6.2.5.1. Bevezetés

Alagút-spektroszkópiának azt a módszert nevezzük, amely során az alagútátmenetek feszültség-áram karakterisztikájának változásából nyerünk információt. Felvilágosítást kapunk az elektródák sávszerkezetéről, adott energián az állapotsűrűségről, ill. rugalmatlan alagút-spektroszkópia esetén magáról a szigetelőről. Ez az eljárás már régóta ismert, és MIM, MIS, stb. átmenetek globális tulajdonságainak vizsgálatára széles körben alkalmazták

1971-ben az MVM átmenetek megfigyelése során megszületett a topografiner, amely már alkalmas volt fémfelületek topográfiájának mérésére is. Ez a berendezés téremissziós mikroszkóp tűjét mozgatta piezoelemekkel a minta felületétől néhányszor tíz nm távolságban. A berendezés felbontása 3,0 nm a felületre merőleges Z irányban, a felület síkjában pedig (laterális felbontás) 400 nm.

Tíz évvel a topografiner megalkotását követően mind a piezoelemek fejlettsége, mind a számítógépes adatgyűjtés, mérésvezérlés, mind pedig a kis (nm-nél kisebb) szonda (tű) - minta távolság stabilizálásához szükséges rezgésmentesítési technika készen állott ahhoz, hogy Binnig, Rohrer és társai megalkossák a pásztázó alagútmikroszkópot (STM). Ennek a berendezésnek mélységi és laterális felbontása minden eddigi eszköz hasonló tulajdonságát felülmúlta, a planáris alagútspektroszkópia módszerét pedig lokális technikává fejlesztette. Ezért az elmúlt években a felületfizika nélkülözhetetlen eszközévé vált. Nem lehet azonban eleget hangsúlyozni, hogy az STM (és a többi, alább ismertetendő pásztázószondás módszer) önmagában nem ad teljes értékű információkat, ezeket ki kell egészíteni egyéb felületvizsgálatokkal is (Auger-spektroszkópia, LEED, stb). Ennek oka elsősorban a korlátozott pásztázási tartományban keresendő: az x-y síkban 150 µm, z irányban pedig 4-5 µm tekinthető maximálisnak. Ezenkívül a fent említett egyedülálló feloldás csak atomilag sík felületen érhető el, "hullámos" felületen nemcsak a feloldás romlik, hanem különböző, mérés okozta mesterséges alakzatok lépnek fel.

6.2.5.2. Pásztázószondás módszerek áttekintése

[6.30.,6.31.,6.32.]

Az alábbiakban felsorolunk néhány pásztázószondás módszert azzal a megjegyzéssel, hogy az irodalom ezekre a módszerekre SPM (Scanning Probe Microscopy - PásztázóSzondás Mikroszkópia) vagy SXM (ahol az X azt fejezi ki, hogy tetszőleges szonda helyettesítheti az STM szondát) néven hivatkozik. Az STM technikai megvalósítása ugyanis szinte magától értetődően vezetett hasonló elven működő berendezések kifejlesztésére, hiszen ha egy fémtűvel rendkívül finoman tudjuk pásztázni a mintát, akkor ezzel a módszerrel más fajta szondát is mozgathatunk. A kérdésfelvetés azért volt jelentős, mert STM-mel csak fémek, félvezetők, szupravezetők felületét tudjuk vizsgálni, de pl. azok mágneses tulajdonságait közvetlenül nem. A szigetelők felülete más módon sem vizsgálható STM-mel, hiszen az elektronmikroszkópiában ismert replika-módszer olymértékben módosíthatja a felületet, hogy éppen az érdekes részletek vesznek el. Alig öt évvel az STM megjelenése után megszületett a pásztázó atomi erőmikroszkóp, majd utána viharos gyorsasággal követték egymást a pásztázószondás berendezések, amelyek mindegyike a minta és szonda között fellépő kölcsönhatások közül egyet kiemelve a felület más-más tulajdonságát képes atomi léptékben, vagy a korábbiakhoz képest hatalmas nagyításban megjeleníteni. Az alábbiakban ezek közül sorolunk fel néhányat.

