A nanotechnol³gia mikroszk³pjai

download A nanotechnol³gia mikroszk³pjai

of 48

  • date post

    11-Jan-2017
  • Category

    Documents

  • view

    214
  • download

    2

Embed Size (px)

Transcript of A nanotechnol³gia mikroszk³pjai

  • 1

    A nanotechnolgia mikroszkpjai

    Havancsk Kroly, 2011. janur

  • 2

    Az elads tematikja

    - Transzmisszis elektronmikroszkp (SEM), - Psztz elektronmikroszkp (TEM), - Psztz alagtmikroszkp (STM), - Atomi ermikroszkp (AFM), - Psztz kzeltr optikai mikroszkp (SNOM).

  • 3

    A nano eltag a grg = trpe szbl szrmazik. 1 nm = 10-9 m, ami krlbell 5 nagysgrenddel kisebb, mint az emberi szem felbontkpessge s egy nagysgrenddel nagyobb, mint a hidrognatom tmrje. Nanotudomny - nanotechnolgia: az 1 nm 100 nm tartomnyba es objektumok felhasznlsa eszkzkszts cljra.

    1959-ben R. Feynmann vetette fel elszr az anyag atomi szint megfigyelsnek s manipullsnak lehetsgt a There is plenty of room at the bottom cm eladsban.

    A mlt szzad 50-es veiben ez a felvets utpinak tnt. A szzad utols harmadban azonban olyan j felfedezsek s ismeretek birtokba jutott a tudomny, amely megvltoztatta a helyzetet.

    Utazs Liliputba

    I would like to describe a field, in which little has been done, but in which enormous amount can be done in principle.

  • 4

    nanolitogrfia

    Mrettartomnyok

    H-atom

    TiO2

    PtO2

    vrs vrtest hajszl bolha

    DNS

    C nanocs

    baktriumok

    fullern

    vrusok

  • 5

    nanolitogrfia

    Mrettartomnyok

    H-atom

    TiO2

    PtO2

    vrs vrtest hajszl bolha

    DNS

    C nanocs

    baktriumok

    fullern

    vrusok

  • 6

    A Kpkpzs fajti

    A mikroszkpia kt fajtja

    1. Prhuzamos kpkpzs (optikai mikroszkp, transzmisszis elektronmikroszkp)

    Felbonts:

    Ernst Abbe (1840 1905)

    Kpkpzs lencskkel. A nyalbok interferencija alaktja ki a kpet.

    2. Soros kpkpzs (psztz tpus mikroszkpok)

    Felbonts: a nyalb (vagy a mrszonda) mrete a mintn szabja meg.

    A psztzs elvnek felfedezse: Max Knoll 1935.

    sinn2

    d =

    kppont

  • 7

    Prhuzamos kpkpzs

    Az idelis mikroszkp (optikai, TEM) sugrmenete

    Az bra egy lencse lekpezst mutatja az Abbe-elmlet szerint.

    A lencse gy mkdik, hogy a kpskban ismtelt Fourier-transzformci eredmnyekppen a trgy nagytott kpe jelenik meg.

    A fkuszskban az f(x,y) fggvny Fourier-transzformltja jelenik meg (mint a Fraunhofer-kp esetn).

    A mintt az f(x,y) komplex fggvny rja le.

  • 8

    Lencsehibk

    Lencsehibk

    szini hiba

    asztigmatizmus apertura diffrakci

    gmbi hiba

  • 9

    Optikai mikroszkpok

    Optikai mikroszkpia

    Lthat fnnyel mkdik (~ 400 nm 800 nm). A tudomny ilyen mikroszkpot hasznlt elszr.

    Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723, Netherlands) Kornak legnagyobb nagyts (~300), egylencss mikroszkpjt ksztette el Tudomnyos ignnyel alkalmazta. Felfedezte az egysejteket, baktriumokat, a vrs vrtestet stb.

