Metode experimentale de studiu a suprafeţelor si interfeţelor 2011 - 2012

Microscopia de baleiaj folosind efectul tunel (STM) Z X Utilizată pentru determinarea topologiei suprafaţei (conductoare). Permite maparea suprafeței, punând în evidență detalii de dimensiuni atomice. Permite monitorizarea creşterii în timp real a suprafeţei. Rezoluție: laterală < 1Å verticala < 0.1Å Notă: Imaginile sunt frecvent interpretate ca “atomi”, însă aceasta nu este in mod necesar adevarat in orice circumstanțe. Ceea ce se măsoară, din punct de vedere fizic, este densitatea electronică a supafeței, şi nu pozitia atomilor! 2

Schema unui dispozitiv STM Inventatorii STM, Gerd Binnig si Heinrich Rohrer au fost răsplătiți cu premiul Nobel in fizică în anul 1986. 3

Principiul fizic al STM masiv EF EV Barieră de potențial Eşantion Vârf-sondă STM d j – densitatea de curent; α1, α2 – constante; V – tensiunea aplicată între sondă şi eşantion φav – valoarea medie a lucrului de extracție a electronului, în cazul perechii de materiale sondă -suprafață; s – distanța vârf - eșantion 4

Moduri de operare în STM Două moduri de operare: curent constant si înălțime constantă Modul de operare în curent constant este cel mai frecvent utilizat. Este aleasa o valoare a Itunel (30 pA - 1 nA). Pentru a păstra Itunel = constant, valoarea lui z trebuie ajustată în mod automat de un circuit de reacție inversă (feed-back). 5

Modul curent constant În acest mod se înregistrează curenți de tunelare de minimum 30 pA, valoare suficient de mică pentru a putea investiga și suprafetele cu conductivitate electrică scazută, unele preparate biologice etc.. .

Modul înălțime constantă În acest caz se fixeaza o anumita valoare a lui z, urmând a se măsura Itunel direct … fără feedback. Apare o variatie periodica a distantei dintre tip si atomii din regiunea de suprafață. In pozitia in care tip-ul va fi exact deasupra unui atom de pe suprafata, curentul de tunelare va fi maxim. Cand vârful se va gasi deasupra unei “adâncituri”, curentul de tunelare va fi mult mai mic. Folosit doar pentru suprafetele foarte plate! 7

Modul inaltime constanta Dificultățile utilizării tehnicii STM: Complexitatea interpretarii rezultatelor in cazul unor anumite suprafete: imaginea suprafetei nu este determinată doar de relief, ci și de: densitatea de stări electronice, semnul si valoarea tensiunii de polarizare, valoarea curentului de tunelare etc.

Ce informatii putem obtine din imaginile STM? 1. Procese de creștere la suprafață (1) Pb and Cu sunt metale non-miscibile: rPb= 1.37 rCu. Es Pb = 0.50 J/m2, în timp ce Es Cu = 1.96 J/m2. În conformitate cu teoria clasica a fenomenelor de creștere, Cu trebuie sa creasca sub forma de insule pe suprafaţa constituită din atomi de Pb. (ii) Atomii de Pb sunt foarte mobili! O insula de Cu formata pe Pb are, la randul ei o suprafata pe cele doua extremitati laterale, ceea ce se reflecta in creșterea energiei de suprafață. Configurația cea mai favorabilă (energie minimă): extremităţile “insulei” sunt acoperite cu atomi de Pb. Starea de echilibru între tendinţa de segregare a Cu şi efectele induse de mobilitatea mai ridicată a Pb. 9

Ce informatii putem obtine din imaginile STM? 2. Segregarea atomilor la suprafaţă… …inclusiv segregarea impuritatilor la limitele de graunţi cristalini. Imaginea din dreapta reprezintă suprafaţa (110) a unui eşantion din aliajul (Fe-C)96.5Si3.5. Aproximativ 1/3 din atomii de la suprafata sunt atomi de Si (de culoare inchisa in imaginea alăturată), care substituie, aici, atomii de Fe! Atomii de C nu sunt detectabili în mod direct, dar ei mascheaza atomii de Fe din randurile centrale ale structurii de tip “scară”. Referinţă: H. Biedermann, M. Schmid, P. Varga, Surf. Sci. 331-333 (1995) 787-793. 10

Alte aplicaţii ale STM Nanolitografia Calea cea mai directă de prelucrare (mecanică sau termică) a unei suprafete. Suprafata eșantionului de sub vârful STM poate fi topită și evaporată. Un exemplu de litografie STM: o imagine STM a 3 ML de film, pe durata expunerii la 3 pulsuri electrice

Nano-anodizarea Se aplica o tensiune electrică între varful unui cantilever conductor si suprafața metalică de anodizat; se produc procese electrochimice care conduc la formarea de nanostructuri oxidice. Folosind electro-litografierea se pot modifica proprietatile geometrice si compozitionale locale ale suprafetei eșantionului. .

Nano-manipularea Fe pe Cu (111)