Taramali Tunelleme Mikroskobu STM ve Ato
Taramalı Tünelleme Mikroskobu (STM) ve
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM)
Prof.Dr. İbrahim USLU
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı Tünelleme Mikroskobu
Scanning Tunneling Microscope (STM)
• 1982’de taramalı tünelleme mikroskobunun (STM) keşfiyle
(Binnig et al. 1982) yoğunlaşan çalışmalar sonucunda, 1990
yılının başlarında detaylı cihazlar piyasaya sürülmeye
başlamıştır.
• Taramalı Tünelleme Mikroskopu), çekirdek çevresindeki
elektron bulutunun üç boyutlu haritasını çıkaran bir elektron
mikroskopudur.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM görüntüleri
• Tek bir atoma odaklanıp onu resmedebilen bu teknik, aynı
zamanda yüzey kimyası için ve organik moleküllerin yapısını
aydınlatmak için kullanılmaktadır. Örneğin DNA molekülünün
yapısı bu teknikle incelenmiştir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM ile görüntülenmiş
bakır yüzey üzerinde demir atomları
Prof.Dr. İbrahim USLU
Bakır yüzey üzerinde 48 demir atomu
dairesel düzende
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM atomik yapılarının ve elektronik hallerinin
belirlenmesini sağlar
• STM, iletken bir katı yüzeyin özelliklerini atomik boyutta
inceleme imkanı sağlar.
• İncelenen yüzeyin atomik yapılarının ve elektronik hallerinin
belirlenmesinde oldukça önemli bir tekniktir.
• Yüzeyler STM’in sahip olduğu yüksek rezülüsyon (0,1 Ǻ)
sayesinde atomik boyutta görüntülenebilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme
• STM’in temelini kuantum tünelleme teorisi oluşturur.
• Kuantum tünelleme teorisine göre bir elektronun enerjisi
kendi toplam enerjisini aştığı zaman klasik fiziğe göre
imkansız olan bölgeleri delip geçebilir. Yani tünelleme
yapabilir.
• Başka bir değişle iki iletken birbirine 10 Ǻ veya daha fazla
yaklaştırılıp aralarında bir potansiyel farkı oluşturulursa
elektronların bu iki iletken arasındaki potansiyel engelinden
tünelleme yapma olasılığı ortaya çıkar.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
• Dalga-Parçacık ikilemliğine göre böyle bir ortamda dalgaların
tünel açtığı gibi elektronlarda tünel halinde dalgalar şeklinde
yayılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünel Akımı Güçlendirici ve verilerin
toplanması ve görüntülenmesi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımının oluşumu
• Atomik boyutta tip (iğne) olarak adlandırılan çok sivri bir
metal uç incelenecek yüzeye mekanik bir sistem yardımıyla
bir d mesafesinde (1-10 Ǻ) yaklaştırılıp potansiyel fark
uygulanırsa, tip ve yüzeyin dalga fonksiyonları üst üste
çakışır ve elektronlar tipten yüzeye veya yüzeyden tipe
atlamasıyla, tünelleme akımı olarak adlandırılan bir akım
oluşur.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımının yönü
• Akımın yönü uygulanan potansiyelin işaretine bağlıdır.
• Eğer numune negatif yüklü ise elektronlar numunenin dolu
orbitalinden tipin boş orbitaline geçecektir.
• Buradaki akım çok küçük olup nA seviyesindedir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM Çalışma Prensibi
•
•
Aralarında çok küçük bir mesafe (birkaç Å) bulunan örnek ve tip (uç)
arasında bir öngerilim oluşturulduğunda, kuantum tünellemeden dolayı
örnekten tipe veya tipten örneğe elektron geçişi olur ki bu da picoamper
mertebesinde bir tünel akımına karşılık gelir.
