스캔 프로브 현미경 검사

Scanning probe microscopy
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스캔 프로브 현미경법(SPM)은 시료를 스캔하는 물리적 프로브를 사용하여 표면의 이미지를 형성하는 현미경법 분야입니다.SPM은 1981년 원자 수준에서 표면을 촬영하는 장치인 주사 터널링 현미경의 발명으로 설립되었다.최초의 성공적인 주사 터널링 현미경 실험은 게르트 비니그와 하인리히 로러에 의해 이루어졌다.이들의 성공 비결은 피드백 루프를 사용하여 샘플과 [1]프로브 사이의 갭 거리를 조절하는 것이었습니다.

많은 스캔 프로브 현미경은 여러 상호 작용을 동시에 촬영할 수 있습니다.이러한 상호 작용을 사용하여 이미지를 얻는 방법을 일반적으로 모드라고 합니다.

분해능은 기술에 따라 다소 다르지만 일부 프로브 기술은 다소 인상적인 원자 [citation needed]분해능에 도달합니다.이는 주로 압전 액추에이터가 원자 수준 또는 전자 명령에서 더 나은 정밀도와 정확도로 운동을 실행할 수 있기 때문입니다.이 기술군은 "압전 기술"이라고 불립니다.또 다른 공통분모는 데이터가 일반적으로 2차원 데이터 포인트 그리드로 수집되고 거짓 색상으로 컴퓨터 이미지로 시각화된다는 것입니다.

확립된 유형

이미지 형성

이미지를 형성하기 위해 스캐닝 프로브 현미경은 표면 위의 팁을 래스터로 스캔합니다.래스터 스캔의 이산 지점에서 값이 기록됩니다(어떤 값은 SPM의 유형과 작동 모드에 따라 다릅니다). 아래 참조).이러한 기록된 값은 최종 STM 이미지를 생성하기 위한 열 지도로 표시됩니다. 일반적으로 흑백 또는 주황색 눈금을 사용합니다.

상시 인터랙션 모드

상시 상호 작용 모드(종종 "피드백"이라고 함)에서는 피드백 루프를 사용하여 일정한 상호 작용을 유지하기 위해 스터디 대상 표면(z축)에 프로브를 물리적으로 더 가까이 또는 더 멀리 이동합니다.이 상호작용은 SPM의 유형에 따라 달라집니다.스캔 터널링 현미경의 경우 상호작용은 터널 전류이며 컨택모드 AFM 또는 MFM의 경우 캔틸레버 편향 등입니다.사용되는 피드백 루프의 유형은 일반적으로 PI 루프이며, PID 루프에서는 차분 게인이 0으로 설정되어 있습니다(노이즈 증폭 시).팁의 z 위치(스캔 평면이 xy 평면)는 주기적으로 기록되고 열 지도로 표시됩니다.이것은 보통 지형 이미지라고 불립니다.

이 모드에서는 "오류 신호" 또는 "오류 이미지"로 알려진 두 번째 이미지도 촬영됩니다.이것은 피드백된 상호 작용의 열 지도입니다.완벽한 작동 상태에서 이 이미지는 피드백 루프에 설정된 일정한 값으로 공백이 됩니다.실제 작동 시 이미지에는 노이즈가 표시되며 종종 표면 구조의 몇 가지 징후가 나타납니다.사용자는 이 이미지를 사용하여 피드백 게인을 편집하여 오류 신호의 특징을 최소화할 수 있습니다.

게인을 잘못 설정하면 많은 영상 아티팩트가 발생할 수 있습니다.게인이 너무 낮으면 피쳐가 얼룩져 보일 수 있습니다.이득이 너무 높으면 피드백이 불안정해지고 흔들릴 수 있으며, 이미지에 물리적 특성이 아닌 줄무늬 피쳐가 생성될 수 있습니다.

