扫描探针显微镜 for Ntegra spectra
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扫描探针显微镜
Confocal Raman microscopy in combination with atomic force microscope: “classical” applications and a root for subwavelength optical resolution
a b
e c d
5 m
f
g h
MFM images (phase) of four permalloy stripes (a, c, e, g) with a different form-factor. The interpretation of observed morphology is shown in figures (b, d, f, h) and corresponds to classical domain structure.
Topography
Kelvin mode, both electrodes have ground potential
Kelvin mode, the potential on the right electrode is changed with the step of +0.5V several times during scanning
Kelvin mode, potential on the right electrode is changed with the step of - 0.5V
All images are 30x30 μm in size
Kelvin mode visualization of the result of vector charge nanolithography
E = ½ C U2 F = gradE = dE/dz The tip itself and the cantilever beam form one plate of the capacitor, the sample surface forms another plate. The tip-surface capacity depends on a tip geometry (curvature radius) and z distance to the surface: C=C(R,z).
NTEGRA universal platform Inverted microscope (Olympus, Nikon) NTEGRA Spectra
什么是SPM
扫描隧道显微镜(STM)； 原子力显微镜（AFM）； 横向力显微镜（LFM）； SFM 静电力显微镜（EFM）; 磁力显微镜（MFM）； 扫描电容显微镜（SCM）； 扫描近场光学显微镜（SNOM）; 扫描开尔文显微镜（SKM）； 导电原子力显微镜（C-AFM）；
多通道技术
• 磁力显微镜 • 静电力显微镜
MFM和EFM的分辨率
• MFM和EFM是长程力，水平分辨率随着抬高距 离的增加而降低 • 其分辨率通常受限制于抬高高度 • 最低的抬高高度应不小于表面的粗糙度 • MFM的极限分辨率为20nm • MFM通常所能达到的分辨率为50nm
MFM images of permalloy stripes
F = ½ dC/dz ((Φ(x,y) – (Vdc+Vacsinωt ))2 = (Φ(x,y) – Vdc)2 + ½ Vac2) + = ½ dC/dz 2 (Φ(x,y) – Vdc) sin ωt - ½ Vac2 cos 2ωt EFM SKM SCM
+
Kelvin Probe Microscopy 扫描图像
domains
in
22x22 μ m
Comparison Co and FeNi (permalloy) coated tips
Co-coated tip FeNi-coated tip
37x37 μm
18,5x18,5 μm
14,5x14,5 μm
11x11 μm
MFM images of Yttrium Iron Garnet films obtained by tips with different coatings : Co-coated tip (left), FeNi (right). Areas where strong magnetic field from Co-tip demagnetize the sample are clearly visible on the left pictures
Topography
Kelvin mode
AFM images of vector charge lithography performed by a positively biased tip on GaAs surface. The lithography result is not seen in topography but is clearly visible in Kelvin mode. Scanning area 10x12 μm.
SPM的原理和组成
STM简介
• 时间：1982 • 人物：G．Binning and H．Rohrer • 事件：人类第一次能够实时地观 察单个原子在物质表面的排列状 态和与表面电子行为有关的物理 化学性质 • 意义：在表面科学、材料科学等 领域的研究中具有重大的意义和 广阔的应用前景，被国际科学界 公认为二十世纪八十年代世界十 大科技成就之一。 • 后果：被授予1986年诺贝尔物理 学奖。
Dr. Pavel Dorozhkin, Head of Spectroscopy group, dorozhkin@ntmdt.com
www.ntmdt.com
NTEGRA Spectra
NTEGRA Spectra Inverted microscope setup (for transparent samples)
Fully functional “AFM+3D confocal Raman microscope” system Optical module (e.g. Solar-TII) AFM-head Laser (Ar, HeNe, HeCd …)
Sample scanning stage (100x,1.4 NA objective inside)
• 力谱模式
• 接触式力曲线
• • • •
微区硬度 弹性 杨氏模量 介质黏度
• 轻敲式力曲线
Modes of SNOM imaging
Transmission
Reflection
Fluorescence
All SNOM modes are available: Collection, Transmission, Reflection (both for laser and for fluorescence signals)
Remarkable structure of magnetic field distribution along the surface of hard disk, 6x6 μm
MFM in vacuum – HDD of high density
The same frequency shift results in a higher phase shift for the cantilever with higher quality factor. For this reason in vacuum the MFM sensitivity increases. 80Gb HDD magnetization can be clearly visualized in phase imaging mode in vacuum (5x10-7 Torr, right) but little is seen in air (left).