Örnek yüzeyi üzerinde tip tarama yaparken oluşan bu tünel akımı ölçülür
ve bu akım örnek ile uç arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olduğundan
yüzey tomografisi elde edilmesinde kullanılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit Akım ve Sabit Yükseklik Modu
• Bu işlem iki şekilde yapılabilir. Birincisi sabit akım, ikincisi
ise sabit yükseklik modudur.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit Akım ve Sabit Yükseklik Modu
• Sabit akım modunda tipin yüksekliğini ayarlayarak akımı
sabit tutan geri besleme devresi sayesinde akım sabit
tutularak tip yüzey üzerinde hareket ettirilir. Bu esnada tipin
yüksekliğinde meydana gelen değişmeler kaydedilerek
görüntü oluşturulur.
• Sabit yükseklik modunda ise tip yüzeye yaklaştırıldıktan
sonra uzaklık sabit tutulur ve tip yüzeyde hareket
ettirilirken akım ölçülür. Ölçülen akıma bağlı olarak
görüntü elde edilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit Yükseklik Modu
• Sabit
Yüksekli
Modu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit akım modu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımı ve tiple örnek arasındaki
mesafe
• Tünelleme akımı, tiple örnek arasındaki uzaklığa bağlı olarak
eksponansiyel bir şekilde değişir.
Burada V iletkenler arasındaki potansiyel farkı, C iletkenlerin
bileşimine bağlı bir sabit, d ise tipteki en alt (numuneye en
yakın) atom ile numunedeki en yüksek (tipe en yakın) atom
arasındaki uzaklıktır.
Şayet aradaki mesafe artarsa tünelleme akımı (It)
eksponansiyel (üstel) bir şekilde azalacaktır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobunun en
önemli parçası tiplerdir
• STM çalışmalarında kullanılan 0,25 mm çaplı bir Pt-Ir tipinin
yakından görünümü.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobunun en
önemli parçası tiplerdir
• Tünelleme tipi, taramalı tünelleme mikroskobunun en önemli
parçası olup, tipin ucu tek bir metal atomu ile sınırlı
olduğunda en iyi görüntüler elde edilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobunun en
önemli parçası tiplerdir
•
•
Tipler önceleri platin/iridyum telleri keserek veya tungsten metalini
elektrokimyasal olarak aşındırarak elde ediliyordu.
Şimdilerde ise Pt/Ir tellerin elektrokimyasal olarak aşındırılmasıyla çok
net çözünürlük kabiliyetine sahip tipler elde edilmektedir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM sistemi ve iğnesinin (tip) görünüşü
Prof.Dr. İbrahim USLU
Hava boşluğu kalınlığı ve tünelleme akımının
değişimi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kaba yaklaştırma mekanizması
• Kaba yaklaşım mekanizması, örnek ile tarama ucu
arasındaki ön yaklaştırmayı sağlamaktadır.
• Bu mekanizma; vidalı, motorlu veya manyetik sistemlerle
yapılabilir.
• Genellikle örneğin yerleştirilmesi, değiştirilmesi veya tarama
ucu değişimi esnasında kullanılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kaba Yaklaştırma Mekanizması
Prof.Dr. İbrahim USLU
İnce yaklaştırma mekanizması
• İnce yaklaştırma mekanizması ise tünel akımı başlayana
kadar örneğin tarama ucuna yaklaştırılmasını sağlar ve
angstrom mertebesinde olan bu mesafe uygulanan ön
gerilim ve örneğin cinsine göre değişir.
• Bu mekanizmayı oluşturmak için sıklıkla mikro hareket
ettiriciler veya çok hassas step motorlar kullanılır.
• İnce yaklaştırma mekanizması tarama ucunu örneğe
yeterince yaklaştırdığında tünel akımı başlar ve tarama
kafası devreye girerek taramayı başlatır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tarama kafası
• Tarama kafası genellikle silindirik tüp, kare veya pul
şeklindeki piezoelektrik seramiklerle yapılır ve uygulanan
gerilime göre birkaç nanometreden birkaç mikrometreye
kadar tarama yapabilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Elektronik aksamı
•
•
•
Elektronik aksamı, oluşan tünel akımını kontrol ederek uç ile örnek arasındaki
mesafeyi bir geri besleme devresi ile ayarlar ve aynı zamanda yükseltilen tünel akımı
görüntüleme sistemine gönderilir.
