Atomik Kuvvet Mikroskobu AKM pdf
Atomik Kuvvet Mikroskobu(AKM)
Ahmet Oral
Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi,
Sabancı Üniversitesi
Tuzla, 34956, İstanbul
1
Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) 1981
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) 1986
1986 Nobel Fizik Ödülü!!
G. Binnig ve H. Rohrer,
Ruska ile beraber: Elektron
Mikroskobu!
Atomik çözünürlük
1989 İlk Türk TTMleri
(A.Oral ve İ.İ.Kaya, Y. Lisans Tezleri)
1993 Türkiye’de İlk Ultra Yüksek
Vakum TTM imalatı ( A.Oral Doktora
Tezi)
Si(111)(7x7) Yüzeyinin TTM ile alınmış
görüntüsü
İlk Türk TTMları
Grafit Yüzeyi
İ.İ.Kaya
Y. Lisans Tezi ‘90
A.Oral Doktora Tezi ‘94
UYV-TTM Toplam Maliyet ~ $65,000!
A.Oral Y. Lisans
Tezi ‘90
P ~ 3x10-10 mbar
STM Imaging of SiGe Alloy Growth on Si(100)
A.Oral & R.Ellialtıoğlu, Surf. Sci. 1995
Teknolojimizi Kullanan Kurumlar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Harvard University, USA
Oxford University, England
MIT, USA
Tokyo Inst. Tech. / Kyoto / Nagoya University, Japan
University of California, Riverside, USA
Trinity College Dublin, Ireland
Texas A&M University / University of Texas at Austin, USA
Wayne State University/ University of Alabama USA
Bath University / Sheffield University, England
EPFL Lausanne, Switzerland
Oslo University, Norway
Katholic University Leuven, Belgium
University of Modena, Italy
Rice University, Houston, USA
Alicante University / ICMM Madrid, Spain
Sungkyunkwan University, Korea
Weizmann Institute of Science, Israel
Gazvin University, Iran
Bilkent/Sabancı/İYTE x3!!/ Atatürk / İnönü / Gazi / Uludağ Physics & Textile /Yıldız
İTÜ/ Hacettepe x2!!/Abant İzzet Baysal / Ege / Cumhuriyet / Koç / ODTÜ : TURKEY
2 x TATA Institute for Research, Mumbai, India
IUC Indore / RRCAT Indore, India
Indian Institute of Science, Bangalore, India
Argonne National Lab / Los Alamos National Lab., USA
Brookhaven National Lab, USA
Sandia National Lab, USA
NRC, Canada
IFW, Dresden Germany
JAIST Kanazawa, RIKEN , Saitama ! Japan
Quantum Design Inc., USA
Seagate, USA
Fuji Film, Japan / KLA Tencor / ATC Corporation USA
Teknolojimizi Kullanan Kurumlar
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM)
G. Binnig et al. 1986
deflection
sensor
cantilever
probing tip
feed-back
regulator
sample
xy-piezo (lateral position)
z-piezo
(tip-sample distance)
high-voltage
amplifier
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM)
DVD üzerindeki
Bit’ler
Atmosfer ortamında biyolojik numuneler
Rhodobacter
Sphaeroides,
20x20 μm scan
Staphylacoccus
Aereus
15x15 μm scan
Streptomycetes
cerevicea,
20x20μm scan
Echerichia Coli
10x10 μm scan
Atmosfer ortamında biyolojik numuneler
Fish Bacteria,
25x25 μm scan
Topography
DNA coils
amplified
with PCR
5x5μm scan,
Phase Image
Fish Bacteria,
25x25 μm scan
Phase
Plasmid DNA
1x1μm scan
Phase Image
Atmosfer ortamında biyolojik numuneler
Red Blood
Cells
Single RBC &
zoomed in image
Mika Yüzeyindeki Atomik teraslar
Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MKM)
• Yay rezonans frekansında titreştirilir, ~75kHz
• Soldan sağa tarama : topografi
• Sağdan sola tarama : yay dönüşte 20-100nm havaya kaldırılarak
manyetik görüntü elde edilir
• Zayıf Manyetik kuvvetler faz sinyalinde gözükür
Lift-Mode
Seagate 394Gbpsi Hard diskin MKM ile Görüntülenmesi
0.6
0.5
Phase
( deg)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
50
~ 9 nm
100
nm
150
AKM Uygulamaları: Nanolitografi
700 nm
Gazi Universitesi
Logosu
En küçük Türk bayrağı
650x950nm
Hacettepe logosu
Seagate 394Gbpsi Harddisk’in
DS-MKM görüntüsü @ 77K
PPMS-AKM/MKM Sisteminin Gürültü Seviyesi
@ 77K , k=8N/m, 3.5mW
Shot noise
AKM ile aynı anda iletkenlik ölçümü
(LSMO Numune)
PPMS-AKM ile Piezo-etki Kuvvet Mikroskobu
(PMNT Numune)
mK-MKM/AKM @ Rice Univ. USA, 300mK
mK-MKM ile CoPt Çoklutabaka görüntüsü @350mK
Sample courtesy of Dr. Olav Hellwig of
Hitachi-GST, San Jose, USA
Yüzeye Değmeden Atomik Kuvvet Mikroskobu
(yd-AKM) ile İLK Atomik Çözünürlük
Franz Giessibl,
Science, 1995
Atomik ve Moleküler Seviyede Manipülasyon
Si(100) yüzeyinde C60
F=?