Atomi erőmikroszkóp (Atomic Force Microscope, AFM) Az alagútáramot vezető tűt gyémántheggyel ellátott apró rugó helyettesíti. A rugó lehajlását különböző módon regisztrálhatjuk. Így a vizsgált felület szigetelő is lehet, hiszen ez a technika a felületet a szó szoros értelmében letapogatja. A mikroszkóp szondáját a minta felülete és a tűhegy között ébredő molekuláris- vagy atomi erők tartják a felület felett, innen származik a név. Ezzel a típussal a későbbiekben részletesen foglalkozunk.

Mágneses erőmikroszkóp (Magnetic Force Microscope, MFM) Az AFM szondáját mágneses anyagból készítik, vagy mágneses anyaggal vonják be. A mágnesezettség változását érzékeli, ezért a doménszerkezet vizsgálatára alkalmas. Mivel a hosszú hatótávolságú mágneses erők az elemi dipólok doménszerű elrendeződése miatt nem árnyékolódnak le úgy mint a van der Waals erők, az MFM a krisztallit-szerű domén-szerkezet vizsgálatára alkalmas, de a doménfalak szerkezetét nem lehet vizsgálni vele, mert az közel atomi felodást igényel.

Spinpolarizált STM (SPSTM). Atomi felbontást lehet elérni mágneses anyagok vizsgálatakor, ha kihasználjuk, hogy a szonda, ill. a minta vezetési elektronjainak spinállapota ellentétes irányítású. Ebben az esetben az azonos spinállapotú elektronok adott előfeszítés esetén nem juthatnak át a másik elektródára. Az előfeszítés előjelét megváltoztatva mért áram, valamint az előző esetben mért áram különbségét mérve atomi felbontást kaphatunk.

Pásztázó termikus profilométer (Scanning Thermal Profiler, STP) Egy 100 nm csúcsméretű elektromos árammal fűtött termopárt a felület felett pásztázva mérik a csúcs termofeszültségét. A csúcs hővesztesége függ a felület közelségétől, igy az STM-hez hasonló visszaszabályozással domborzati képek készíthetők az elektromos vezetőképességtől függetlenül.

Pásztázó optikai közeltérmikroszkóp (Scanning Near-field Optical Microscope, SNOM) A fény hullámhosszánál kisebb átmérőjű üvegszál végét STM pásztázza a minta felületéhez olyan közel, hogy távoltér diffrakciós effektusok nem jelentkeznek. Ily módon a térbeli optikai felbontást a diffrakció nem, csupán a szonda mérete (szokásos apertura 100 nm) korlátozza. Így a SEM felbontásával összemérhető térbeli feloldást, de az optikai technika alkalmazása folytán információban gazdagabb képeket nyerünk. További előnye a módszernek, hogy a kis aperturának köszönhetően kis, 100 nW nagyságrendű teljesítménnyel is nagy fotonáram érhető el. Elérhető tehát egyetlen molekula érzékelése is az emittált jelek szinte háttérmentes detektálása folytán. A Photon Scanning Tunneling Microscope (PSTM) a közeltér evaneszcens terének exponenciális eltűnését használja ki, amelynek segítségével az effektív törésmutató lokális mérése válik lehetővé.

Ballisztikus alagútmikroszkóp (Ballistic Energy Electron Microscope, BEEM) Vékonyrétegek vizsgálatára szolgáló különleges STM. Ha a vékonyréteg vastagsága kisebb mint az STM tű által a rétegbe injektált elektronok szabad úthossza, akkor az elektronnak a vékonyréteg hordozójába való jutása az elektron réteg-hordozó közti energia-gáton való alagutazásától függ. A tű-áramra visszaszabályozva az STM-et és, a képen a hordozó áramot ábrázolva a hordozó-réteg határfelületet jellemezhetjük.

Pásztázó elektrokémiai mikroszkóp (Scanning ElectroChemical Microscope, SECM) Elektrokémiai cellában kapillárisba helyezett referenciaelektród potenciálja alapján a kémiai potenciál változását térképezi fel.