Gözlenen tünel akımı bir bilgisayar aracılığı ile kaydedilip işlenerek yüzeyin üç
boyutlu tomografisi elde edilir.
Görüntü sistemi olarak başka bir yöntem ise tünel akımını gösterebilecek osiloskop
gibi bir görüntüleme cihazı kullanılabilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM’in dezavantajı
• Yalıtkan olan yüzeylerin, bu teknikle incelenememesi STM
için en önemli dezavantajdır.
• STM ile ancak iletken ve yarıiletken yüzeylerin atomik veya
morfolojik yapısını incelenebilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM)
• Yine Binnig ve grubu tarafından bulunan (Binnig et al. 1986)
atomik kuvvet mikroskobu da STM gibi bir yüzeyin
özelliklerini inceleme olanağı sağlar.
• STM tekniğinin aksine burada kullanılacak numuneler iletken
olmak zorunda değildir.
• Dolayısıyla AFM iletken olmayan numunelere de
uygulanabilir.
• AFM sayesinde hemen hemen her türlü numune yüzeyi
hakkında morfolojik bilgi almak mümkündür.
• Fakat AFM, STM’e kıyasla daha düşük çözünürlüğe sahiptir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM-STM Farkı
• AFM örnek yüzeyini algılama metodu bakımından STM’den
farklıdır. AFM tipi ile örnek arasında akım değil,
elektrostatik, van der walls, sürtünme ve magnetik
kuvvet gibi güçler söz konusudur.
• Bundan dolayı AFM sayesinde her türlü örnek incelenebilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Ulusal Nanoteknoloji Merkezi
AFM Cihazı
Prof.Dr. İbrahim USLU
UNAM AFM Cihazı
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM Çalışması
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımının yerine atomik
kuvvet
• Taramalı Tünelleme Mikroskopları'nda (TTM)
tünelleme akımı sayesinde görüntüler
oluşturuluyordu.
• Atomik Kuvvet Mikroskobu'nda ise tünelleme
akımının yerini atomik kuvvet alıyor.
Prof.Dr. İbrahim USLU
İtici ve Çekici Mod
• Atomik kuvveti ise manivelanın ucundaki atom ile yüzeydeki
atom arasındaki kuvvet şeklinde tanımlayabiliriz.
• Mikroskobun iki modu var: itici, çekici.
• Manivela ile yüzey arasında eğer uzaklık çok fazla ise yüzey
manivelayı çeker, bu çekici moddur.
• Çekici modda iken manivela ve yüzey arası uzaklık 10-100
Angström arasıdır, atomik kuvvet değeri ise 10-12 Newtondur.
Eğer uzaklık 10 Angströmden az ise, itici moda geçilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM
•
•
•
•
•
Manivela ve dolayısıyla sivri uç
biraz eğilmiş.
İşte bu eğilme miktarına göre
atomik kuvvet ölçülür.
Manivelayı bir yay gibi
düşünebiliriz, lise fiziğinden
biliyoruz ki yay sabiti ne kadar
düşükse yay o kadar hassastır.
Mikroskobun hassas olması için
kullanılan manivelaların da düşük
yay sabitine sahip olması lazımdır.
En fazla kullanılan malzemeler
silikon, silikon oksit, silikon
nitritdir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tip
Prof.Dr. İbrahim USLU
Manivela (kentilever)
• Bu sistemde kuvvete karşı duyarlı bir ucu iğneli (tip) denge
çubuğu numune üzerinde raster düzeninde tarama yapar.
AFM’de silisyum, silisyumoksit veya silisyumnitrürden
yapılmış keskin bir tip (iğne), genellikle silisyum oksitten
yapılan manivela (kentilever) adı verilen ve belli bir kuvvet
sabitine sahip denge çubuğuna bağlanmıştır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Yüzey Morfolojisi Tespiti
• Tip yüzeye yaklaştırıldığında, tip ile yüzey arasında yukarıda
bahsedilen güçlerin oluşumu nedeniyle denge çubuğunda
küçük oynamalar olur ve bu oynamaların optik araçlarla
ölçülmesi ile yüzey morfolojisi tespit edilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Eğilme miktarı nasıl ölçülür?