Peter Beton, Nottingham University, T = 300K
Demir Atomları ile bakır yüzeyine
imal edilmiş Kuvantum Koral
Bakır yüzeyinde Br Atomları
T.Fishlock,
A.Oral, R.Egdell
& J.B. Pethica
Nature 404, 743
(2000)
T = 300K
Don Eigler, IBM, T = 4.2K
Atomik Seviyede Manipülasyon
yd-AKM
T = 300K,
Morita Grubu, Osaka
Yüzeye Değmeden Atomik Kuvvet Mikroskobu (yd-AKM)
106
10
105
0
104
-20
It ( nA )
103
-30
102
A.Oral et al. APL 79, 1915 (2001)
P.M.Hoffmann, et al. PRL 87, 265502 (2001).
-40
101
-50
-60
100
-70
Si(111) Surface
10-1
-80
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Sample Displacement ( Angstrom )
STM
nc-AFM
kint (N/m )
-10
Yüzeydeki Atomların yd-AKM ile Tespiti !!!
Y. Sugimoto et al. 446, Nature 2007
Kuvvet bir vektördür !...
3D-Manyetik Alan Çizgileri Gösterisi, Pasco
~ $79
Atomik manipülasyon kuvvetinin ölçülmesi, 4.2K!!!
M. Ternes et al. Science 319, 1066(2008)
Sürtünme Heryerde Vardır !!!!
FN
v
FL
MEMS Aygıtları
Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies,
www.mems.sandia.gov"
Kertenkeleler yapışma kuvvetini kullanarak
tavanda yürürler
From B. Persson and S. Gorb
JCP, 119, 11437 (2003)
Atomik Seviyede Sürtünme Kuvvetlerinin
Ölçümü: Kontak Mode: ‘Stick-slip’
Atomic stick-slip
Friction loop
FN = 0.44 nN
KBr(001)-crystal
Ediss = 1.4 eV
(per slip)
Courtesy of Prof.E. Meyer, Basel University
Yatay Kuvvet yd-AKM Fotoğrafı
Ahmet Oral
Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi,
Sabancı Üniversitesi
Tuzla, 34956, İstanbul
1
Taramalı Tünelleme Mikroskobu (TTM) 1981
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) 1986
1986 Nobel Fizik Ödülü!!
G. Binnig ve H. Rohrer,
Ruska ile beraber: Elektron
Mikroskobu!
Atomik çözünürlük
1989 İlk Türk TTMleri
(A.Oral ve İ.İ.Kaya, Y. Lisans Tezleri)
1993 Türkiye’de İlk Ultra Yüksek
Vakum TTM imalatı ( A.Oral Doktora
Tezi)
Si(111)(7x7) Yüzeyinin TTM ile alınmış
görüntüsü
İlk Türk TTMları
Grafit Yüzeyi
İ.İ.Kaya
Y. Lisans Tezi ‘90
A.Oral Doktora Tezi ‘94
UYV-TTM Toplam Maliyet ~ $65,000!
A.Oral Y. Lisans
Tezi ‘90
P ~ 3x10-10 mbar
STM Imaging of SiGe Alloy Growth on Si(100)
A.Oral & R.Ellialtıoğlu, Surf. Sci. 1995
Teknolojimizi Kullanan Kurumlar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Harvard University, USA
Oxford University, England
MIT, USA
Tokyo Inst. Tech. / Kyoto / Nagoya University, Japan
University of California, Riverside, USA
Trinity College Dublin, Ireland
Texas A&M University / University of Texas at Austin, USA
Wayne State University/ University of Alabama USA
Bath University / Sheffield University, England
EPFL Lausanne, Switzerland
Oslo University, Norway
Katholic University Leuven, Belgium
University of Modena, Italy
Rice University, Houston, USA
Alicante University / ICMM Madrid, Spain
Sungkyunkwan University, Korea
Weizmann Institute of Science, Israel
Gazvin University, Iran
Bilkent/Sabancı/İYTE x3!!/ Atatürk / İnönü / Gazi / Uludağ Physics & Textile /Yıldız
İTÜ/ Hacettepe x2!!/Abant İzzet Baysal / Ege / Cumhuriyet / Koç / ODTÜ : TURKEY
2 x TATA Institute for Research, Mumbai, India
IUC Indore / RRCAT Indore, India
Indian Institute of Science, Bangalore, India
Argonne National Lab / Los Alamos National Lab., USA
Brookhaven National Lab, USA
Sandia National Lab, USA
NRC, Canada
IFW, Dresden Germany
JAIST Kanazawa, RIKEN , Saitama ! Japan
Quantum Design Inc., USA
Seagate, USA