고정 높이 모드

고정 높이 모드에서는 래스터 스캔 중에 프로브가 z축으로 이동하지 않습니다.대신 연구 중인 상호작용의 값이 기록됩니다(즉, STM의 경우 터널 전류, 진폭 변조 비접촉 AFM의 경우 캔틸레버 진동 진폭).기록된 이 정보는 열 지도로 표시되며 일반적으로 고정 높이 영상이라고 합니다.

프로브가 샘플 [citation needed]표면에 충돌할 가능성이 높기 때문에 고정 높이 이미징은 고정 상호 작용 이미징보다 훨씬 더 어렵습니다.일반적으로 일정한 높이 이미징을 수행하기 전에 일정한 상호 작용 모드에서 이미지를 촬영하여 이미징 영역에 큰 오염물질이 없는지 확인하고 샘플 기울기를 측정 및 보정하며, 샘플의 열 드리프트를 측정 및 보정해야 합니다(특히 느린 스캔의 경우).압전 크리프도 문제가 될 수 있기 때문에 현미경이 큰 움직임을 보인 후 일정한 높이 이미징을 수행하기 위해서는 종종 시간이 필요합니다.

일정한 높이 이미징은 피드백 [citation needed]아티팩트의 가능성을 제거하는 데 유리할 수 있습니다.

프로브 힌트

SPM 프로브 팁의 성질은 전적으로 사용되는 SPM 유형에 따라 달라집니다.샘플의 팁 모양과 지형 조합이 SPM [34][citation needed]이미지를 구성합니다.단, 특정 특성은 모든 SPM 또는 적어도 대부분의 [citation needed]SPM에 공통입니다.

가장 중요한 것은 탐침의 끝이 [citation needed]매우 날카롭다는 것입니다.프로브의 정점은 현미경의 분해능을 정의하며, 프로브가 선명할수록 분해능이 높습니다.원자 분해능 이미징의 경우 프로브는 단일 [citation needed]원자에 의해 종단되어야 합니다.

많은 캔틸레버 기반 SPM(예: AFM 및 MFM)의 경우 전체 캔틸레버 및 통합 프로브는 일반적으로 질화 규소로 산성[에칭][35]에 의해 제작됩니다.STM 및 SCM에 필요한 전도성 프로브는 일반적으로 주변 작업용 백금/이리듐 와이어 또는 UHV 작업용 텅스텐으로 구성됩니다.금과 같은 다른 재료는 샘플 고유의 이유 또는 SPM을 TERS와 같은 다른 실험과 결합해야 하는 경우에 사용되기도 합니다.플래티넘/이리듐(및 기타 주변) 프로브는 보통 날카로운 와이어 커터를 사용하여 절단됩니다.최적의 방법은 와이어를 대부분 절단한 후 와이어의 마지막 부분을 잡아당겨 단일 원자 종단 가능성을 높이는 것입니다.텅스텐 와이어는 일반적으로 전기화학적으로 식각되며, 그 후 팁이 UHV 상태가 되면 산화층을 제거해야 합니다.

를 SPM 조사 아니라 이미지에 대한 원하는 해상도로(둘 다와"집에서 만든"구입한)것은 흔한 일이다.너무 무뚝뚝하고 당상 끝이나 그 탐침 이리 주세요, 또는 유령 두배가 되면 이미지의 결과 하나 이상의 첨두를 가질 수 있다.예를 들면 조사, 팁은 정점의 인사이트 변형에서 가능하지만 이것은 보통 표면으로 끝 충돌하거나 큰 전기장을 적용하는으로 하는 것이.이 거리는 보통1-3 Angstroms, 아주 넓은 들판이 생성된다 후자는 그 끝과 표본 사이의 바이어스 전압(주문 10V의)을 적용하는에 의해 달성된다.

는 양자점의 전도성 프로브의 끝 정점까지 추가 장착 높은 측면 분해능과 표면 전위 영상, 양자점 주사 현미경을 가능하게 한다.

