM)
V applicati : 0.05 mV – 5 V
I misurate : 1 pA – 2 nA
distanza punta-campione : 1-10 nm
Parti fondamentali:
• La punta
• Movimentatore piezoelettrico
• Sistema (circuito) di feedback
• Sistema di smorzamento del rumore
• Raccolta e analisi delle immagini
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
LA PUNTA
Data la decrescenza esponenziale di I con s e le
piccolissime correnti in gioco, solo l’apice della
punta contribuisce significativamente al
tunneling (90%) l’ULTIMO ATOMO!
I 2 successivi contribuiscono col restante 9%!
E’ fondamentale la forma della punta!!
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
LA PUNTA
Attacco elettrochimico
(electrochemical etching)
Punte in W
Punte prodotte per taglio meccanico
Punte in PtIr
Altro: Au, Ag,..., Ni, Cr,...
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
LA PUNTA
Artefatti della punta
Risoluzione
atomica!
Prima e dopo…
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
MOVIMENTATORE PIEZOELETTRICO
Movimento relativo sonda-campione in un SPM.
Si tratta di uno spostamento simile a quello del
pennello elettronico in un tubo catodico, che
consente di ricavare un'immagine completa da un
insieme di punti
a tripode
a cilindro
Struttura a perovskite, tipica
delle ceramiche piezoelettriche16
Scanning Tunneling Microscopy (STM)
MOVIMENTATORE PIEZOELETTRICO
Non linearità della deformazione piezoelettrica
In teoria: S = d E ,
con S=spostamento, d=coefficiente di strain (costante elastica),
E= campo elettrico
In realtà linearità vale solo in piccolo range al centro
Isteresi
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
MOVIMENTATORE PIEZOELETTRICO
Creep = deformazione avviene in due istanti successivi: il primo ha luogo in pochi ms e porta la deformazione a
circa il 90 % del valore finale, il secondo ha luogo in un intervallo compreso tra 10 e 100 s (tempo di creep).
Accoppiamento xyz
Drift termico necessario lavorare a temperatura costante
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
CIRCUITO DI FEEDBACK
Modalità di misura ad altezza costante:
Rileva variazioni di corrente e ricostruisce
la topografia.
- bassa rugosità superficiale
- alta velocità di misura
Modalità di misura a corrente costante:
viene mantenuta costante la corrente di
misura impostata (setpoint) e rileva le
variazioni di altezza del piezoelettrico.
circuito di feedback
- indipendente da rugosità
- misura lenta
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
CIRCUITO DI FEEDBACK
1. Imposto una corrente di riferimento.
2. Quando la punta rileva una variazione nella
corrente, misura un segnale di errore.
3. Un circuito PID fa spostare il piezoelettrico
in modo da compensare il segnale di errore.
4. Dalla tensione necessaria da applicare al
piezo per compensare l’errore sulla corrente
il sistema determina lo spostamento
assoluto della punta (calibrazione della
curva V/nm) topografia
5. L’immagine così ottenuta dà una
informazione diretta sull’altezza z delle
strutture misurate.
La bontà della misura dipende dal tempo di risposta del circuito elettronico PID.
Questo circuito determina (in parte) la velocità di acquisizione (crf con modalità ad altezza costante).
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
CIRCUITO DI FEEDBACK
P proporzionale , determina la risposta al segnale di errore
I integrato, determina una integrazione del segnale di errore nel tempo
smorzamento dell’oscillazione intorno al setpoint
D derivato, determina una derivazione del segnale di errore nel tempo
aumenta la velocità di risposta del sistema, ma amplifica l’eventuale rumore
associato
Se P è troppo alta, risposta esagerata
ad ogni cambio di altezza
overshooting
Se I troppo alta, risposta troppo lenta
ad ogni cambio di altezza la punta non
riesce a seguire (blurring)
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
SISTEMA DI SMORZAMENTO DEL RUMORE
Quali sono le fonti di rumore che possono
disturbare la misura?
1. Rumore acustico (in aria)
2. Vibrazioni meccaniche (pompe)
3. Vibrazioni esterne (passeggio, auto)
4. Rumore elettrico (massa)
Come si possono eliminare questi rumori?
1. Molle su cui lo stage di misura viene sospeso
durante la misura
2. Eddy currents : correnti parassite generate in
un conduttore in movimento all’interno di un
magnete e opposte ad esso.
3. Sospensioni meccaniche del supporto
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
RACCOLTA E ANALISI DELLE IMMAGINI
1. Scelta della scala cromatica
2. Sottrazione del fondo (movimento piezoelettrico su piano diverso da quello della superficie)
3. Applicazione di filtri, ad es. per la rimozione di rumore residuo
4. Modifica dei livelli di colore, per evidenziare determinate strutture
5. Immagine in corrente, derivata
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
sistema di
smorzamento a
correnti
parassite
campione
punta
movimentatore
piezoelettrico
10 cm
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
MANIPOLAZIONE ATOMICA
Non solo estetica….
- Creazione di nanostrutture controllate
- Studio delle proprietà elettroniche
- Studio delle energie di adesione, …
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Scanning Tunneling Microscopy (STM)
SCANNING TUNNELING SPECTROSCOPY
Misuro la variazione di corrente al variare della
tensione punta-campione applicata
(a punta ferma o con feedback)
La sua derivata dà informazioni sulla densità degli stati
elettronici nel range di energia attraversato
- Proprietà elettroniche risolte spazialmente con la
risoluzione della punta (pressochè atomica)
- Svantaggio: dipende dalla condizione e dalla stabilità
della punta!!!!