Fuji Film, Japan / KLA Tencor / ATC Corporation USA
Teknolojimizi Kullanan Kurumlar
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM)
G. Binnig et al. 1986
deflection
sensor
cantilever
probing tip
feed-back
regulator
sample
xy-piezo (lateral position)
z-piezo
(tip-sample distance)
high-voltage
amplifier
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM)
DVD üzerindeki
Bit’ler
Atmosfer ortamında biyolojik numuneler
Rhodobacter
Sphaeroides,
20x20 μm scan
Staphylacoccus
Aereus
15x15 μm scan
Streptomycetes
cerevicea,
20x20μm scan
Echerichia Coli
10x10 μm scan
Atmosfer ortamında biyolojik numuneler
Fish Bacteria,
25x25 μm scan
Topography
DNA coils
amplified
with PCR
5x5μm scan,
Phase Image
Fish Bacteria,
25x25 μm scan
Phase
Plasmid DNA
1x1μm scan
Phase Image
Atmosfer ortamında biyolojik numuneler
Red Blood
Cells
Single RBC &
zoomed in image
Mika Yüzeyindeki Atomik teraslar
Manyetik Kuvvet Mikroskobu (MKM)
• Yay rezonans frekansında titreştirilir, ~75kHz
• Soldan sağa tarama : topografi
• Sağdan sola tarama : yay dönüşte 20-100nm havaya kaldırılarak
manyetik görüntü elde edilir
• Zayıf Manyetik kuvvetler faz sinyalinde gözükür
Lift-Mode
Seagate 394Gbpsi Hard diskin MKM ile Görüntülenmesi
0.6
0.5
Phase
( deg)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
50
~ 9 nm
100
nm
150
AKM Uygulamaları: Nanolitografi
700 nm
Gazi Universitesi
Logosu
En küçük Türk bayrağı
650x950nm
Hacettepe logosu
Seagate 394Gbpsi Harddisk’in
DS-MKM görüntüsü @ 77K
PPMS-AKM/MKM Sisteminin Gürültü Seviyesi
@ 77K , k=8N/m, 3.5mW
Shot noise
AKM ile aynı anda iletkenlik ölçümü
(LSMO Numune)
PPMS-AKM ile Piezo-etki Kuvvet Mikroskobu
(PMNT Numune)
mK-MKM/AKM @ Rice Univ. USA, 300mK
mK-MKM ile CoPt Çoklutabaka görüntüsü @350mK
Sample courtesy of Dr. Olav Hellwig of
Hitachi-GST, San Jose, USA
Yüzeye Değmeden Atomik Kuvvet Mikroskobu
(yd-AKM) ile İLK Atomik Çözünürlük
Franz Giessibl,
Science, 1995
Atomik ve Moleküler Seviyede Manipülasyon
Si(100) yüzeyinde C60
F=?
Peter Beton, Nottingham University, T = 300K
Demir Atomları ile bakır yüzeyine
imal edilmiş Kuvantum Koral
Bakır yüzeyinde Br Atomları
T.Fishlock,
A.Oral, R.Egdell
& J.B. Pethica
Nature 404, 743
(2000)
T = 300K
Don Eigler, IBM, T = 4.2K
Atomik Seviyede Manipülasyon
yd-AKM
T = 300K,
Morita Grubu, Osaka
Yüzeye Değmeden Atomik Kuvvet Mikroskobu (yd-AKM)
106
10
105
0
104
-20
It ( nA )
103
-30
102
A.Oral et al. APL 79, 1915 (2001)
P.M.Hoffmann, et al. PRL 87, 265502 (2001).
-40
101
-50
-60
100
-70
Si(111) Surface
10-1
-80
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Sample Displacement ( Angstrom )
STM
nc-AFM
kint (N/m )
-10
Yüzeydeki Atomların yd-AKM ile Tespiti !!!
Y. Sugimoto et al. 446, Nature 2007
Kuvvet bir vektördür !...
3D-Manyetik Alan Çizgileri Gösterisi, Pasco
~ $79
Atomik manipülasyon kuvvetinin ölçülmesi, 4.2K!!!
M. Ternes et al. Science 319, 1066(2008)
Sürtünme Heryerde Vardır !!!!
FN
v
FL
MEMS Aygıtları
Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies,
www.mems.sandia.gov"
Kertenkeleler yapışma kuvvetini kullanarak
tavanda yürürler
From B. Persson and S. Gorb
JCP, 119, 11437 (2003)
Atomik Seviyede Sürtünme Kuvvetlerinin
Ölçümü: Kontak Mode: ‘Stick-slip’
Atomic stick-slip
Friction loop
FN = 0.44 nN
KBr(001)-crystal
Ediss = 1.4 eV
(per slip)
Courtesy of Prof.E. Meyer, Basel University
Yatay Kuvvet yd-AKM Fotoğrafı