이점

현미경의 해상도는 회절에 의해,probe-sample 상호 작용 볼륨(즉, 점상 강도 분포 함수)의 몇 picometres처럼 작을 수 있는 크기에 의해서만 제한되지 않다.따라서 물체 높이(그<>에 135picometre 단계;100>, 실리콘과 같은)에서 작은 지역 차이를 측정하기 위해 유례가 없다.측면의 경우는probe-sample 상호 작용 뿐 원자 또는 원자들이 상호 작용에 관련된 건너 편까지 이어져 있다.

상호 작용은 작은 구조(프로브 평판)을 만들 견본을 수정하는 데 사용될 수 있다.

전자 현미경 방법과는 달리, 표본만 공기에 표준 온도와 압력에서 또는 액체 반응 용기에서 물에 잠겨 있는 관찰될 수 있는 부분 진공이 필요하지 않다.

단점들

스캐닝 끝의 상세한 모양은 결정하기가 때로 어렵다.만약 표본이 크게 10nm이하의 수평도 먼 거리를 넘어 높이에서 그 결과 데이터에 그 효과는 특히 눈에 띈다.

그 스캐닝 기술 일반적으로 이미지를 취득하는 데, 스캐닝 과정 때문에 느리다결과적으로, 조치를 통해 스캐닝률을 높이기 위해 만들어진다.모든 스캐닝 기술처럼, 공간 정보의 시대 시퀀스롰던 1가지 이슈 때문이었습니다 방법론에서 불확실성으로, 시편, 피드백 루프 진동 및 기계적 진동을 좋아하time-domain 영향으로 인해 발생한 횡방향 스페이싱과 각도,라고 문을 열어 준다.

일반적으로 최대 이미지 크기는 더 작습니다.

스캐닝 프로브 현미경은 매립된 고체 또는 액체 인터페이스를 검사하는 데 유용하지 않은 경우가 많습니다.

시각화 및 분석 소프트웨어

광학 현미경과 달리 모든 경우 이미지를 생성하기 위해서는 렌더링 소프트웨어가 필요합니다.이러한 소프트웨어는 계측기 제조업체에서 생산 및 내장되어 있지만 전문 작업 그룹 또는 회사의 액세서리로도 사용할 수 있습니다.사용되는 주요 패키지는 프리웨어입니다.Gwydion, WSxM(나노텍 개발), 상용: SPIP(이미지 계측학 개발), FemtoScan Online(Advanced Technologies Center 개발), MountainsMap SPM(디지털 서프 개발), TopoStitch(이미지 계측학 개발).