Pásztázó ionvezetés mikroszkóp (Scanning Ion-Conductance Microscope SICM) Oldat alatt ionos vezetést mér a SECM-hoz hasonló kapillárisban. Az kapilláris száját a minta felületéhez közelítve a a nyílás lezáródik, tehát az ionáram csökken. Az ionáramot mérve STM-hez hasonló letapogatási lehetőséghez jutunk

A fenti, teljesség igénye nélkül felsorolt eszközök különböző kombinációi is egyre nagyobb teret hódítanak, pl. SNOM/AFM, SEM/STM, SEM/AFM, SNOM/PSTM, stb.

6.2.5.3. A pásztázószondás mikroszkópok gyakorlati megvalósítása

Az alábbi általános szempontokat kell figyelembe venni az egyes berendezések gyakorlati megvalósításakor. Gondoskodnunk kell arról, hogy:

· a szonda biztonságosan közelítse meg a mintát (durva közelítés), a szonda a minta felett, annak felületével párhuzamosan megfelelő távolságban, kis lépésekben, biztonságosan pásztázzon (finom mozgatás),

· a mérési adatok megjelenítése,

· és végül, de nem utolsó sorban az egész berendezést meg kell óvnunk a mechanikus és elektromos zajoktól.

A készülék általános elvi felépítését a 6.25.ábra szemlélteti.

A pásztázószondás mikroszkópok mechanikai felépítése rendkívüli precizitást igényel. Az STM-mel, AFM-mel viszonylag könnyen elérhető atomi felbontás azt jelenti, hogy a minta síkjában a szonda mozgatása legalább egy nagyságrenddel pontosabb, mint az atomok néhány tized nm-es távolsága, a mintára merőleges, Z irányú mozgatás pedig a fémek esetében szokásos egy tized - néhány ezred nm-es korrugációs amplitúdó letapogatásához szükséges pontosságot haladja meg. Mindezt lehetőleg mechanikus- és elektromos hiszterézis nélkül kell megvalósítani. Külön problémát jelent, hogy a letapogató szerkezetből az ebbe a nagyságrendbe eső amplitúdójú rezgéseket is száműzni kell. A problémát részben kis fesztávú, rendkívül merev szerkezetek kialakításával, részben különleges, bár nem feltétlenül drága rugós felfüggesztésekkel oldották meg.

A finom mozgatást piezokristályok segítségével valósítják meg, melyek gyártási, és felhasználási technológiája hatalmas fejlődésen ment át ennek következtében.

A durva közelítés feladatának, tehát annak, hogy a tűt biztonsággal juttassuk az alagúttartományba, megoldása vagy a már optikai méréseknél is használatos finom - az STM szempontjából durva - pozicionálók (pl. differenciális mikroorsó) egyike, vagy az ugyancsak piezokerámiából készített inchworm, amely a hernyó mozgását utánozva képes feszültségimpulzusok hatására pl. egy a hossztengelyében levô fémrúdon nanométeres lépésekben akár makroszkopikus méretű távolságokat befutni.

Adatgyűjtéskor a szonda helyzetét megadó (x,y) koordinátákat a piezo X ill. Y feszültségeinek digitalizálásával kapjuk meg, míg a mérés eredménye vagy az adott (x,y)-hoz tartozó, a piezoelem z irányú elmozdításához szükséges Z feszültség (STM) vagy a szonda-minta kölcsönhatás erősségét (egyéb pásztázószondás módszerek) jellemző feszültség. Ezeket az adatokat kell a pásztázás során egyetlen képen megjeleníteni.