• Eğilme miktarının
ölçülmesinde optik metodlar
kullanılmaktadır
• Bu yöntemde manivelanın üstü
bir metalle kaplanır ve ayna
haline getirilir. Daha sonra
lazerden demetler gönderilir.
Yansıyan demetler iki
fotodiyottan oluşan bir sisteme
çarpar.
• Eğer manivelanın konumu
değişmiş ise bir diyot daha
fazla akım üretir, akımdaki bu
değişime göre manivelanın
sapma değeri belirlenir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tarama
Prof.Dr. İbrahim USLU
Denge Çubuğu (manivela) ve TİP
• Bir atomik kuvvet mikroskobun performansı denge
çubuğunun ve ucun fiziksel niteliklerine bağlıdır.
• Denge çubukları oldukça küçük ve hassas parçalardır.
• Denge çubukları yaklaşık olarak on, yirmi mikrometre
uzunluğunda, on mikrometreden daha az genişlikte ve
yaklaşık bir mikrometre kalınlığındadır.
• Piramit veya konik şekilli uçların yüksekliği ve taban genişliği
birkaç mikrometredir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kontak mod ile çalışma
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kontak AFM modu ile çalışma
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tap modu ile – Kontaksız (yüzey teması
olmadan) Çalışma
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tap Mod
• Denge çubuğunun yüzeyi taraması tipin sürekli olarak
yüzeyle teması ile mümkündür. Ancak bu durumda yüzeyin
hasar görmesi ve görüntünün bozulması kaçınılmaz olur.
• Bunu önlemek için tip yüzeye sadece çok kısa sürelerle
periyodik olarak temas edip sonra tekrar yüzeyden uzaklaşır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kontak ve Tap Yöntemleri
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM ve AFM arasındaki farklar
Prof.Dr. İbrahim USLU
Manyetik Kuvvet Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Faz Değişimi tespit edebilen
mikroskoplar
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı Termal Mikroskop
Prof.Dr. İbrahim USLU
Piezoelektrik Kuvvet Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Manyetik Kuvvet Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Yatay Kuvvet tespit Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tek bir Au kristalinin AFM görüntüsü
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM’nin TTM'ye göre avantajları
• - Görüntüleme kuvvete bağlı olduğundan, mikroskop hem
iletken hem de yalıtkan yüzeylerde kullanılabilir.
• TTM'lerde görüntü akıma bağlı olduğundan , sadece iletken
yüzeylerden görüntü alınabiliyordu.
• Sübstratın 3 boyutlu profilini gösterir. TTM ise 2 boyutlu
profiini gösterebilir.
• Daha ucuzdur.
• Açıkhavada ve sıvı ortamda çalışabilir, TTM vakumlu
ortamda çalışabilir. Bu yüzden biyolojik sübstratlarda AKM
kullanılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM’nin TTM'ye göre dezavantajları
• Daha yavaştır.
• Resim büyüklüğü maksimum 150 x 150 olabilir. TTM'de ise
milimetre uzunluğunda ve genişliğinde resimler elde
edilebilir.
• Dikey menzili kısıtlıdır. Çok yüksek yüzeyler taranamaz.
• Çözünürlüğü daha düşüktür.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Uygulama Alanları
• Görüntüleme - Yüzeylerin topografik görüntüleri oluşturulur.
• Hissetme - Bazı malzemelerin ortamda olup olmadığını
anlamaya yardımcı olur.
• Atom yer değiştirmesi - Yüzeydeki atomların yerleri ile
oynanabilir.