STM简介
表面成像
MoS2 Si(111)-7x7
金：鲱鱼骨交叉重建 image size: 30 nm x 30 nm
液晶在石墨表面
STM操纵
隧道效应
不可穿透 的势垒
经典力学
量子力学
隧道效应
I Vb exp( A S )
1 2
STM工作原理
STM常用的两种工作模式
• 恒流模式 • 恒高模式
多通道技术
• 扫描开尔文探针显微镜 • 扫描电容显微镜
SKM和SCM原理
Tip + cantilever sample
Φ = Φ(x,y)
U
Vtip = Vdc + Vac sin ω t
Φ = Φ(x,y) is the surface potential dependent on a sample point (x,y)
MFM of hard disks with different data densities
Sample with low data density, 33x33 μm
Sample with medium data density, 33x33 μm
Sample with highest data density, 3x3 μm
SPM
SPM的特点
• • • • • • 高空间分辨率（原子、分子，纳米） 局域、实空间成像（表面三维） 获取信息多样化(电、磁、力、光等等） 工作环境多样化（真空、大气、液体） 使用方便、经济便宜 可以进行纳米加工和操纵
SPM的应用领域
• 物理学和化学：研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；晶体生 长过程、表面物质沉积过程； • 生物：可对 DNA 、染色质结构、蛋白质 / 酶反应、蛋白质吸附，生 物大分子对细胞表面抗原和细胞内反应、细胞的运动和形态、染色体 结合的解开和信号超导过程，膜、病毒等等进行原位成像和研究 ； • 材料学：主要应用于材料表面的观测和研究，如金属、合金、薄膜、 液晶及高分子材料等 ； • 医学：可以成为介观操作的强有力的手段，其应用领域涉及药物、药 理、免疫、诊断及治疗等学科； • 化学：可以作为一种有效的原位探测工具，在原子级水平上研究表面 化学反应，同样也可以观测表面化学反应的原子级变化。 • 微电子：加工小至原子尺度的新型量子器件，可应用于大规模集成电 路（ IC ）的检测，研究 IC 的局域电特性，并可用于超高密度的信息 存储和读取的研究；
扫描隧道谱STS
• I(z)曲线
• I(v)曲线
原子力显微镜原理
针尖与样品之间的相互作用
AFM的主要成像力
作用力 排斥力
间歇接触区间
接触区间
距离
非接触区间
吸引力
原子间作用力与针尖-样品距离的关系
AFM的操作模式
• 接触模式（稳定的、高分辨率的图像 ） 恒高模式 恒力模式
• 侧向力模式
扩展电阻成像模式
Comparison Co and FeNi coated tips
Co-coated tip
FeNi-coated tip
34x34 μHale Waihona Puke Baidum
37x37 μ m
MFM images of the same Hard Disk obtained by tips with different coatings: Co-coated tip (left), FeNi (right). The tip made from permalloy can show only the edges where the magnetic field of the sample domains changes the direction
MFM of a domain structure of a garnet film
7x16 μm
38x38 μm
Surface domains of yttrium iron garnet films
17x17 μ m
23x23 μm
61x61 μ m
MFM images of surface inhomogeneous garnet films
轻敲模式及其扩展技术
轻敲模式
• 相位成像模式
SFM的分辨率
• 分辨率取决于扫描时的参数：扫描速度、扫描 范围和反馈控制 • 针尖的尖锐程度决定了图像的分辨率 • 垂直分辨率取决于整个系统的噪音水平，而系 统的噪音水平又与其设计密切相关 • 两种针尖效应对分辨率有影响： 1.由于针尖导致样品形变（特别是接触模式） ，使高度数据偏小； 2.针尖展宽效应。
Confocal Raman microscopy in combination with atomic force microscope: “classical” applications and a root for subwavelength optical resolution
a b
e c d
5 m
f
g h
MFM images (phase) of four permalloy stripes (a, c, e, g) with a different form-factor. The interpretation of observed morphology is shown in figures (b, d, f, h) and corresponds to classical domain structure.