레퍼런스

  1. ^ Salapaka, Srinivasa; Salapaka, Murti (2008). "Scanning Probe Microscopy". IEEE Control Systems Magazine. 28 (2): 65–83. doi:10.1109/MCS.2007.914688. ISSN 0272-1708. S2CID 20484280.
  2. ^ Binnig, G.; C. F. Qate; Ch. Gerber (1986-03-03). "Atomic Force Microscope". Physical Review Letters. 56 (9): 930–933. Bibcode:1986PhRvL..56..930B. doi:10.1103/PhysRevLett.56.930. PMID 10033323.
  3. ^ Zhang, L.; T. Sakai, N. Sakuma, T. Ono, K. Nakayama; Sakuma, N.; Ono, T.; Nakayama, K. (1999). "Nanostructural conductivity and surface-potential study of low-field-emission carbon films with conductive scanning probe microscopy". Applied Physics Letters. 75 (22): 3527–3529. Bibcode:1999ApPhL..75.3527Z. doi:10.1063/1.125377.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  4. ^ Weaver, J. M. R.; David W. Abraham (1991). "High resolution atomic force microscopy potentiometry". Journal of Vacuum Science and Technology B. 9 (3): 1559–1561. Bibcode:1991JVSTB...9.1559W. doi:10.1116/1.585423.
  5. ^ Nonnenmacher, M.; M. P. O'Boyle; H. K. Wickramasinghe (1991). "Kelvin probe force microscopy". Applied Physics Letters. 58 (25): 2921–2923. Bibcode:1991ApPhL..58.2921N. doi:10.1063/1.105227.
  6. ^ Hartmann, U. (1988). "Magnetic force microscopy: Some remarks from the micromagnetic point of view". Journal of Applied Physics. 64 (3): 1561–1564. Bibcode:1988JAP....64.1561H. doi:10.1063/1.341836.
  7. ^ Roelofs, A.; U. Bottger, R. Waser, F. Schlaphof, S. Trogisch, L. M. Eng (2000). "Differentiating 180° and 90° switching of ferroelectric domains with three-dimensional piezoresponse force microscopy". Applied Physics Letters. 77 (21): 3444–3446. Bibcode:2000ApPhL..77.3444R. doi:10.1063/1.1328049.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  8. ^ Matey, J. R.; J. Blanc (1985). "Scanning capacitance microscopy". Journal of Applied Physics. 57 (5): 1437–1444. Bibcode:1985JAP....57.1437M. doi:10.1063/1.334506.
  9. ^ Eriksson, M. A.; R. G. Beck, M. Topinka, J. A. Katine, R. M. Westervelt, K. L. Campman, A. C. Gossard (1996-07-29). "Cryogenic scanning probe characterization of semiconductor nanostructures". Applied Physics Letters. 69 (5): 671–673. Bibcode:1996ApPhL..69..671E. doi:10.1063/1.117801. Retrieved 2009-10-05.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  10. ^ Wagner, Christian; Green, Matthew F. B.; Leinen, Philipp; Deilmann, Thorsten; Krüger, Peter; Rohlfing, Michael; Temirov, Ruslan; Tautz, F. Stefan (2015-07-06). "Scanning Quantum Dot Microscopy". Physical Review Letters. 115 (2): 026101. arXiv:1503.07738. Bibcode:2015PhRvL.115b6101W. doi:10.1103/PhysRevLett.115.026101. ISSN 0031-9007. PMID 26207484. S2CID 1720328.
  11. ^ Trenkler, T.; P. De Wolf, W. Vandervorst, L. Hellemans (1998). "Nanopotentiometry: Local potential measurements in complementary metal--oxide--semiconductor transistors using atomic force microscopy". Journal of Vacuum Science and Technology B. 16 (1): 367–372. Bibcode:1998JVSTB..16..367T. doi:10.1116/1.589812.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  12. ^ Fritz, M.; M. Radmacher, N. Petersen, H. E. Gaub (May 1994). "Visualization and identification of intracellular structures by force modulation microscopy and drug induced degradation". The 1993 international conference on scanning tunneling microscopy. The 1993 international conference on scanning tunneling microscopy. Vol. 12. Beijing, China: AVS. pp. 1526–1529. Bibcode:1994JVSTB..12.1526F. doi:10.1116/1.587278. Retrieved 2009-10-05.