Rastermethoden 1. Klaus Meerholz WS 2010/11. Raster. Reinzoomen

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1 Rastermethoden / Bildgebende Verfahren Rastermethoden 1 Klaus Meerholz WS 2010/11 Sequentielle Datenerfassung: Parallele Datenerfassung: Rastern Scannen Abbilden Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 1 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 2 Auflösung Scannen vs. Rastern Laterale Auflösung bestimmt durch Stützstellenabstand, Scanschrittgröße ( x, y) xy-ausdehnung des Meßpunktes, Spotgröße (Durchmesser d, Radius r) Über die xy-ausdehnung des Meßpunktes wird der Wert gemittelt. Axiale Auflösung ( z) Über die z-ausdehnung des Spots wird der Wert gemittelt. Scannen Kontinuierlich, Vorschubgeschwindigk eit v Mittelwertbildun g im Intervall v * t. v* t x Relativ langsam S cannen > v* t Quasi-diskr et e Werte Relativ schnell S cannen = v* t Rastern diskrete Schritte x Diskr ete Werte x, v* t Mittelwerte Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 3 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 4 Raster Spotgröße Schrittweite d <<, d <, Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 5 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 6 1

2 Grenzwertig d x, d >, Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 7 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 8 Analyse einer Störstelle 20 x 20 5 x 5 2 x 2 Irreführend d >>, 1 x 1 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 9 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 10 Komplikationen Auflösungs/Flächen Kompromiss Probe ändert sich zeitlich Größenskala reversibel (z.b. durch Abtastverfahren selbst / Aufheizen) Random scan mit ausreichend Zeit zum Abklingen der Störung). m 2 mm 2 µm 2 AFM Zwiebel 400fach Opt. Mikroskopie Irreversibel schnell sein Ortsauflösung nm 2 nm 2 µm 2 mm 2 m 2 Zu untersuchende Fläche Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 11 Klaus Meer holz, Raster m ethoden

3 Rastermethoden / Bildgebende Verfahren Lokale Information über I. Topographie II. Optische Eigenschaften III. Elektrische & elektronische Eigenschaften IV. Magnetische Eigenschaften V. Chemische Zusammensetzu ng VI. Morphologie I. Topographie Mechanisch (im Kontakt) Profilometer Atomic Force Microscopy (AFM) Optisch (berührungslos) Interferometrie Chromatischer Sensor Elektronenmi kroskopie Etc. Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 13 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 14 Profilometer Metall Profilometer HTL Glas HTL Kratzer bis auf das Glas Kante des Metalls Lochleiter 300 nm Klaus Meer holz, Raster m ethoden µm Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 16 Profilometer: Auflösungsgrenze 200 nm 800 µm Silicium-Gitter zur AFM-Kalibrierung Wahre Gittertiefe: 104,5 nm Durch zu dicke Spitze gemessene Tiefe: ca. 30 nm SEM Image AFM Atomic Force Microscopy 104,5 nm Dektak Spitze Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 17 Klaus Meer holz, Raster m ethoden

4 AFM - Aufbau AFM - Aufbau Lateral: ca.100nm (Tip-abhängig) Axial: ca.1nm Cantilever: AFM Spitzen Lateral: ca.100nm 120µm Tiefe: ca.1nm 1µm Tisch/Scanner: Piezo-Keram ik Blei Zirkonium-Titan Verbindungen Messaufbau Messaufbau Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 19 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 20 AFM - Messprinzip AFM Modes Input Signal Cantilever deflection Photodiode, Gitter Messung der Tastenspitzen-Auslenkung Feedback Loop Laser X,Y Z Feedback Electronics Feedback Loop Output Signal Adjusts Z position Contact Non-contact Contact Modes Vibrating Modes Mode Contact (Topography) Lateral Force (Friction) Lithography (engraving) Scanning Thermal Tapping (Topography) Magnetic Force Electric Force Kelvin Probe Electrochemistry Wechselwirkungspotential U: R Kugelradius, A Hamakerkonstante Contact mode Vibrating mode Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 21 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 22 AFM: Tapping mode AFM: Contact-Force mode Beispiel: Chrom auf oxidiertem Si-Wafer (zur Eichung des AFM) Topogr aphi e S ignal (sensitiv Phasen Signal auf Här te des Mater ials) Van-der-Waals Kräfte - Repulsion - Attraktion Hook s Law: F = -k Z 10µm 10µm Sample Kratfkonstante (Cantilever) Abstand Hexadezimale Kodierung des Ortes Stufenhöhe ca. 100 nm Sprung des Signals an allen Kanten (Artefact) Bananenschale n : Morphologie des SiO2 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 23 Klaus Meer holz, Raster m ethoden

5 AFM: Einzelmolekü l-kraftsp ektroskopie Zusammenfassung AFM Reversible unfolding of immunoglobulin domains Kraft -Abstandskurve Nichtleitende und leitende Materialen Depth-Resolution 1 nm Anwendungen je nach Modus, Großtechnisch: CD und DVD Qualitätskontrolle Störungen: Abstand - Entfaltungskinetik - Van der Waals Wechselwirkungen - Bindungsstärken Vibration, Schall Statische Aufladungen thermische Drift Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 25 Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 26 Optische Methoden zur Oberflächencharakterisierung Chromatische Abstandsmessung Chromatischer Sensor Interferometrie Elektronenmi kroskopie (Teil 2) 1. Weißes Licht wird durch optische Faser und Linse auf zu untersuche nd e Fläche fokussiert; dabei liegt der blaue Fokus über dem roten Fokus (wegen Dispersion des Brechungsind ex der Linse). Das Licht wird von der Oberfläche reflektiert und wieder von der Faser aufgesamm elt (konfokale 2. Anordnung). 3. Die Wellenlänge, deren Fokus in der Ebene der Oberfläche liegt, wird bevorzugt aufgesammelt 4. Aus dieser Wellenlänge lässt sich bei bekannter Länge (blau rot) des Fokus auf die Topographie der Oberfläche zurückschließe n. Klaus Meer holz, Raster m ethoden 1 27 Klaus Meer holz, Raster m ethoden

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