A mérések eredményét befolyásolják a vizsgálandó felületre rakódott porszemcsék, oxidréteg, folyadékfilm, stb. Amennyiben felületfizikai vizsgálatokat akarunk végezni, a lehető legtisztább körülményeket kell biztosítanunk a pásztázószondás mérés végrehajtásakor, ez pedig igen költséges berendezést, UHV környezetet (a mérőkamrában a vákuum értéke jobb mint 10^-81 Pa [10^-10 torr]) igényel. A szokásos UHV-kamráktól a pásztázószondás mérések igényeinek megfelelő UHV rendszerek szükségképp abban térnek el, hogy a mérés ideje alatt forgó, rezgésforrásnak tekinthető szivattyúk nem működhetnek. Mivel felületvizsgálatok esetén a pásztázószondás módszerek eredményét más felületvizsgálati módszerrel is ellenőrizni szokás, biztosítani kell azt, hogy a minta az átvitel közben el ne szennyeződhessen, továbbá a mintát és a szondát a mérések előtt célszerű tisztítani, a 6.27. ábrán látható blokkvázlaton bemutatott rendszert igyekszik valamennyi alapkutatással foglalkozó pásztázószondás laboratórium megvalósítani:

6.27. ábra

6.2.5.3.1. Szondák előállítása

STM esetén az ideális szonda egyetlen atomban végződő fémtű. Ennek előállítása igen költséges és időigényes. Ezért általában ezt az eljárást mellőzik. Ehelyett szokásos módon kémiailag maratott W-tűt viszünk a kamrába, ahol elektromosan kifűtjük (esetleg nemesgázzal bombázzuk), majd következik a próba: sikerült-e jó tűt gyártani. Ennek egyik módja, hogy megnézzük, kapunk-e atomi felbontást. Ennél gyakoribb eljárás, hogy ellenőrizzük az alagútáram exponenciális távolságfüggését. Amennyiben nem sikerült jó tűt készíteni, akkor pl. nagy feszültség-lökéssel megkísérelhetjük javítani a tű minőségét.

Atmoszférikus körülmények közt végzett mérésekkor általában Pt vagy PtIr tűvel dolgozunk, amelyet egyszerűen megfelelő, kis átmérőjű huzalból ollóval vágunk le. Ezt az eljárást az teszi jogossá, hogy az így kapott bonyolult törési felületen számos mikrotű alakul ki, amelyek egyike jó esetben az egyatomos tű szerepét veszi át. Ellenőrzésképpen ismert felületen, (pl. HOPG = Highly Oriented Pyrolitic Graphite) frissen hasított felületén próbamérést végzünk. Az így előállított tű esetében persze jóval gyakrabban áll fenn annak a veszélye, hogy pásztázás közben a minta domborzatának megfelelően egy másik mikrotű veszi át a szonda szerepét, vagy egyidejűleg két mikrotű is bekapcsolódik. Az előbbi esetben a felvételen drasztikus változást látunk, az utóbbiban pedig szellemkép alakul ki.

AFM esetén egy cantileverre helyezett szonda és a minta közti erőhatást mérjük. A cantilever-szonda együttes legelterjedtebb, mikroelektronikai technológiát hasznosító előállítási módja következő: A Si (100) orientációjú szelet felületét oxidálják, majd a SiO₂ védőrétegbe 3*3 mm méretű ablakokat nyitnak standard IC gyártási eljárással. Az ablakokon keresztül a szilíciumot kimarják: piramis alakú lyukak keletkeznek (111) orientációjú határoló felületekkel. A SiO₂ réteget eltávolítják, és Si₃N₄ filmet választanak le a Si szelet felszínére, amely követi a lyukak gúla alakját. Galvanikusan üveget kötnek a nitrid réteghez, de az üveg leendő cantilever feletti részét krómmal maszkolják, hogy a két réteg kötését megakadályozzák. Az üveg cantilever feletti részeit levágják a szeletről. Az eredeti Si szeletet lemarják, a cantileverek hátoldalára aranyat párologtatnak, és készen van a hordozóval ellátott cantilever - tű együttes. A gyártási eljárás bonyolultsága magyarázza, hogy csak két gyártó, a Digital Instruments és a Park Scientific Instruments foglakozik  ilyen cantilever-szeletek gyártásával.