{{cite conference}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  13. ^ Binnig, G.; H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel (1982). "Tunneling through a controllable vacuum gap". Applied Physics Letters. 40 (2): 178–180. Bibcode:1982ApPhL..40..178B. doi:10.1063/1.92999.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  14. ^ Kaiser, W. J.; L. D. Bell (1988). "Direct investigation of subsurface interface electronic structure by ballistic-electron-emission microscopy". Physical Review Letters. 60 (14): 1406–1409. Bibcode:1988PhRvL..60.1406K. doi:10.1103/PhysRevLett.60.1406. PMID 10038030.
  15. ^ Higgins, S. R.; R. J. Hamers (March 1996). "Morphology and dissolution processes of metal sulfide minerals observed with the electrochemical scanning tunneling microscope". Journal of Vacuum Science and Technology B. AVS. 14 (2): 1360–1364. Bibcode:1996JVSTB..14.1360H. doi:10.1116/1.589098. Retrieved 2009-10-05.
  16. ^ Chang, A. M.; H. D. Hallen, L. Harriott, H. F. Hess, H. L. Kao, J. Kwo, R. E. Miller, R. Wolfe, J. van der Ziel, T. Y. Chang (1992). "Scanning Hall probe microscopy". Applied Physics Letters. 61 (16): 1974–1976. Bibcode:1992ApPhL..61.1974C. doi:10.1063/1.108334. S2CID 121741603.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  17. ^ Wiesendanger, R.; M. Bode (2001-07-25). "Nano- and atomic-scale magnetism studied by spin-polarized scanning tunneling microscopy and spectroscopy". Solid State Communications. 119 (4–5): 341–355. Bibcode:2001SSCom.119..341W. doi:10.1016/S0038-1098(01)00103-X. ISSN 0038-1098.
  18. ^ Reddick, R. C.; R. J. Warmack; T. L. Ferrell (1989-01-01). "New form of scanning optical microscopy". Physical Review B. 39 (1): 767–770. Bibcode:1989PhRvB..39..767R. doi:10.1103/PhysRevB.39.767. PMID 9947227.
  19. ^ 볼레성스크ript Physikalische Electronik und Messtechnik (독일어)
  20. ^ Volker Rose, John W. Freeland, Stephen K. Streiffer (2011). "New Capabilities at the Interface of X-Rays and Scanning Tunneling Microscopy". In Kalinin, Sergei V.; Gruverman, Alexei (eds.). Scanning Probe Microscopy of Functional Materials: Nanoscale Imaging and Spectroscopy (1st ed.). New York: Springer. pp. 405–431. doi:10.1007/978-1-4419-7167-8_14. ISBN 978-1-4419-6567-7.{{cite book}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  21. ^ Hansma, PK; B Drake, O Marti, SA Gould, CB Prater (1989-02-03). "The scanning ion-conductance microscope". Science. 243 (4891): 641–643. Bibcode:1989Sci...243..641H. doi:10.1126/science.2464851. PMID 2464851.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  22. ^ Meister, André; Gabi, Michael; Behr, Pascal; Studer, Philipp; Vörös, János; Niedermann, Philippe; Bitterli, Joanna; Polesel-Maris, Jérôme; Liley, Martha; Heinzelmann, Harry; Zambelli, Tomaso (2009). "FluidFM: Combining Atomic Force Microscopy and Nanofluidics in a Universal Liquid Delivery System for Single Cell Applications and Beyond". Nano Letters. 9 (6): 2501–2507. Bibcode:2009NanoL...9.2501M. doi:10.1021/nl901384x. ISSN 1530-6984. PMID 19453133.
  23. ^ Sidles, J. A.; J. L. Garbini, K. J. Bruland, D. Rugar, O. Züger, S. Hoen, C. S. Yannoni (1995). "Magnetic resonance force microscopy". Reviews of Modern Physics. 67 (1): 249–265. Bibcode:1995RvMP...67..249S. doi:10.1103/RevModPhys.67.249.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  24. ^ BETZIG, E.; J. K. TRAUTMAN, T. D. HARRIS, J. S. WEINER, R. L. KOSTELAK (1991-03-22). "Breaking the Diffraction Barrier: Optical Microscopy on a Nanometric Scale". Science. 251 (5000): 1468–1470. Bibcode:1991Sci...251.1468B. doi:10.1126/science.251.5000.1468. PMID 17779440. S2CID 6906302.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  25. ^ Huth, Florian; Govyadinov, Alexander; Amarie, Sergiu; Nuansing, Wiwat; Keilmann, Fritz; Hillenbrand, Rainer (2012-08-08). "Nano-FTIR Absorption Spectroscopy of Molecular Fingerprints at 20 nm Spatial Resolution". Nano Letters. 12 (8): 3973–3978. Bibcode:2012NanoL..12.3973H. doi:10.1021/nl301159v. ISSN 1530-6984. PMID 22703339.
