PD Dr. André Schirmeisen. Raster-Kraft-Mikroskop (engl. Atomic Force Microscope, AFM)

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Emilia Kaiser
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1 Vertiefungsvorlesung Nanomaterials and Fabrication: Atomic Force Microscopy II PD Dr. André Schirmeisen Physikalisches Institut, WWU Münster Raster-Kraft-Mikroskop (engl. Atomic Force Microscope, AFM) 4-Quadranten- Photodiode Laser Typische Parameter: Cantilever: Probe Spite Cantilever x-, y-, -Rastereinheit ( Scanner ) Länge: µm Breite: µm Dicke: µm Federkonstanten: Kontaktmodus: N/m Dynamischer Modus: N/m

Atomic Force Microscope, AFM) 4-Quadranten- Photodiode Laser Typische Parameter: Cantilever: Probe Spite Cantilever x-,

2 Spiten-Proben-Kräfte/Potential interaction forces, surface potential F()=-dV/d repulsive forces V() tip-sample distance attractive forces 1 Å contact non-contact intermittent contact / tapping image: B. Ancykowski, nanoanalytics GmbH FM-AFM - Prinip

attractive forces 1 Å contact non-contact intermittent contact

3 Kenngrößen: ω = ω resonan : Federbalken wird genau an der Resonan angeregt (Selbsterregung) A exc : Anregung der Schwingung mit variablem Anregungssignal, so dass die Schwingungsamplitude konstant bleibt A: Schwingungsamplitude wird konstant gehalten φ : Phase ist immer genau 90, da Anregung immer in Resonan FM-AFM - Prinip A 0 Signal ω = Spite-Probe Abstand : Abstand wird über Z-Pieo geregelt, so daß die Frequenverschiebung (Abweichung der momentanen Resonanfrequen von der Resonanfrequen der freien Schwingung) konstant bleibt. Dies bestimmt die Bildinformation! ω 1 ω 0 ω Atomare Auflösung auf InAs(110) dynamische Rasterkraftmikroskopie (NC-AFM) [110] Einheitselle: 4.27 Å x 6.04 Å [001] f 0 = 160 kh, f = -63 H A = 12.7 nm, T = 14 K nm laterale position Position [nm] RMS-Rauschen in -Richtung < 2 pm Auflösung vergleichbar mit Tieftemperatur-STMs! [pm] [pm]

geregelt, so daß die Frequenverschiebung (Abweichung der momentanen Resonanfrequen von der Resonanfrequen der freien Schwingung) konstant bleibt. Dies bestimmt die Bildinformation!

4 Bildkontrastmechanismus am Beispiel Ag(110) Case Study Theory & Experiment Ag(110) Ag(110) rows 2nd layer atoms Top layer atoms nm nm ncafm on Ag(110), UHV, room temperature

5 Ab initio calculation - Top layer, top of atom Site A => stable, until ~ 0.35 nm A Vasile Caciuc and Hendrik Hölscher, University of Münster Ab initio calculation 2nd layer, top of atom Site B => always stable B Vasile Caciuc and Hendrik Hölscher, University of Münster

C Vasile Caciuc and Hendrik Hölscher, University of Münster Image

6 Ab initio calculation 2nd layer, between atoms Site C => very unstable Energy dissipation! C Vasile Caciuc and Hendrik Hölscher, University of Münster Image Contrast Ab-initio Simulation Frequency shift versus distance curves Topography: Simulation Topography: Experiment

7 Height Profiles Theory vs. Experiment Ab-initio simulation NC-AFM experiment Atomic contrast in NC-AFM: Short range chemical binding forces Energy Dissipation in Dynamic AFM Energy dissipation causes damping of oscillation Amplitude gain factor is a measure of dissipated energy From: Schirmeisen, Ancykowski, Fuchs in Springer Handbook of Nanotechnology, Edt. Bushan, 2007

chemical binding forces Energy Dissipation in Dynamic AFM Energy dissipation causes damping

8 Experiment: topography and dissipation topography line profile A topography dissipation dissipation line profile B topography dissipation 2x2 nm Energy Dissipation in Dynamic AFM NC-AFM: Spite osilliert durchgehend (~ 5-10 nm) Krafthysterese in den Kurven: Fläche wischen Approach und Retraction = Dissipierte Energie

Dissipation in Dynamic AFM NC-AFM: Spite osilliert durchgehend (~ 5-10 nm)

9 Summary ab initio simulations A. Reversable (until force minimum) B. Fully reversable C. Irreversable, Strong mechanical relaxation Little energy dissipation Increased energy dissipation Experiment: topography and dissipation topography dissipation 2x2 nm Experiment: Domenique Weiner, University of Münster