6.2.5.3.2. Az AFM megvalósításának különlegességei

Az AFM sokban hasonlít a profilométerekhez, leszámítva azt a különbséget, hogy az AFM-ben mind az erő mind a szonda elmozdulása sokkal kisebb: 10^-8, 10^-11 N, illetve 0.01 nm a konvencionális profilométereknél szokásos 10^-3 - 10^-6 N-nal, illetve 100 nm-rel szemben. A minta felületét az AFM szonda pásztázza, ennek mozgását rögzíti a műszer. A mozgás követésére többféle módszer alakult ki.

Binnig és társai eredetileg lényegében egy STM-et alakítottak át AFM-mé: az STM tű alá szerelték a cantilevert az AFM tűvel, az STM a tű és a cantilever hátoldala közti rést állandó értéken tartotta. Az AFM tű és a cantilever a mintát pásztázva, annak domborzatát követte, így végül az STM kép a (nem vezető) minta domborzatát adta vissza az AFM cantilever és tű közbeiktatásával. Ezt az eljárást később felváltotta a kapacitás módszer. Ekkor a cantilever hátoldala a kondenzátor egyik fegyverzete, és a másik fegyverzet rögzített. Az így kialakított kondenzátor kapacitását tartjuk állandó értéken (az STM gap szerepéhez hasonlóan). Ez a módszer nagyon érzékeny a hőmérséklet változásokra.

A fénymutatós módszer a legegyszerűbb és a legelterjedtebb. Egy lézerdióda fényét a cantilever hátoldalára fókuszálják, és a visszavert sugarat egy négy negyedre osztott fotodetektorba vezetik. A cantilever minden deformációja a négy szegmens jelét megváltoztatja: a lehajlás a felső-alsó párok között okoz különbséget, a csavarodás a jobb-bal párok között.

6.2.5.4. Mérési módszerek

Az STM és az AFM különböző üzemmódokon más- és más információt szolgáltat a vizsgált felületről.

Ha az STM állandó áramú üzemmódban dolgozik, a visszacsatoló hurok a piezoelemen keresztül biztosítja, hogy a tű a minta fölött mindig abban a távolságban legyen, ahol a minta és a tű között folyó alagútáram értéke állandó. A képalkotáskor a tű helyzetét megadó (x,y) koordinátákhoz hozzárendeljük a piezoelem Dz elmozdulásához szükséges feszültséget állandó áram mellett. Ezzel homogén felület esetén topográfiai képet kapunk. A módszer alkalmas arra, hogy képet nyerjünk olyan felületek topográfiájáról, amelyek atomi méretekben nem síkok (pl. lépcsős felületek). Amennyiben ismerjük a piezoelem érzékenységét, a felület domborzati elemeinek mérete (pl. atomi lépcsők magassága) is meghatározható. A módszer hátránya (valamennyi állandó kölcsönhatású üzemmódhoz hasonlóan), hogy a pásztázás sebességét felülről korlátozza a visszacsatoló hurok véges válaszideje.

Az állandó magasságú üzemmód jelentősen megnöveli a pásztázás sebességét. Ekkor ha a visszacsatoló hurok válaszidejét csökkentve vagy a visszacsatolást teljesen kikapcsolva a minta felett állandó magasságon pásztázunk. A tű helyzete függvényében változó alagútáram értékeiből alakítjuk ki a minta topográfiai képét. A topográfiai magasságra vonatkozó információt így nehezebb megkapni, mivel az alagútáram (és általában a kölcsönhatások bármelyikének) távolságfüggése gyakran nem pontosan ismert. Másik hátránya, hogy csupán atomi méretekben síma felületek esetén alkalmazható, hiszen a nagy sebességű pásztázás és a kikapcsolt vagy erősen lelassított visszacsatolás nem nyújt védelmet a tűkatasztrófával szemben (a tű beleverődik a mintába, és akár tönkre is mehet).

AFM esetén a Z-piezo feszültségét a fenti jelekre visszaszabályozva az STM “állandó áramú” üzemmódjához hasonlóan a minta domborzati képét rögzíthetjük, de ennél lényegesen többféle lehetőség van képalkotásra:

· az “állandó erő” (Constant Force) működési módban a cantilever lehajlását állandónak tartjuk a pásztázás során úgy, hogy a tűt és a mintát Z irányban mozgatjuk egymáshoz képest (hasonlóan az STM “állandó áramú” módjához).

