2. Bildgebende Verfahren

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1 Vorlesung Charakterisierung von Halbleitermaterialien I Elektronenmikroskopie (Raster-, Transmissionselektronenmikroskop) (Rasterkraft-, Rastertunnel-, Rasterkapazitätsmikroskop) Lichtoptische Verfahren (Lichtmikroskop, Polarisation, Doppelbrechung, Ellipsometrie, Interferometrie, Lichtstreuungstomographie) Materials for Electronics and Energy Technology Einführung Rastermikroskopie Erfunden von Binning und Rohrer 1982 (Nobelpreis 1986) Atomare Auflösung von Oberflächen durch Rasterung Voraussetzungen: atomar scharfe Spitze Piezostellglieder Vorteile: an Luft und bei Raumtemp. verschiedenste Wechsel- mit Materie können wirkungen detektiert werden (c) 2011 PD Dr. M. Bickermann, I-MEET, Uni Erlangen Einführung Wechselwirkungen und Messarten Scanning Tunneling Microscopy () (STM) Scanning Force Microscopy () (AFM) Lateral Force Microscopy (LFM) Magnetic Force Microcopy (MFM) Electrostatic Force Microscopy (EFM) Adhesion Force Imaging (AFI) Spreading Resistance Imaging (SRI) Scanning Capacitance Imaging (SCI) Scanning Kelvin Probe Microscopy (Oberflächenpotentiale) (SKM) I/V Spectroscopy... Außerdem kann man den Raster-Spitzen-Aufbau auch für Nanolithographie, -manipulation, -oxidation, lokales Tempern, lokale Lumineszenz, Tip-Enhanced Raman Scattering (TERS) und optische Nahfeldmikroskopie (SNOM) verwenden. Tunnelstrom zwischen Spitze und Probenoberfläche bei Abstand < 1 nm

2 Tunnelstrom zwischen Spitze und Probenoberfläche bei Abstand < 1 nm Tunnelstrom zwischen Spitze und Probenoberfläche bei Abstand < 1 nm Bias-Spannung führt zum Stromfluss in eine Richtung. Wichtige Eigenschaften STM-Betriebsarten Einfache Präparation der Spitze: Iridiumdraht abzwicken Konstante Höhe: Tunnelstrom wird direkt ausgewertet. Schnell, aber nur für glatte Oberflächen. Sehr geringer Abstand zur Probe: oftmals atomare Auflösung Konstanter Tunnelstrom: Kopplung der Piezos an den Tunnelstrom. Spitze wird laufend nachgefahren, Höhe z wird ausgewertet. Voraussetzung: (halb)leitende Proben! Si(111) 7x7-Oberflächenrekombination (T=40K) STM-Bilder enthalten immer Einflüsse der Topographie und der lokalen Dichte der elektronischen Zustände an der Oberfläche (LDOS).

3 Spektroskopiemodus Hochgeschw.-STM r lokale Zustandsdichte (LDOS) der Probe T Tunnelwahrscheinlichkeit EF Fermienergie am niedrigeren Potential Modus konstanter Höhe di/du Kurven an jedem Probenort aufnehmen Þ z.b. Bestimmung der Breite und Tiefe von Quantentöpfen dynamische Prozesse in Echtzeit beobachten (z.b. 10 Bilder/s) Diffusion einzelner Atome auf einer Kupferoberfläche in Salzsäurelösung Quelle: Rasterkraftmikroskop (AFM) spezielle Spitze (Cantilever) Auslenkung durch Oberfläche (z-achse, Drehung und Torsion) wird detektiert mit Laserreflektion auf einem Vier-Photodioden-Array Größe Finger Plattenspieler RKM 10cm 1cm 100μm450μm Tastkopf 1cm 20μm 20nm Empfind -lichkeit 1mN 1μN 1pN Material Haut Saphir Si, Si3N4, Diamant

4 Whisker-Spitzen Aufbau 1: Piezo-Steller am Scanner (Scan by tip) Aufbau 2: Piezo-Steller am Probenhalter (Scan by sample) Auf dem Cantilever werden geätzte Siliziumspitzen (für einige Anwendungen Pt, WC, TiN, Au) oder Whisker-Spitzen verwendet geätzte Silizium-Spitzen Normal- Auslenkung Lateral- Auslenkung Cantilever Alle Auslenkungen können über charakteristische Veränderungen im Vier-Photodioden- Array ausgewertet werden! Spitzenfehler Die Spitze kann die Oberfläche nur im Rahmen ihrer Form abtasten! Abbildungsfehler Versatz der Probe durch Erwärmung während der Messung Mitschleifen von Partikeln auf der Oberfläche Biegung Torsion Meist wird aber nur die Normal-Auslenkung betrachtet. Gefahr der Beschädigung der Spitze bei steilen Stufen in der Oberfläche!

5 Vergleich REM - AFM Welche Kraft wird detektiert? Adhäsionskräfte bewirken eine Anziehungskraft knapp oberhalb der Probenoberfläche. Weicher Cantilever (Federkonst. ~ 0,03 N/m) Contact Mode Constant Height Constant Force Constant Height Constant Force Highly Ordered Pyrolytic Graphite (HOPG)

6 Schwingender Cantilever (Federkonst. ~ 30 N/m) Unterschiedliche Bereiche Semi-Contact (Tapping) Mode (schont die Spitze...) Non-Contact Mode (nur langreichweitige Kräfte) Force Modulation Mode (Semi-Contactden elatischen misst Modul) Beispiel: Lateral Force Microscopy (unterschiedliche Reibung) Der Höhenkontrast wird durch Scannen in Gegenrichtung ermittelt und abgezogen. Frequency Modulation Mode (Semi-Contact, misst Cantilever-Eigenfrequenz) Unterschiedliche Kraftarten Spreading Resistance (leitfähiger Cantilever) Spreading Capacitance (Respons auf hochfrequentes elektromagnetisches Feld) Magnetic Force Piezoelectric Force Electrostatic Force Kelvin Probe (speziell beschichtete Spitzen) Beispiel: Spreading Resistance Imaging Punktmessungen (Kennlinie an jedem Punkt) I(U)-Spektroskopie I(z)-Spektroskopie Adhesion Force Imaging Local Anodic Oxidation Nanoetching,...

7 Literatur Literatur zum Thema Rastermikroskopie CaF -Oberfläche 2 CD-ROM Wichtige Eigenschaften + fast atomare Auflösung + auch isolierende Proben + viele Einsatzarten kleine Flächen, lange Messzeit spezielle Spitzen nötig STM: G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, E. Weibel, Appl. Phys. Lett. 40 (1982) 178 AFM: G. Binnig, C. F. Quate and C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930 S. M. Magonov, M.-H. Whangbo, Surface Analysis with STM and AFM. Experimental and Theoretical Aspects of Image Analysis, VCH, Weinheim u.a R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications, Cambridge University Press, 1998 R. Wiesendanger, H.-J. Güntherodt (eds.), Scanning Tunneling Microscopy Vols. I, II und III, Springer-Verlag, Berlin u.a. 1992/1993 R. M. Feenstra, V. Ramachandran, H. Chen, Recent Developments in Scanning Tunneling Spectroscopy of Semiconductor Surfaces, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, USA C. J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Princeton University Press, Princeton 1993 D. A. Bonnell (ed.), Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy, VCH, Weinheim u.a (Hersteller NT-MDT; viel zu Basiswissen und Techniken)

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