  26. ^ De Wolf, P.; J. Snauwaert, T. Clarysse, W. Vandervorst, L. Hellemans (1995). "Characterization of a point-contact on silicon using force microscopy-supported resistance measurements". Applied Physics Letters. 66 (12): 1530–1532. Bibcode:1995ApPhL..66.1530D. doi:10.1063/1.113636.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  27. ^ Xu, J. B.; K. Lauger, K. Dransfeld, I. H. Wilson (1994). "Thermal sensors for investigation of heat transfer in scanning probe microscopy". Review of Scientific Instruments. 65 (7): 2262–2266. Bibcode:1994RScI...65.2262X. doi:10.1063/1.1145225.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  28. ^ Yoo, M. J.; Fulton, T. A. and Hess, H. F. and Willett, R. L. and Dunkleberger, L. N. and Chichester, R. J. and Pfeiffer, L. N. and West, K. W. (25 April 1997). "Scanning Single-Electron Transistor Microscopy: Imaging Individual Charges". Science. 276 (5312): 579–582. doi:10.1126/science.276.5312.579. PMID 9110974.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  29. ^ Esfahani, Ehsan Nasr; Eshghinejad, Ahmad; Ou, Yun; Zhao, Jinjin; Adler, Stuart; Li, Jiangyu (November 2017). "Scanning Thermo-Ionic Microscopy: Probing Nanoscale Electrochemistry via Thermal Stress-Induced Oscillation". Microscopy Today. 25 (6): 12–19. arXiv:1703.06184. doi:10.1017/s1551929517001043. ISSN 1551-9295. S2CID 119463679.
  30. ^ Eshghinejad, Ahmadreza; Nasr Esfahani, Ehsan; Wang, Peiqi; Xie, Shuhong; Geary, Timothy C.; Adler, Stuart B.; Li, Jiangyu (2016-05-28). "Scanning thermo-ionic microscopy for probing local electrochemistry at the nanoscale". Journal of Applied Physics. 119 (20): 205110. Bibcode:2016JAP...119t5110E. doi:10.1063/1.4949473. ISSN 0021-8979. S2CID 7415218.
  31. ^ Hong, Seungbum; Tong, Sheng; Park, Woon Ik; Hiranaga, Yoshiomi; Cho, Yasuo; Roelofs, Andreas (2014-05-06). "Charge gradient microscopy". Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (18): 6566–6569. Bibcode:2014PNAS..111.6566H. doi:10.1073/pnas.1324178111. ISSN 0027-8424. PMC 4020115. PMID 24760831.
  32. ^ Nasr Esfahani, Ehsan; Liu, Xiaoyan; Li, Jiangyu (2017). "Imaging ferroelectric domains via charge gradient microscopy enhanced by principal component analysis". Journal of Materiomics. 3 (4): 280–285. arXiv:1706.02345. doi:10.1016/j.jmat.2017.07.001. S2CID 118953680.
  33. ^ Park, Hongsik; Jung, Juhwan; Min, Dong-Ki; Kim, Sungdong; Hong, Seungbum; Shin, Hyunjung (2004-03-02). "Scanning resistive probe microscopy: Imaging ferroelectric domains". Applied Physics Letters. 84 (10): 1734–1736. Bibcode:2004ApPhL..84.1734P. doi:10.1063/1.1667266. ISSN 0003-6951.
  34. ^ Bottomley, Lawrence A. (1998-05-19). "Scanning Probe Microscopy". Analytical Chemistry. 70 (12): 425–476. doi:10.1021/a1980011o.
  35. ^ Akamine, S.; Barrett, R. C.; Quate, C. F. (1990). "Improved atomic force microscope images using microcantilevers with sharp tips". Applied Physics Letters. 57 (3): 316. Bibcode:1990ApPhL..57..316A. doi:10.1063/1.103677.

추가 정보

외부 링크

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