· a “lehajlás” (Deflection) üzemmódban a minta és a tű Z irányban egymáshoz képest nem mozog. A cantilever lehajlását, illetve a detektor fent-lent detektorjelének különbségét rögzítjük az adott (x,y) képpontban, az így nyert képből a minta domborzatára tudunk következtetni.

· a "súrlódásos" (Friction) módban a nagyrészt a tű és a minta közötti súrlódás következményének tekinthető jobb-bal detektorjelek különbségét mérjük, amely a cantilever torziójátból származik,

· az ún. “Non Contact” vagy “Tapping” működési módok közös jellemzője, hogy a cantilevert sajátfrekvenciájához közeli frekvencián gerjesztjük, a rezgés amplitúdóját az “állandó erő” módhoz hasonlóan állandó értéken tartjuk és a Z elmozdulást regisztráljuk. A minta - szonda távolság változásával a rezgés kicsatolt energiája változik, (a rezonancia-frekvencia az erő-gradienstől függő mértékben elhangolódik) ami a visszacsatolás nélkül megváltoztatná a rezgés amplitúdóját. A “Non Contact” módban a tű és a minta nem érintkezik, a kölcsönhatás hosszú hatótávolságú erőkkel történik, a “Tapping” módban pedig a tű letapogatja a felületet. A tű mindkét esetben kisebb átlagos erővel terheli a felületet, mint “Contact” módban.

6.2.5.5.Pásztázószondás módszerek a felületvizsgálatban

Az alábbiakban a számos és egyre bővülő lehetőség közül csak néhányat sorolunk fel vázlatosan.

6.2.5.5.1. A pásztázó alagútmikroszkóp (STM) alkalmazásai

Amennyiben fémfelületeket vizsgálunk STM-mel, gyakran tapasztaljuk, hogy teraszok, lépcsők felismerése könnyű feladat, de az egyes teraszokon belül nehezen kaphatunk atomi felbontást. Ez általában rekonstruálatlan fémfelületek esetén van így. Más módszerekkel (pl. atom-felület szórás) végzett kísérletekből tudjuk ugyanis, hogy a rekonstruálatlan fémfelületek korrugációs amplitúdója igen kis érték, < 0,01 nm. Emiatt csak rendkívül érzékeny, nagy laterális és Z-irányú felbontással rendelkező STM alkalmas fémfelületek vizsgálatára. Mivel a tű általában távolabb van a felülettől, mint pl. He-diffrakciós kísérletekben a He klasszikus fordulópontja, az STM-mel kapott felvételek még az atom-felület szóráskísérletekből kapott korrugációs amplitúdó értékeinél is kisebb amplitúdót eredményeznek. Gyakran azonban szorosan illeszkedő nemesfémek és egyszerű lapcentrált köbös fémek atomi léptékben síknak tekinthető (111) síkján olyan atomi felbontást kapunk, amelynek korrugációja nagyobb, mint azt az elektronállapot-sűrűség alapján várhatnánk. Még tisztázásra vár, vajon az erők változása, valamint indukált deformáció és/vagy elektronszerkezeti változások okozzák ezeket a megfigyeléseket.

Félvezető felületek esetén pozitív minta-előfeszítés hatására az eredő alagútáramhoz azok az elektronok adnak járulékot, amelyek a tű betöltött elektronállapotaiból a minta betöltetlen állapotaiba kerülnek. Ennek megfelelően a felvétel közvetlen kapcsolatban van a minta betöltött elektronállapotaival. Negatív feszültségű minta esetén fordított a helyzet, a minta betöltött állapotaiból mennek át az elektronok a tű betöltetlen állapotaiba, így a kép a betöltetlen vagy az üres elektronállapotokkal van kapcsolatban.

Félvezetők esetében tehát akár az állandó áramú, akár az állandó magasságú üzemmódban készítünk topográfiai felvételt, a felvétel nemcsak a felület geometriáját tükrözi vissza.

