Vorlesung. Rastersondenmikroskopie WS 2010/11. Themenüberblick. Warum ist Nanotechnologie so interessant? Einzelne Atome bewegen Eine Vision in 1959

Transkript

1 Vorlesung Rastersondenmikroskopie WS 2010/11 Priv. Doz. Dr. A. Schirmeisen Themenüberblick 0. Einführung 1. Rastertunnelmikroskopie (STM) 2. Manipulation: Atome verschieben mit dem STM 3. Rasterkraftmikroskopie (AFM) und intermolekulare Kräfte 4. Reibungskraftmikroskopie (FFM) in der Nanotribologie 5. Dynamisches AFM Topographie und Energie Dissipation 6. Non-contact AFM 3D Kraft-Spektroskopie 7. Nano-Optik: SNOM und TERS Einzelne Atome bewegen Eine Vision in 1959 Warum ist Nanotechnologie so interessant? In meinen Augen sprechen die Gesetze der Physik nicht gegen die Möglichkeit Dinge Atom für Atom zu bewegen. Es ist nicht ein Versuch irgenwelche Gesetze zu umgehen; es ist etwas, das im Prinzip gemacht werden kann; es nur einfach nicht gemacht worden, weil wir zu groß sind! Kontrolle über die kleinsten Bausteine der Materie (Moleküle), die die Dimension ein Nanometer haben FRAGE: Können wir uns aus den Bausteinen der Materie neue funktionelle Materialien, oder sogar kleine Maschinen bauen? Richard Feynman, December 29th 1959 Nobelpreisträger für Physik Don Eigler, IBM Almaden, 1993 Molekulare Zahnräder

2 Nanotechnologie : Warum gerade heute so interessant? Strukturgröße 0,1 m MAKRO 1 cm 1 mm NANO MIKRO 0,1 mm 10 µm 1 µm 0,1 µm 10 nm 1 nm 0,1 nm Individualisierung Miniaturisierung Komplexierung individueller Bausteine Neue Märkte Systemgenerierung Nutzung biologischer Prinzipien, physikalischer Gesetze und chemischer Eigenschaften F&E-Zeitskala Mikroskope für die Nanowelt Mikroskopietechniken - Auflösungsgrenzen Rasterelektronenmikroskopie Eiskristall Profilometer

3 Stylus-Profilometer Rastertunnelmikroskopie Squid Fresnel linse Einzelne Atome sehen Tunnelmikroskopie Einzelne Atome sehen Tunnelmikroskopie Si(111) - 7x7 STM von Graphene auf SiO 2 (Morgenstern, RWTH Aachen) Atomar definierte Oberflächen Gold Atome (Uni Münster) Uni Münster Graphene = 1 Lage Kohlenstoffatome: Nobelpreis 2010 (Andre Geim und Konstantin Novoselov)

4 Tunnelprozess Der Tunnelprozess Tunnelbarriere Elektronentunneln durch eine Potenzialbarriere Tunnelstrom ln( I T ) Φ d Zeitunabhängige Schrödingergleichung Mit dem Ansatz Spitze-Probe Abstand wobei Abstandsänderung 0.1nm ~ Faktor 10 Stromänderung!

5 Elektronentunneln durch eine Potenzialbarriere Aufbau eines STMs Lösung (E<V) ergibt für das Tunnelmatrixelement V = 16V, d = 1nm T(E F )~10-8 E F φ für bottom of conduction band Strukturuntersuchung - Oberflächenrekonstruktion Strukturuntersuchung - Oberflächenrekonstruktion

6 Strukturuntersuchung - Oberflächenrekonstruktion Au(111) Oberfläche Tunnelprozess - Zustandsdichte Si(111) Bildkontrast hängt von der Spannung ab! Tunnelprozess - Zustandsdichte Tunnelprozess - Zustandsdichte Image by Daniel Wegner Image by Daniel Wegner

7 Tunnelprozess - Zustandsdichte Tunnelprozess - Zustandsdichte V tip > 0 V tip < 0 Image by Daniel Wegner occupied states of SiC(000)3x3 Unoccupied states of SiC(000)3x3 Topographie <-> Materialkontrast Tunnelprozess - Zustandsdichte

8 Designprinzipien STM Aufbau STM Forderung: Atomar definierter Kontakt, der auf atomarer Ebene stabil und kontrollierbar ist Atomar definiert: extrem scharfe Spitze Stabilität: Vibrationsisolierung (Grund für Misserfolg des Topographiners) Abstandskontrolle: Piezotechnologie Feinpositionierung mit Piezoelementen Dreibein-Feinpositionierung Piezokeramik PZT Ohne Spannung Mit Spannung Piezokoeff.~ nm/v

9 Feinpositionierung mit Piezoröhren Vibrationsentkopplung Piezoröhre x External Floor x Stage x STM STM Stage STM Transmission of vibrations: x stage / x external = 1 / ( 1- ( ω ext / ω stage ) 2 ) x stm / x stage = 1 / ( 1- (ω stm / ω ext ) 2 ) Grobpositionierung mit Piezomotor Aufbau STM im UHV Stick-Slip Prinzip Spitze Langsam- Stick Schnell- Slip M M M Probe x 0 x 0 x 0 Scherpiezo

10 Einzelne Atome sehen Tunnelmikroskopie Betriebsmodi des STM STM (1981), G. Binnig, H. Rohrer, Nobelpreisträger STM zum Selberbauen STM Selbstbau Kann man ein einfaches STM für < 1000 Euro bauen? Mechanischer Aufbau beruht auf zwei Metallplatten mit Mikrometerschrauben

11 STM zum Selberbauen STM/AFM zum Selberbauen Z- Bewegung Technische Realisierung: - Scanner Röhren zu teuer - Ansteuerung nur über Hochspannung = gefährlich + teuer Alternative: Piezostacks + - Ausdehnung: ca. 500 nm bei 10V Ok für Z-Achse (Spitze-Proben-Distanz) Zu klein für XY-Scanweite, da interessante Proben ~ 10 µm STM/AFM zum Selberbauen XYZ- Bewegung STM/AFM zum Selberbauen XYZ- Bewegung

12 STM zum Selberbauen - Vibrationsisolierung Prinzip der Vibrationsentkopplung: A. Hohe Steifigkeit Spitze / Probe B. Weiche Feder AFM / Fussboden STM zum Selberbauen - Vibrationsisolierung Technische Realisierung: A: Steifer schwerer Aufbau B. Gummischlauch (Resonanzfrequ. = 10 Hz) x Stage STM Stage x STM STM Nanotechnology in the Classroom Schüler STM Nanotechnology in the Classroom Schüler STM Atomare Auflösung auf Graphit (HOPG)