• Ölçme - Malzemenin karakteristik bir özellikleri hakkında bilgi
toplama.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM)
Prof.Dr. İbrahim USLU
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı Tünelleme Mikroskobu
Scanning Tunneling Microscope (STM)
• 1982’de taramalı tünelleme mikroskobunun (STM) keşfiyle
(Binnig et al. 1982) yoğunlaşan çalışmalar sonucunda, 1990
yılının başlarında detaylı cihazlar piyasaya sürülmeye
başlamıştır.
• Taramalı Tünelleme Mikroskopu), çekirdek çevresindeki
elektron bulutunun üç boyutlu haritasını çıkaran bir elektron
mikroskopudur.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM görüntüleri
• Tek bir atoma odaklanıp onu resmedebilen bu teknik, aynı
zamanda yüzey kimyası için ve organik moleküllerin yapısını
aydınlatmak için kullanılmaktadır. Örneğin DNA molekülünün
yapısı bu teknikle incelenmiştir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM ile görüntülenmiş
bakır yüzey üzerinde demir atomları
Prof.Dr. İbrahim USLU
Bakır yüzey üzerinde 48 demir atomu
dairesel düzende
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM atomik yapılarının ve elektronik hallerinin
belirlenmesini sağlar
• STM, iletken bir katı yüzeyin özelliklerini atomik boyutta
inceleme imkanı sağlar.
• İncelenen yüzeyin atomik yapılarının ve elektronik hallerinin
belirlenmesinde oldukça önemli bir tekniktir.
• Yüzeyler STM’in sahip olduğu yüksek rezülüsyon (0,1 Ǻ)
sayesinde atomik boyutta görüntülenebilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme
• STM’in temelini kuantum tünelleme teorisi oluşturur.
• Kuantum tünelleme teorisine göre bir elektronun enerjisi
kendi toplam enerjisini aştığı zaman klasik fiziğe göre
imkansız olan bölgeleri delip geçebilir. Yani tünelleme
yapabilir.
• Başka bir değişle iki iletken birbirine 10 Ǻ veya daha fazla
yaklaştırılıp aralarında bir potansiyel farkı oluşturulursa
elektronların bu iki iletken arasındaki potansiyel engelinden
tünelleme yapma olasılığı ortaya çıkar.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
• Dalga-Parçacık ikilemliğine göre böyle bir ortamda dalgaların
tünel açtığı gibi elektronlarda tünel halinde dalgalar şeklinde
yayılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme Etkisi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünel Akımı Güçlendirici ve verilerin
toplanması ve görüntülenmesi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımının oluşumu
• Atomik boyutta tip (iğne) olarak adlandırılan çok sivri bir
metal uç incelenecek yüzeye mekanik bir sistem yardımıyla
bir d mesafesinde (1-10 Ǻ) yaklaştırılıp potansiyel fark
uygulanırsa, tip ve yüzeyin dalga fonksiyonları üst üste
çakışır ve elektronlar tipten yüzeye veya yüzeyden tipe
atlamasıyla, tünelleme akımı olarak adlandırılan bir akım
oluşur.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımının yönü
• Akımın yönü uygulanan potansiyelin işaretine bağlıdır.
• Eğer numune negatif yüklü ise elektronlar numunenin dolu
orbitalinden tipin boş orbitaline geçecektir.
• Buradaki akım çok küçük olup nA seviyesindedir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM Çalışma Prensibi
•
•
Aralarında çok küçük bir mesafe (birkaç Å) bulunan örnek ve tip (uç)
arasında bir öngerilim oluşturulduğunda, kuantum tünellemeden dolayı
örnekten tipe veya tipten örneğe elektron geçişi olur ki bu da picoamper
mertebesinde bir tünel akımına karşılık gelir.
Örnek yüzeyi üzerinde tip tarama yaparken oluşan bu tünel akımı ölçülür
ve bu akım örnek ile uç arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olduğundan
yüzey tomografisi elde edilmesinde kullanılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit Akım ve Sabit Yükseklik Modu
• Bu işlem iki şekilde yapılabilir. Birincisi sabit akım, ikincisi
ise sabit yükseklik modudur.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit Akım ve Sabit Yükseklik Modu
• Sabit akım modunda tipin yüksekliğini ayarlayarak akımı
sabit tutan geri besleme devresi sayesinde akım sabit
tutularak tip yüzey üzerinde hareket ettirilir. Bu esnada tipin
yüksekliğinde meydana gelen değişmeler kaydedilerek
görüntü oluşturulur.