Spektroszkópiával nyílik lehetőség arra, hogy a felület anyagi összetételéről atomi léptékű információt nyerjünk. A planáris alagútspektroszkópia tapasztalatiból kiindulva az STM esetén szokásos eljárás, hogy a pásztázást megszakítva a felület egy érdekes pontja felett (pl. idegen atom jelenlétére utaló topográfiai felvétel) a visszacsatolást kikapcsolva áram-feszültség-karakterisztikát mérünk. (Lehetséges az is, hogy a pásztázást gyors egymásutánban elvégezzük különböző tű-minta feszültség mellett, majd a kapott képek összevetéséből következtetünk a minta felületén jelenelövő különböző anyagokra.)

Az STM lehetőséget nyújt arra, hogy lokálisan vizsgálhassunk olyan folyamatokat is, amelyek során maga a felület változatlan marad. Ilyen folyamatok pl. az adszorpció, a disszociáció és a felületi diffúzió. A vizsgálatok azokra a kérdésekre próbálnak választ adni, hogy a felület adszorpció- képessége milyen módon határozza meg pl. a katalitikus folyamatokat. Hasonlóképpen izgalmas a nanotechnológia szempontjából is, hiszen bizonyos felületmódosítások kialakításához tisztában kell lennünk azzal, milyen módon adszorbeálódik az idegen atom a felületen.

Fémfelületeken egyedülálló adszorbeált atomok megfigyelése csak igen alacsony hőmérsékleten lehetséges. Ennek oka, hogy az adszorbeált atomok egyrészt igen gyorsan diffundálnak a felületen, másrészt a köztük fellépő vonzó kölcsönhatás következtében szigeteket alkotnak. Így egyelőre kevés berendezés alkalmas arra, hogy egyedülálló adszorbeált atomokat vizsgáljunk fémfelületen. Általában az adszorpió folyamata túl gyors ahhoz, hogy STM-mel megfigyelhető legyen. Az eddigi kísérletek mégis arra utalnak, hogy bizonyos általános következtetések levonhatók (pl. adszorbeátumok preferálják a lépcsőket, valamint teraszokon előzőleg adszorbeált más atomokat).

A felületi diffúzió a legtöbb adszorpciós folyamat és felületi reakció lényeges lépése. Maga a felületi diffúzió viszont gyakran több bonyolult, egymást követő mikroszkopikus folyamatból áll. Az STM mérések lehetőséget nyújtanak arra, hogy ezeket a folyamatokat megkülönböztessük, és így a felületi diffúzióról pontosabb képet alkothassunk. A disszociáció és a felületi diffúzió dinamikus folyamat, mérésüknél felmerül annak a veszélye, hogy az eredményeket a tű és az adszorbeátum közt fellépő elektromos, ill. van der Waals erők meghamisítják.

6.2.5.5.2. Az atomi erőmikroszkóp (AFM) alkalmazási területei

Az AFM vált valamennyi SPM technika közül a legelterjedtebb eszközzé, mivel könnyebben kezelhető mint az STM, ugyanakkor hasonló felbontás érhető el. Három főbb területen alkalmazzuk:

· "egyszerű" anyagvizsgálat, ahol az AFM-et nagyfelbontású mikroszkópként használjuk

· módszertani vizsgálatok, ekkor az AFM eredmények értelmezésén van a hangsúly

· alapkutatási témák, ahol a tudomány határainak bővítését az AFM speciális tulajdonságai teszik lehetővé.

Az egyszerű anyagvizsgálatban az AFM nagy nagyítása, viszonylag nagy “mélységélessége” és hihetetlenül nagy Z irányú feloldása játszik fontos szerepet. Hangsúlyozott szerephez jut amiatt is, hogy az STM-hez hasonlóan, információt csak a minta legfelső atomi síkjáról ad, sőt, ellentétben pl. az elektronmikroszkóppal, annak is csak geometriai, és nem kémiai tulajdonságait “látja”, viszont a vizsgálatokat nem feltétlenül kell vákuumban végezni, mint a hasonló felbontású berendezéseken.