    Carl Zeiss (1816 1888)

    (Ernst Abbe, Otto Schott)

    A fejleszts irnyai: - a mikroszkp mkdsi elvnek feltrsa (Abbe) - a lencshibk cskkentsnek mdjai - az veggyrts fejlesztse

  • 10

    Mikroszkpok felbontsa

    A hagyomnyos fnymikroszkp a nanotartomnyban (

  • 11

    Elektronmikroszkpia Az elektron anyag klcsnhats kivltotta termkek

    1. Elre szrt elektronok. Nincs energiavesztesg, nincs irnyvltozs. A transzmisszis elektronmikrszkpiban (TEM) a vilgos ltter (bright-field) kphez felhasznlhat. 2. Rugalmatlanul szrd elektronok. Kis energiavesztesg, kis szgben szrds. Felhasznlhat: elektron energiavesztesg spektroszkpiban s specilis kpalkotsra. 3. Rugalmasan szrd elektronok. Nincs energiavesztesg, az irnyvltozs fok nagysgrend. Kristlyos anyag esetn az irnyt a Bragg-trvny szabja meg. TEM diffrakci, TEM stt ltter kp (dark field), s a nagyfelbonts elektronmikroszkpia (HREM) hasznlja. 4. Szekunder elektronok. A minta nyalb felli oldaln keletkeznek. Gyengn kttt, kls hjon lv elektronoktl erednek, amelyeket a nyalb kit a helykrl. sszegyjtve topografikus (felleti) informcit adnak a psztz elektronmikroszkpiban (SEM). 5. Visszaszrt (backscattered) elektronok. Az eredeti nyalbbl rugalmas s rugalmatlan nagyszg szrst szenvedett elektronok. Kpalkotsra felhasznlhat (SEM).

  • 12

    Elektronmikroszkpia Az elektron anyag klcsnhats kivltotta termkek

    6. Rntgen-sugrzs. Az elsdleges elektronnyalb hatsra bels hjon elektron vakancia keletkezik. A betltds sorn rntgen foton tvozik. Az analitikus elektronmikroszkpiban (AEM) a legltalnosabban hasznlt jel. Kmiai sszettel meghatrozsra hasznlhat.

  • 13

    TEM A relis mikroszkpban egy lencse helyett lencserendszer. Pl. az brn egy hromfokozat mikroszkp sugrmenete lthat.

    Ktfle zemmd: a kpernyre vagy az objektv lencse kpskjt,

    Az els esetben a trgy hrom lpsben nagytott kpt, a msodik esetben a kt lpsben nagytott diffrakcis kpet ltjuk.

    vagy a hts fkuszskjt kpezzk le.

  • 14

    TEM A relis mikroszkpban egy lencse helyett lencserendszer. Pl. az brn egy hromfokozat mikroszkp sugrmenete lthat.

    Ktfle zemmd: a kpernyre vagy az objektv lencse kpskjt,

    Az els esetben a trgy hrom lpsben nagytott kpt, a msodik esetben a kt lpsben nagytott diffrakcis kpet ltjuk.

    vagy a hts fkuszskjt kpezzk le.

  • 15

    Elektronmikroszkpia, TEM, diffrakci Diffrakcis zemmd

    Az ernyn a minta kristlyrcsnak diffrakcis kpe jelenik meg.

    Polikristlyos minta esetn, mivel a diffrakcis szg kicsi, a kpen az egyes kristly skoknak megfelel, folytonos krket ltunk.

    Egykristly minta esetn a kpen a kristly reciprokrcsnak pontjai ltszanak. A kzps, direkt nyalbnak megfelel folt krl a rugalmatlanul szrd elektronok felhje is ltszik.

    Amorf minta esetn a prkorrelcis fggvny Fourier-transzformltja ltszik a diffrakcis kpen, ami diffz krk formjban jelenik meg.

    A diffrakcis apertrval polikristlyos minta esetn egy szemcsrl is kaphatunk egykristly diffrakcis kpet. Ez a hatrolt terlet diffrakci (selected area diffraction = SAD)

  • 16

    TEM kpkpz zemmd

    Az objektv lencse fkuszskjban elhelyezett objektv apertrval a diffrekcis pontokhoz tartoz nyalbok kzl egy vagy tbb engedhet t tovbbi lekpezsre (kpkpzsre).

    Ha csak a kzps (direkt) nyalbot engedjk t, akkor a lekpezs sorn az un. vilgos ltter kpet kapjuk. Ha csak egy eltrtett nyalbot engednk t, akkor az un. stt ltter kpet kapjuk.