• Sabit yükseklik modunda ise tip yüzeye yaklaştırıldıktan
sonra uzaklık sabit tutulur ve tip yüzeyde hareket
ettirilirken akım ölçülür. Ölçülen akıma bağlı olarak
görüntü elde edilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit Yükseklik Modu
• Sabit
Yüksekli
Modu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Sabit akım modu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımı ve tiple örnek arasındaki
mesafe
• Tünelleme akımı, tiple örnek arasındaki uzaklığa bağlı olarak
eksponansiyel bir şekilde değişir.
Burada V iletkenler arasındaki potansiyel farkı, C iletkenlerin
bileşimine bağlı bir sabit, d ise tipteki en alt (numuneye en
yakın) atom ile numunedeki en yüksek (tipe en yakın) atom
arasındaki uzaklıktır.
Şayet aradaki mesafe artarsa tünelleme akımı (It)
eksponansiyel (üstel) bir şekilde azalacaktır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobunun en
önemli parçası tiplerdir
• STM çalışmalarında kullanılan 0,25 mm çaplı bir Pt-Ir tipinin
yakından görünümü.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobunun en
önemli parçası tiplerdir
• Tünelleme tipi, taramalı tünelleme mikroskobunun en önemli
parçası olup, tipin ucu tek bir metal atomu ile sınırlı
olduğunda en iyi görüntüler elde edilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı tünelleme mikroskobunun en
önemli parçası tiplerdir
•
•
Tipler önceleri platin/iridyum telleri keserek veya tungsten metalini
elektrokimyasal olarak aşındırarak elde ediliyordu.
Şimdilerde ise Pt/Ir tellerin elektrokimyasal olarak aşındırılmasıyla çok
net çözünürlük kabiliyetine sahip tipler elde edilmektedir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM sistemi ve iğnesinin (tip) görünüşü
Prof.Dr. İbrahim USLU
Hava boşluğu kalınlığı ve tünelleme akımının
değişimi
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kaba yaklaştırma mekanizması
• Kaba yaklaşım mekanizması, örnek ile tarama ucu
arasındaki ön yaklaştırmayı sağlamaktadır.
• Bu mekanizma; vidalı, motorlu veya manyetik sistemlerle
yapılabilir.
• Genellikle örneğin yerleştirilmesi, değiştirilmesi veya tarama
ucu değişimi esnasında kullanılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kaba Yaklaştırma Mekanizması
Prof.Dr. İbrahim USLU
İnce yaklaştırma mekanizması
• İnce yaklaştırma mekanizması ise tünel akımı başlayana
kadar örneğin tarama ucuna yaklaştırılmasını sağlar ve
angstrom mertebesinde olan bu mesafe uygulanan ön
gerilim ve örneğin cinsine göre değişir.
• Bu mekanizmayı oluşturmak için sıklıkla mikro hareket
ettiriciler veya çok hassas step motorlar kullanılır.
• İnce yaklaştırma mekanizması tarama ucunu örneğe
yeterince yaklaştırdığında tünel akımı başlar ve tarama
kafası devreye girerek taramayı başlatır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tarama kafası
• Tarama kafası genellikle silindirik tüp, kare veya pul
şeklindeki piezoelektrik seramiklerle yapılır ve uygulanan
gerilime göre birkaç nanometreden birkaç mikrometreye
kadar tarama yapabilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Elektronik aksamı
•
•
•
Elektronik aksamı, oluşan tünel akımını kontrol ederek uç ile örnek arasındaki
mesafeyi bir geri besleme devresi ile ayarlar ve aynı zamanda yükseltilen tünel akımı
görüntüleme sistemine gönderilir.