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Atomic Force Microscopy (AFM)
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
PRINCIPIO FISICO: Una punta posta in prossimità di
un campione (qualche nm) risente di una forza di
interazione tra gli atomi della punta e quelli della
superficie del campione.
Se questa forza dipende dalla distanza puntacampione, allora posso ricostruire la topografia
della superficie.
VANTAGGIO PRINCIPALE:
Non dipende dalla conduttività del campione
Misure di diversi tipi di forze (attrito, magnetiche,…)
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Atomic Force Microscopy (AFM)
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
12
VL
J
4 E bond
z
6
z
Forze a corto raggio (pochi nm): chimiche = tra due corpi
quando la loro distanza è breve al punto da far
sovrapporre parzialmente le nubi elettroniche degli
atomi esterni.
L'interazione ha una forte dipendenza dalla distanza e il
suo range di azione è limitato a pochi Å.
Forze a lungo raggio (~100 nm):
- Forze magnetiche
- Forze elettrostatiche
- Forze di Van der Waals
- Forze di adesione: dovuta alla presenza di
un film sottile di contaminanti adsorbiti
sulla superficie del campione durante
l'operazione in aria (tipicamente acqua)
- Forze di attrito : (forza laterale) dipende
dalla forza verticale (detta di carico) imposta
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dalla microleva
Atomic Force Microscopy (AFM)
MODI DI FUNZIONAMENTO
MODALITA’ in CONTATTO:
Setpoint = deflessione, forza verticale di contatto,
repulsiva, pari alla deflessione moltiplicata per la
costante elastica della microleva
Nell’AFM statico le forze a lungo e corto raggio si
sommano e contribuiscono tutte al segnale.
Van der Waals dominano!
V vdW
AH R
6z
- Modalità ad altezza costante
- Modalità a forza costante
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Atomic Force Microscopy (AFM)
MODI DI FUNZIONAMENTO
MODALITA’ in NON CONTATTO:
AMPLITUDE MODULATION AFM (AM-AFM) o Tapping mode
attuatore induce una oscillazione con A e f0 costante, e quindi un
moto periodico lungo Z ("condizioni dinamiche“). Si misura non il
valore assoluto della forza in sé ma quello del suo gradiente (o
derivata), cioè la variazione nello spazio lungo Z
Interazione punta-campione (attrattiva, distanza maggiore, da cui non-contact) induce una variazione
della ampiezza di oscillazione misura
Setpoint = variazione di ampiezza A
Una misura delle proprietà del materiale viene anche dalla variazione di fase tra l’oscillazione indotta e quella
della punta informazioni sulle proprietà elastiche (durezza) del materiale, contrasto.
La variazione di A (risposta del sistema) dipende da Q = fattore di qualità del cantilever quanto
velocemente dissipa energia (rispetto alla frequenza di oscillazione f0).
2Q
In UHV Q ~ 104 (basso smorzamento) AM-AFM non è ottimale.
AM
f0
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Atomic Force Microscopy (AFM)
MODI DI FUNZIONAMENTO
MODALITA’ in NON CONTATTO:
FREQUENCY MODULATION AFM (FM-AFM)
modula l’oscillazione della leva a una frequenza
dove Δf è la variazione indotta dall’interazione
punta-campione. A è mantenuta constante da
un feedback.
f
f0
f
Setpoint = variazione di frequenza Δf.
f
k ts
2k
2
f0
con
k ts
V ts
z
2
Δf dipende da iterazione punta-campione, variabile con z
Il feedback riporta la frequenza a setpoint f e misura la
variazione di z.
1
FM
f0
Nell’FM-AFM i contributi a lungo raggio sono fortemente
attenuati se si scelgono opportunamente le condizioni 31
di
oscillazione della leva (piccole A).
Atomic Force Microscopy (AFM)
MODI DI FUNZIONAMENTO
MODALITA’ in NON CONTATTO:
FREQUENCY MODULATION AFM (FM-AFM)
Risolvendo l’oscillatore armonico perturbato:
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Atomic Force Microscopy (AFM)
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Componenti:
- punta
- sistema di rivelazione
- feedback
- movimentatore piezoelettrico
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Atomic Force Microscopy (AFM)
LA PUNTA
CANTILEVER (leva)
Preparate per processi litografici,
etching tipici di semiconduttori
tipicamente di Si, Si3N4
Opportunamente modificate per
altre misure (conducibilità,
magnetismo,…)
TUNING FORK
Quarzo, non necessita di un sistema ottico di rivelazione
Caratteristiche delle punte:
- Frequenza propria di oscillazione f0 (caratt geometriche)
- costante elastica k
- quality factor Q (meccanismi di smorzamento della leva)
k
2
A
2
E ts
Q
2
kA
max(-F
ts
)
max
Fts
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Atomic Force Microscopy (AFM)
LA PUNTA
Sistema a cantilever
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Atomic Force Microscopy (AFM)
METODI DI RIVELAZIONE
Misura della deflessione del cantilever
Mediante effetto tunnel: punta misura
Dispositivo ottico a fotodiodo
Dispositivo ottico interferometrico
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Atomic Force Microscopy (AFM)
Atomic resolution
Non-contact mode
UHV
NaCl (001) surface
Si(111) – (7x7)
Domain wall motion
AFM in liquido
Protein
LFM : Lateral Force Microscope friction measurements
MFM: Magnetic Force Microscope domini magnetici
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