Irreversable, Strong mechanical relaxation Little energy dissipation

10 Mechanismus der Frequenverschiebung Kraftspektroskopie Model: Gekoppelte Federn Gekoppelte Federn: 1. Spite an Federbalken: k Fb 2. Spite und Probe Kraftwechselwirkung: k ts = F/ Resonanfrequen eines (ungedämpften) Federbalkens: ω² = (ω 0 + ω)² = k eff / m * (m * = effektive Masse des Federbalkens) wobei: k eff = k Fb + F/ damit gilt für Gradienten F/ < k Fb ω ω 0 / 2k Fb F/

Spite und Probe Kraftwechselwirkung: k ts = F/ Resonanfrequen eines (ungedämpften)

11 Grosse Schwingungsamplituden V() Parabolisches Potential Spiten-Proben Potential Effektives Potential E D D + 2A Theorie der dynamische Kraftspektroskopie Frequenverschiebung: 1 f0 f ( D, A) 3/ 2 2π c A D normierte Frequenverschiebung: Fts ( ) d D Gewichtung: Aufenthaltsdauer γ ( D) = 3/ 2 A c f 0 f ( D, A) Inversion: F ts ( D) 2 D D c A f 3/ 2 0 f ( D, A) d D Giessibl, PRB (1997) Dürig, APL 75, 433 (1999)

normierte Frequenverschiebung: Fts ( ) d D Gewichtung: Aufenthaltsdauer γ ( D) = 3/ 2 A c f 0 f ( D,

12 NC-AFM Spectroscopy Force Distance Curves 5 Frequency shift Si-tip on HOPG Conservative forces frequency shift in H nm 31.1 nm 27.3 nm 23.4 nm relative tip-sample distance in nm From: Schirmeisen, Hölscher, Ancykowski, Weiner, Schäfer, Fuchs, Nanotechnology 16 (2005) S13 Conservative and Dissipative Forces excitation amplitude dissipative forces dissipated energy 1.4 excitation amplitude in pm nm 31.1 nm 27.3 nm 23.4 nm relative tip-sample distance in nm From: Schirmeisen, Hölscher, Ancykowski, Weiner, Schäfer, Fuchs, Nanotechnology 16 (2005) S13

Conservative and Dissipative Forces excitation amplitude dissipative forces dissipated energy 1.4 excitation amplitude in pm 1.2 1.0 0.8 38.6 nm 31.

13 3-dimensionale Kraftfelder Dynamics of Adatoms on Surface Energy barrier for atomic jumps different interaction potential energy fo A and B sites A site B site - Potential energy landscape responsible for surface atom dynamics - Crystal growth, facetting, catalytic action - Tribology: Atomic friction models

B site - Potential energy landscape responsible for surface atom dynamics -

14 Acquisition of Interaction Energy Landscape Measurement of interaction potential energy landscape: attach adsorbate to support base measure forces as a function of relative tip-sample position in 3D space Interaction force calculate potential energy map Force Spectroscopy Point Mode NaCl(100) 0 y x frequenc y shift (H ) site A 2.0 nm position (nm)

position in 3D space Interaction force calculate potential energy map Force Spectroscopy Point

15 Force Spectroscopy Point Mode NaCl(100) 0 y x frequenc y shift (H ) site A site B 2.0 nm position (nm) D Spectroscopy Principle of Operation y Cl Na x - + a = 0.56 nm 2.0 nm 3d force spectroscopy: Hölscher et al., Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 4428

8 1.0 3D Spectroscopy Principle of Operation y Cl Na x - + a = 0.56 nm 2.

16 Frequency Shift: 2D Slice along Corrugation Maxima Two Separate Force Minima

17 Potential Energy Map E barrier = 48 mev Schirmeisen, Weiner, Fuchs, Phys. Rev. Lett. 97, (2006) Potential Energy Map: Tip Atom Equilibrium Position E pot x

Lett. 97, 136101 (2006) Potential Energy

18 x E pot x E x F pot = ), ( ), ( Vertical Force Field from Potential Energy Map F x E pot Lateral Force Field from Potential Energy Map F x x x E x F pot x = ), ( ), (

19 Lateral Forces from Potential Energy Map F lateral = dv ts (x,) / dx B A B A B A Lateral forces from energy profile: Schwar et al., AIP Conf. Proc. 696 (2003) 68 Lateral forces similar to site-specific normal forces! Simultaneously Acquired Energy Dissipation

20 Force Curves Hysteresis Model Single Atom Tip Model with Spring site A site B

21 Single Atom Tip Model with Spring site A site B Single Atom Tip Model with Spring site A site B

22 Theory: Sasaki et al. JJAP 39 (2000) L1334 Kantorovich et al. PRL 93 (2005) Experiments: Gotsmann et al., PRL 86 (2001) 2597 Hoffmann et al., PRL 87 (2001) Force Curves Hysteresis Model

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