Surface analysis by atomic force (AFM) and scanning tunnel (STM) microscopy
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- Werner Raske
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1 Surface analysis by atomic force (AFM) and scanning tunnel (STM) microscopy Hauptseminar SS16 IHFG Julian Kluge 1
2 Outline Motivation History STM AFM Comparison AFM - STM 2
3 Motivation XRD: in-depth analysis of cristal structure SEM: accurate lateral information Vertical information by scanning probe microscopy 3
![set-up [2] http://www.dhmd.de/index.php?](/docs-images/93/113907809/images/4-2.jpg "id=327 [2] https://en.wikipedia.")
4 Motivation Methods for analysis of sample surfaces High resolution Manipulation of single atoms Simple set-up [2] [2] 4
![Binning developes the AFM [2] [3] https://de.](/docs-images/93/113907809/images/5-2.jpg "wikipedia.")
![org/wiki/rastertunnelmikroskop [2] https://en.](/docs-images/93/113907809/images/5-3.jpg "org/wiki/atomic-force_microscopy [3] http://www.")
5 History 1981: Binning and Rohrer develope the STM 1986: Nobel prize for Binning and Rohrer 1986: Binning developes the AFM [2] [3] [2] [3] 5
6 Outline Motivation History STM AFM Comparison AFM - STM 6
7 STM - Tunnel effect Approach: 7
8 STM - Tunnel effect 8
9 STM - Tunnel effect 9
10 STM - Tunnel effect 10
11 STM - Set-up 11
![STM - Tip [2] Tungsten tips made by electrochemical etching](/docs-images/93/113907809/images/12-1.jpg "Platinum-iridium tips made by mechanical shearing https://fys.kuleuven.")
![be/iks/nvsf/experimental-facilities/scanning-tunneling-microscopy [2]](/docs-images/93/113907809/images/12-2.jpg "http://www.rsc.")
12 STM - Tip [2] Tungsten tips made by electrochemical etching Platinum-iridium tips made by mechanical shearing [2] 12
![STM - Imaging modes Constant height mode [2] https://de.wikipedia.](/docs-images/93/113907809/images/13-1.jpg "org/wiki/rastertunnelmikroskop [2] http://www.physik.uni-bielefeld.")
13 STM - Imaging modes Constant height mode [2] [2] 13
14 STM - Imaging modes Constant current mode 14
![STM - Defects [3] Destroyed tip No](/docs-images/93/113907809/images/15-1.jpg "serial production Double-tip imaging [2]")
![png [2] pl/ pkowa/pic/tip2micrograph2.](/docs-images/93/113907809/images/15-3.jpg "gif [3] http://slideplayer.")
15 STM - Defects [3] Destroyed tip No serial production Double-tip imaging [2] pkowa/pic/tip3micrograph4.png [2] pkowa/pic/tip2micrograph2.gif [3] 15
![STM - Example [2] https://www.ifkp.](/docs-images/93/113907809/images/16-1.jpg "tu-berlin.")
16 STM - Example [2] [2] [3] 16
![STM - Manipulation [3] [2] http://www.physik.](/docs-images/93/113907809/images/17-1.jpg "fu-berlin.")
17 STM - Manipulation [3] [2] [2] S. Morita - Roadmap of scanning probe microscopy [3] 17
![STM - Manipulation [3] [2]](/docs-images/93/113907809/images/18-1.jpg "https://de.wikipedia.")
18 STM - Manipulation [3] [2] [2] [3] 18
19 STM - BEEM Determination of band gap energy Sandra Obernhuber - Ballistische Elektronen Emissions Mikroskopie (BEEM) an Ferromagnetischen Halbleitergrenzflächen 19
![[2] http://www.nist.gov/cnst/epg/atom_manipulation_stm.](/docs-images/93/113907809/images/20-2.jpg "cfm [2] http://de.slideshare.")
20 STM - Resolution Possible resolution: Lateral: 0.1 nm Vertikal: 0.01 nm single atoms Even atomic orbitals possible for cooled sample [2] [2] 20
21 Outline Motivation History STM AFM Comparison AFM - STM 21
22 AFM - set-up 22
23 AFM - Cantilever Made out of silicon Tip radius R: 10 nm Tip length <H>: 5-7 μm [3] [2] [3] P.Braga and D.Ricci - Atomic Force Microscopy: Methodes in molecular biology [2] 23
24 AFM - Detector 4 silicon diodes Seperated by a small gap Beam position obtained by ratio of photo currents [2] 24
25 AFM - Imaging modes P.Braga and D.Ricci - Atomic Force Microscopy: Methodes in molecular biology 25
26 AFM - Imaging modes Scan modes 26
27 AFM - Contact mode Direct contact with surface Repulsive forces Dennis Steinigeweg - Optische Charakterisierung einzelner SERS-Nanopartikel-Cluster 27
28 AFM - Non-contact mode Cantilever oszillates with resonance frequency Amplitude kept constant Dennis Steinigeweg - Optische Charakterisierung einzelner SERS-Nanopartikel-Cluster 28
29 AFM - Tapping mode Oszillation near resonance frequency Forces change amplitude Dennis Steinigeweg - Optische Charakterisierung einzelner SERS-Nanopartikel-Cluster 29
30 AFM - Example InGaAs layer Quantum dots InAs QDs on InGaAs [2] [2] 30
31 AFM - Artefacts Vertical resolution: only slight difference Lateral resolution: affected by tip form P.Braga and D.Ricci - Atomic Force Microscopy: Methodes in molecular biology 31
32 AFM - Artefacts P.Braga and D.Ricci - Atomic Force Microscopy: Methodes in molecular biology 32
33 Motivation History STM AFM Comparison AFM - STM 33
34 Comparison AFM - STM STM AFM Resolution: lateral: 0.1 nm vertikal: 0.01 nm Only conductive samples Vakuum needed Tunneling current measured Resolution: lateral: nm vertikal: nm Non-conducticve samples or liguids No special sample preparation Force between tip and surface measured Graphite 34
35 Thanks for your attention 35
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