Topography
Kelvin mode, both electrodes have ground potential
Kelvin mode, the potential on the right electrode is changed with the step of +0.5V several times during scanning
Kelvin mode, potential on the right electrode is changed with the step of - 0.5V
All images are 30x30 μm in size
Kelvin mode visualization of the result of vector charge nanolithography
E = ½ C U2 F = gradE = dE/dz The tip itself and the cantilever beam form one plate of the capacitor, the sample surface forms another plate. The tip-surface capacity depends on a tip geometry (curvature radius) and z distance to the surface: C=C(R,z).
NTEGRA universal platform Inverted microscope (Olympus, Nikon) NTEGRA Spectra
什么是SPM
扫描隧道显微镜(STM)； 原子力显微镜（AFM）； 横向力显微镜（LFM）； SFM 静电力显微镜（EFM）; 磁力显微镜（MFM）； 扫描电容显微镜（SCM）； 扫描近场光学显微镜（SNOM）; 扫描开尔文显微镜（SKM）； 导电原子力显微镜（C-AFM）；
多通道技术
• 磁力显微镜 • 静电力显微镜
MFM和EFM的分辨率
• MFM和EFM是长程力，水平分辨率随着抬高距 离的增加而降低 • 其分辨率通常受限制于抬高高度 • 最低的抬高高度应不小于表面的粗糙度 • MFM的极限分辨率为20nm • MFM通常所能达到的分辨率为50nm
MFM images of permalloy stripes
F = ½ dC/dz ((Φ(x,y) – (Vdc+Vacsinωt ))2 = (Φ(x,y) – Vdc)2 + ½ Vac2) + = ½ dC/dz 2 (Φ(x,y) – Vdc) sin ωt - ½ Vac2 cos 2ωt EFM SKM SCM
+
Kelvin Probe Microscopy 扫描图像
domains
in
22x22 μ m
Comparison Co and FeNi (permalloy) coated tips
Co-coated tip FeNi-coated tip
37x37 μm
18,5x18,5 μm
14,5x14,5 μm
11x11 μm
MFM images of Yttrium Iron Garnet films obtained by tips with different coatings : Co-coated tip (left), FeNi (right). Areas where strong magnetic field from Co-tip demagnetize the sample are clearly visible on the left pictures
Topography
Kelvin mode
AFM images of vector charge lithography performed by a positively biased tip on GaAs surface. The lithography result is not seen in topography but is clearly visible in Kelvin mode. Scanning area 10x12 μm.
SPM的原理和组成
STM简介
• 时间：1982 • 人物：G．Binning and H．Rohrer • 事件：人类第一次能够实时地观 察单个原子在物质表面的排列状 态和与表面电子行为有关的物理 化学性质 • 意义：在表面科学、材料科学等 领域的研究中具有重大的意义和 广阔的应用前景，被国际科学界 公认为二十世纪八十年代世界十 大科技成就之一。 • 后果：被授予1986年诺贝尔物理 学奖。
Dr. Pavel Dorozhkin, Head of Spectroscopy group, dorozhkin@ntmdt.com
www.ntmdt.com
NTEGRA Spectra
NTEGRA Spectra Inverted microscope setup (for transparent samples)
Fully functional “AFM+3D confocal Raman microscope” system Optical module (e.g. Solar-TII) AFM-head Laser (Ar, HeNe, HeCd …)
Sample scanning stage (100x,1.4 NA objective inside)
• 力谱模式
• 接触式力曲线
• • • •
微区硬度 弹性 杨氏模量 介质黏度
• 轻敲式力曲线
Modes of SNOM imaging
Transmission
Reflection
Fluorescence
All SNOM modes are available: Collection, Transmission, Reflection (both for laser and for fluorescence signals)
Remarkable structure of magnetic field distribution along the surface of hard disk, 6x6 μm
MFM in vacuum – HDD of high density
The same frequency shift results in a higher phase shift for the cantilever with higher quality factor. For this reason in vacuum the MFM sensitivity increases. 80Gb HDD magnetization can be clearly visualized in phase imaging mode in vacuum (5x10-7 Torr, right) but little is seen in air (left).