Környezetvédelmi vizsgálatok egyik ága a levegőben szálló porok kiszűrése a levegőből, és azok minősítése, amely lehetővé válik AFM segítségével.

Bevonatok, vékonyrétegek képződése egy hordozóra felvitt vagy a hordozó felületén képződött (nukleálódott) szemcsék növekedésével és összeolvadásával jár. Ez a folyamat játszódik le pl. festékek száradásakor, bevonatok plazmaszórásánál vagy optikai multirétegek (pl. hidegtükrös halogénlámpák tükre) készítésekor.

A vékonyrétegek nemcsak tudományos érdeklődésre tartanak számot, hanem nagy gazdasági jelentőségük van, a különlegesen sima, alacsony súrlódású bevonatokon át a mágneses adatrögzítésig. A vékonyrétegek mechanikai tulajdonságai nem mindig vezethetők le a tömbszerű anyagok tulajdonságaiból, és mérésük nagyon nehéz a minta "alakja" miatt. A réteg tapadása szempontjából viszont a mechanikai tulajdonságok fontosak, hiszen a hordozó és a réteg hőtágulásának, Young-modulusának stb. különbözősége mechanikai feszültséget ébreszt a hordozó és a réteg között, amely feszültség a réteg leválására vagy rongálódására vezethet. Az AFM minden átalakítás nélkül alkalmas a súrlódás tanulmányozására. A minta kis területét viszonylag nagy nyomóerővel sokszor pásztázva vizsgálhatjuk azokat a mikrofolyamatokat, amelyek két felület súrlódásakor játszódnak le, majd nagyobb képet pásztázva láthatjuk a felület változását (kisimulás vagy felérdesedés, anyagleválás stb.). Erre természetesen a “Friction” mód nagyon jó lehetőséget ad. Az AFM-et különleges tűvel és cantileverrel használva keménységméréshez nagyon hasonló lenyomatokat vagy karcokat készíthetünk, és ezzel a vékonyréteg mechanikai tulajdonságát mérhetjük a hordozó hatását kizárva

A tömbszerű anyagok mechanikai tulajdonságai közül a keménységmérés az, amely elméletileg a legkevésbé megalapozott mérési eljárás. Ez a tapasztalati úton kialakult, összehasonlító mérési eljárás nagyon bonyolult rugalmas és rugalmatlan alakváltozással, és talán még bonyolultabb feszültségeloszlással jár. Ezért a kis terheléssel és elmozdulással végzett méréseknek különös jelentőséget ad, hogy rájuk jobban érvényesek a lineáris közelítések, így a nano-keménységmérési, nanodeformációs méréseknek a keménységmérés elmélete szempontjából is nagy jelentősége van.

A nagy felbontáson kívül a kalibrált Z irányú mérés az SPM törésmechanikai, fraktográfiai alkalmazásokban is fontos. Részint a töretfelület csaknem atomi skálájú vizsgálatából a repedés terjedésének elemi lépéseire lehet következtetni pl. fémüvegeknél, vagy a fárasztási kísérletek során a minta polírozott oldallapjának érdesség változása a különböző csúszási rendszerek aktivitására enged következtetni. Hasonlóan érdekes pl. polimerek töretében a fraktográfiai struktúra és a polimer saját szerkezetének kölcsönhatása.

A korrózió tanulmányozásában is fontos szerepe van az AFM-nek. A felületen képződő oxidok miatt ezek a korróziós jelenségek (kevés kivételtől eltekintve) nem vizsgálhatók STM-mel, AFM-mel viszont nagyon jól követhetők a felület morfológiai változásai. Az STM-mel vizsgálható kevés kivételt a korrózió alapkutatása jelenti: a felületen lejátszódó elemi oxidációs folyamatok, az oxigén adszorpciója és felületmenti vándorlása, monoréteg vastagságú oxidszigetek kialakulása. A gyakorlatban korróziónak nevezett összetettebb folyamat csak AFM-mel vizsgálható.

               TOVÁBB                       VISSZA  A TARTALOMJEGYZÉKHEZ