    Ha tbb nyalbot engednk t a kpkpzsre, akkor a nagyfelbonts kpet kapjuk.

  • 17 Plda mikroszkpi s diffrakcis kpekre: Az brn egy Ir-Si atomokbl ll minta elektronmikroszkpos kpt s diffrakcis kpt ltjuk klnbz hmrsklet hkezelsek utn.

    Az els kppr az amorf kiindulsi llapotot mutatja, szles gyrkkel a diffrakcis kpen (az autokorrelcis fggvny Fourier-transzformltjt ltjuk).

    A msodik kppron az ltszik, hogy 400 Co-os hkezels utn a minta aprszemcsss vlt (porminta), ami a diffrakcis kpen keskeny gyrk kialakulshoz vezet.

    A harmadik kppr 700 Co-os hkezels utn az egyik nagy szemcse (egykristly) diffrakcis pontjait mutatja.

  • 18

    HRTEM mikroszkpi zemmd A TEM felbontsa a nanotartomny vizsglatt is lehetv teszi.

    GaAs mtrixra nvesztett InAs kvantum ptty TEM felvtelei. b) a g=(001) diffrakcis irnnyal kpezett vilgos ltter kp c) a a g=(200) diffrakcis irnnyal kpezett stt ltter kp d) a a g=(220) diffrakcis irnnyal kpezett stt ltter kp

    A [011] kristlyirnyra merleges keresztirny (cross section) HRTEM felvtel a kvantumpttyrl

  • 19

    HRTEM mikroszkpi zemmd A TEM felbontsa a nanotartomny vizsglatt is lehetv teszi.

    GaAs mtrixra nvesztett InAs kvantum ptty TEM felvtelei. b) a g=(001) diffrakcis irnnyal kpezett vilgos ltter kp c) a a g=(200) diffrakcis irnnyal kpezett stt ltter kp d) a a g=(220) diffrakcis irnnyal kpezett stt ltter kp

    A [011] kristlyirnyra merleges keresztirny (cross section) HRTEM felvtel a kvantumpttyrl

  • 20

    SEM

    Soros kpkpzs. A kpalkotshoz nem kellenek lencsk. A lencsk tulajdonsgai elssorban a fkuszls minsgben jelennek meg, ami kzvetve befolysolja a kpalkotst. A maximlis felbonts ma ~ 1 nm.

    Mkdsi elv Az elektron nyalb fkuszlva psztzza a minta fellett sorrl sorra.

    A katdsugrcs elektronnyalbja ezzel szinkronban psztzza a kpernyt.

    Ahol valamilyen objektum miatt a felletrl rkez termk intenzitsa vltozik, ez a vltozs a kpernyn is ltszik. gy alakul ki a kp.

    Psztz elektronmikroszkp (scanning electronmicroscope=SEM). Elterjedt, npszer anyagvizsgl eszkz, amellyel a felletkzeli tartomnyok vizsglhatk.

    Az elektronnyalb ltal kivltott szekunder elektronokat, visszaszrt elektronokat s rntgen fotonokat detektorok rzkelik. A detektorok jelvel modulljuk a kperny nyalbjt.

  • 21

    A SEM felptse

    A mikroszkp felptse

    A forrs: elektron gy, amely hasonl felpts s elvi mkds, mint a TEM esetben.

    Tipikus elektron energia: 500 eV-30 keV.

    Az elektrongybl kilp nyalbot elektromgneses kondenzor lencskkel a mintra fkuszljk.

    A psztz tekercsek mozgatjk a nyalbot a minta fellete mentn.

    A detektorok a minta felett helyezkednek el.

  • 22

    Psztz Elektronmikroszkp

    A minta felletbl kivltott termkek klnbz energijak, s ezrt klnbz mlysgbl s klnbz trfogatl szrmaznak. Az elektronnyalb tmrje mellett ez az, ami a felbontst meghatrozza.

    30 keV 15 keV 5 keV 1 keV 0,5 keV

    lLN =

    Nagyts

    A SEM nagytst lnyegben geometriai viszonyok hatrozzk meg.

    Nmax ~ 105

    Felbonts

    dmax = 1 nm, (SE esetre igaz).

    A bombz elektronok energijtl fgg a gerjesztett trfogat.