STM简介
表面成像
MoS2 Si(111)-7x7
金：鲱鱼骨交叉重建 image size: 30 nm x 30 nm
液晶在石墨表面
STM操纵
隧道效应
不可穿透 的势垒
经典力学
量子力学
隧道效应
I Vb exp( A S )
1 2
STM工作原理
STM常用的两种工作模式
• 恒流模式 • 恒高模式
多通道技术
• 扫描开尔文探针显微镜 • 扫描电容显微镜
SKM和SCM原理
Tip + cantilever sample
Φ = Φ(x,y)
U
Vtip = Vdc + Vac sin ω t
Φ = Φ(x,y) is the surface potential dependent on a sample point (x,y)
MFM of hard disks with different data densities
Sample with low data density, 33x33 μm
Sample with medium data density, 33x33 μm
Sample with highest data density, 3x3 μm
SPM
SPM的特点
• • • • • • 高空间分辨率（原子、分子，纳米） 局域、实空间成像（表面三维） 获取信息多样化(电、磁、力、光等等） 工作环境多样化（真空、大气、液体） 使用方便、经济便宜 可以进行纳米加工和操纵
SPM的应用领域
• 物理学和化学：研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；晶体生 长过程、表面物质沉积过程； • 生物：可对 DNA 、染色质结构、蛋白质 / 酶反应、蛋白质吸附，生 物大分子对细胞表面抗原和细胞内反应、细胞的运动和形态、染色体 结合的解开和信号超导过程，膜、病毒等等进行原位成像和研究 ； • 材料学：主要应用于材料表面的观测和研究，如金属、合金、薄膜、 液晶及高分子材料等 ； • 医学：可以成为介观操作的强有力的手段，其应用领域涉及药物、药 理、免疫、诊断及治疗等学科； • 化学：可以作为一种有效的原位探测工具，在原子级水平上研究表面 化学反应，同样也可以观测表面化学反应的原子级变化。 • 微电子：加工小至原子尺度的新型量子器件，可应用于大规模集成电 路（ IC ）的检测，研究 IC 的局域电特性，并可用于超高密度的信息 存储和读取的研究；
扫描隧道谱STS
• I(z)曲线
• I(v)曲线
原子力显微镜原理
针尖与样品之间的相互作用
AFM的主要成像力
作用力 排斥力
间歇接触区间
接触区间
距离
非接触区间
吸引力
原子间作用力与针尖-样品距离的关系
AFM的操作模式
• 接触模式（稳定的、高分辨率的图像 ） 恒高模式 恒力模式
• 侧向力模式
扩展电阻成像模式
Comparison Co and FeNi coated tips
Co-coated tip
FeNi-coated tip
34x34 μHale Waihona Puke Baidum
37x37 μ m
MFM images of the same Hard Disk obtained by tips with different coatings: Co-coated tip (left), FeNi (right). The tip made from permalloy can show only the edges where the magnetic field of the sample domains changes the direction
MFM of a domain structure of a garnet film
7x16 μm
38x38 μm
Surface domains of yttrium iron garnet films
17x17 μ m
23x23 μm
61x61 μ m
MFM images of surface inhomogeneous garnet films
轻敲模式及其扩展技术
轻敲模式
• 相位成像模式
SFM的分辨率
• 分辨率取决于扫描时的参数：扫描速度、扫描 范围和反馈控制 • 针尖的尖锐程度决定了图像的分辨率 • 垂直分辨率取决于整个系统的噪音水平，而系 统的噪音水平又与其设计密切相关 • 两种针尖效应对分辨率有影响： 1.由于针尖导致样品形变（特别是接触模式） ，使高度数据偏小； 2.针尖展宽效应。