Gözlenen tünel akımı bir bilgisayar aracılığı ile kaydedilip işlenerek yüzeyin üç
boyutlu tomografisi elde edilir.
Görüntü sistemi olarak başka bir yöntem ise tünel akımını gösterebilecek osiloskop
gibi bir görüntüleme cihazı kullanılabilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM’in dezavantajı
• Yalıtkan olan yüzeylerin, bu teknikle incelenememesi STM
için en önemli dezavantajdır.
• STM ile ancak iletken ve yarıiletken yüzeylerin atomik veya
morfolojik yapısını incelenebilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM)
• Yine Binnig ve grubu tarafından bulunan (Binnig et al. 1986)
atomik kuvvet mikroskobu da STM gibi bir yüzeyin
özelliklerini inceleme olanağı sağlar.
• STM tekniğinin aksine burada kullanılacak numuneler iletken
olmak zorunda değildir.
• Dolayısıyla AFM iletken olmayan numunelere de
uygulanabilir.
• AFM sayesinde hemen hemen her türlü numune yüzeyi
hakkında morfolojik bilgi almak mümkündür.
• Fakat AFM, STM’e kıyasla daha düşük çözünürlüğe sahiptir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM-STM Farkı
• AFM örnek yüzeyini algılama metodu bakımından STM’den
farklıdır. AFM tipi ile örnek arasında akım değil,
elektrostatik, van der walls, sürtünme ve magnetik
kuvvet gibi güçler söz konusudur.
• Bundan dolayı AFM sayesinde her türlü örnek incelenebilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Ulusal Nanoteknoloji Merkezi
AFM Cihazı
Prof.Dr. İbrahim USLU
UNAM AFM Cihazı
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM Çalışması
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tünelleme akımının yerine atomik
kuvvet
• Taramalı Tünelleme Mikroskopları'nda (TTM)
tünelleme akımı sayesinde görüntüler
oluşturuluyordu.
• Atomik Kuvvet Mikroskobu'nda ise tünelleme
akımının yerini atomik kuvvet alıyor.
Prof.Dr. İbrahim USLU
İtici ve Çekici Mod
• Atomik kuvveti ise manivelanın ucundaki atom ile yüzeydeki
atom arasındaki kuvvet şeklinde tanımlayabiliriz.
• Mikroskobun iki modu var: itici, çekici.
• Manivela ile yüzey arasında eğer uzaklık çok fazla ise yüzey
manivelayı çeker, bu çekici moddur.
• Çekici modda iken manivela ve yüzey arası uzaklık 10-100
Angström arasıdır, atomik kuvvet değeri ise 10-12 Newtondur.
Eğer uzaklık 10 Angströmden az ise, itici moda geçilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM
•
•
•
•
•
Manivela ve dolayısıyla sivri uç
biraz eğilmiş.
İşte bu eğilme miktarına göre
atomik kuvvet ölçülür.
Manivelayı bir yay gibi
düşünebiliriz, lise fiziğinden
biliyoruz ki yay sabiti ne kadar
düşükse yay o kadar hassastır.
Mikroskobun hassas olması için
kullanılan manivelaların da düşük
yay sabitine sahip olması lazımdır.
En fazla kullanılan malzemeler
silikon, silikon oksit, silikon
nitritdir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tip
Prof.Dr. İbrahim USLU
Manivela (kentilever)
• Bu sistemde kuvvete karşı duyarlı bir ucu iğneli (tip) denge
çubuğu numune üzerinde raster düzeninde tarama yapar.
AFM’de silisyum, silisyumoksit veya silisyumnitrürden
yapılmış keskin bir tip (iğne), genellikle silisyum oksitten
yapılan manivela (kentilever) adı verilen ve belli bir kuvvet
sabitine sahip denge çubuğuna bağlanmıştır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Yüzey Morfolojisi Tespiti
• Tip yüzeye yaklaştırıldığında, tip ile yüzey arasında yukarıda
bahsedilen güçlerin oluşumu nedeniyle denge çubuğunda
küçük oynamalar olur ve bu oynamaların optik araçlarla
ölçülmesi ile yüzey morfolojisi tespit edilir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Eğilme miktarı nasıl ölçülür?
• Eğilme miktarının
ölçülmesinde optik metodlar
kullanılmaktadır
• Bu yöntemde manivelanın üstü
bir metalle kaplanır ve ayna
haline getirilir. Daha sonra
lazerden demetler gönderilir.
Yansıyan demetler iki
fotodiyottan oluşan bir sisteme
çarpar.
• Eğer manivelanın konumu
değişmiş ise bir diyot daha
fazla akım üretir, akımdaki bu
değişime göre manivelanın
sapma değeri belirlenir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tarama
Prof.Dr. İbrahim USLU
Denge Çubuğu (manivela) ve TİP
• Bir atomik kuvvet mikroskobun performansı denge
çubuğunun ve ucun fiziksel niteliklerine bağlıdır.
• Denge çubukları oldukça küçük ve hassas parçalardır.
• Denge çubukları yaklaşık olarak on, yirmi mikrometre
uzunluğunda, on mikrometreden daha az genişlikte ve
yaklaşık bir mikrometre kalınlığındadır.
• Piramit veya konik şekilli uçların yüksekliği ve taban genişliği
birkaç mikrometredir.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kontak mod ile çalışma
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kontak AFM modu ile çalışma
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tap modu ile – Kontaksız (yüzey teması
olmadan) Çalışma
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tap Mod
• Denge çubuğunun yüzeyi taraması tipin sürekli olarak
yüzeyle teması ile mümkündür. Ancak bu durumda yüzeyin
hasar görmesi ve görüntünün bozulması kaçınılmaz olur.
• Bunu önlemek için tip yüzeye sadece çok kısa sürelerle
periyodik olarak temas edip sonra tekrar yüzeyden uzaklaşır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Kontak ve Tap Yöntemleri
Prof.Dr. İbrahim USLU
STM ve AFM arasındaki farklar
Prof.Dr. İbrahim USLU
Manyetik Kuvvet Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Faz Değişimi tespit edebilen
mikroskoplar
Prof.Dr. İbrahim USLU
Taramalı Termal Mikroskop
Prof.Dr. İbrahim USLU
Piezoelektrik Kuvvet Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Manyetik Kuvvet Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Yatay Kuvvet tespit Mikroskobu
Prof.Dr. İbrahim USLU
Tek bir Au kristalinin AFM görüntüsü
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM’nin TTM'ye göre avantajları
• - Görüntüleme kuvvete bağlı olduğundan, mikroskop hem
iletken hem de yalıtkan yüzeylerde kullanılabilir.
• TTM'lerde görüntü akıma bağlı olduğundan , sadece iletken
yüzeylerden görüntü alınabiliyordu.
• Sübstratın 3 boyutlu profilini gösterir. TTM ise 2 boyutlu
profiini gösterebilir.
• Daha ucuzdur.
• Açıkhavada ve sıvı ortamda çalışabilir, TTM vakumlu
ortamda çalışabilir. Bu yüzden biyolojik sübstratlarda AKM
kullanılır.
Prof.Dr. İbrahim USLU
AFM’nin TTM'ye göre dezavantajları
• Daha yavaştır.
• Resim büyüklüğü maksimum 150 x 150 olabilir. TTM'de ise
milimetre uzunluğunda ve genişliğinde resimler elde
edilebilir.
• Dikey menzili kısıtlıdır. Çok yüksek yüzeyler taranamaz.
• Çözünürlüğü daha düşüktür.
Prof.Dr. İbrahim USLU
Uygulama Alanları
• Görüntüleme - Yüzeylerin topografik görüntüleri oluşturulur.
• Hissetme - Bazı malzemelerin ortamda olup olmadığını
anlamaya yardımcı olur.
• Atom yer değiştirmesi - Yüzeydeki atomların yerleri ile
oynanabilir.
• Ölçme - Malzemenin karakteristik bir özellikleri hakkında bilgi
toplama.
Prof.Dr. İbrahim USLU