Hohe Auflösung, die Thermische Mikroskopie (SThM) Scannt mit dem XE-Serien AtomKraft-Mikroskop von den Park-Anlagen

Thema Liste

Hintergrund
Hohe Auflösung, die Thermische Mikroskopie (SThM) Scannt mit dem XE-Serien FLUGHANDBUCH
XE-Serien Thermischer Nano-Fühler
Temperatur Kontrast-Modus (TCM)
Leitfähigkeit Kontrast-Modus (CCM)
Nanoscaled-Wärmebildgebung durch die XE-Serien

Hintergrund

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Hohe Auflösung, die Thermische Mikroskopie (SThM) Scannt mit dem XE-Serien FLUGHANDBUCH

Es hat wachsende Zinsen an der Wärmestreuung von nanostructured Materialien gegeben. Die XE-Serie, die Thermischen Scannt Modus der Mikroskopie (SThM) wurde entwickelt, um thermische Eigenschaften auf dem nanoscale Niveau zu prüfen. Der XE-Serien SThM-Gebrauch nanofabricated thermische Fühler, um beispiellose hohe räumliche und thermische Auflösung und Empfindlichkeit mit einem eindeutigen Signalbefundentwurf zu erzielen.

Die SThM-Technik der XE-Serien bildet die thermischen Eigenschaften der Beispieloberfläche ab, indem sie einen nanofabricated thermischen Fühler mit einem widerstrebenden Element verwendet. Die XE-Serie SThM ist in zwei Modi, in der Thermischen Kontrast-Mikroskopie und (TCM) in der Wärmeleitfähigkeits-Kontrast-Mikroskopie erhältlich (CCM). TCM erlaubt dem Benutzer, die Temperaturschwankungen auf einer Beispieloberfläche zu messen. CCM erlaubt dem Benutzer, Varianten der Wärmeleitfähigkeit auf einer Beispieloberfläche zu messen.

Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm der XE-Serien SThM-Anlage. Ein „V“ formte widerstrebendes Element wird montiert am Ende eines Kragbalkens. Während der Abstand zwischen der Fühlerspitze und der Beispieloberfläche durch üblichen FLUGHANDBUCH-Entwurf gesteuert wird, bildet der thermische Fühler ein Fahrwerkbein einer Wheatstone-Brücke (Abbildung 1). Es ist diese Wheatstone-Brücke, die Feed-backs, einstellt, und gleicht die Brückenspannung aus, um die Temperatur des Fühlers zu messen (TCM) oder eine konstante Fühlertemperatur beizubehalten (CCM).

Abbildung 1. Schematisches Diagramm von der XE-Serien SThM-Anlage.

Ein topographisches FLUGHANDBUCH-Bild kann von den Änderungen im Amplitudenausschlag des Kragbalkens erzeugt werden. So können topographische Informationen von den lokalen Schwankungen der thermischen Eigenschaften des Beispiel getrennt werden, und die zwei Baumuster von Bildern können gleichzeitig montiert werden.

XE-Serien Thermischer Nano-Fühler

Die Schlüsselkomponente des SThM ist die SThM-Spitze, die Aufschläge als Widerstandsthermometer (oder Heizung CCM im Modus) zur selben Zeit wie eine FLUGHANDBUCH-Spitze. Das Thermoelement eines Kragbalkens reagiert anders als auf Änderungen in der Wärmeleitfähigkeit und veranlaßt den Kragbalken abzulenken. Vorhergehende SThM-Auslegungen konnten die genügende räumliche und thermische Auflösung nicht zur Verfügung stellen, kritisch begrenzt durch die Geometrie eines Kabel-basierten thermischen Fühlers, d.h. Wollastone-Kabel. Die XE-Serie SThM verwendet einen nanofabricated thermischen Fühler, in dem ein widerstrebendes Element lithographisch auf der FLUGHANDBUCH-Spitze kopiert wird.

Showrasterelektronenmikroskopiebilder der Abbildung 2 (a) und 2 (SEM) (b) von einem Wollaston verdrahten thermischen Fühler und nanofabricated thermischen den Fühler, der in den XE-Serien SThM verwendet wird. Der Spitzenradius des nanofabricated Fühlers ist ungefähr 100 nm, Wärmebildscan der hohen Auflösung, während der eines Wollaston-Kabelfühlers größer, als ist mehrere Hundert nm aktivierend.

Abbildung 2. Die SEM-Bilder (a) eines XE-Serien Thermischen Nano-Fühlers und (b) des Wollaston verdrahten.

In Abbildung 3 und 4, wird zwischen dem XE-Serien Thermischen Nano-Fühler und einem Wollastone-Kabelfühler verglichen. Die abgebildete Probe ist Wasserstoff silsesquioxane (HSQ) Posten mit 1 µm Durchmesser auf einer Silikonsubstratfläche. Die ausführlichen Unterschiede bezüglich der Auflösung der topographischen und Wärmeleitfähigkeit werden offenbar mit dem XE-Serien Thermischen Nano-Fühler demonstriert, der überlegene räumliche und thermische Auflösung hat. Beachten Sie Bitte, dass solche drastischen Verbesserungen in der Auflösung und in der Empfindlichkeit verwirklicht werden, nur indem man die Vorteile des nanofabricated thermischen Fühlers und der SThM-Modusempfindlichkeit kombiniert, die durch die XE-Serien angeboten werden.

Abbildung 3. Topographiebildvergleich von HSQ-Posten von 1 mm-Durchmesser kopiert auf einer Silikonsubstratfläche (5 µm Scan-Größe) unter Verwendung (a) XE-Serien Thermischen Nano-Fühlers und (b) Wollastone-Kabels.

Abbildung 4. Wärmeleitfähigkeitsbildvergleich von HSQ-Posten von 1 mm-Durchmesser kopiert auf einer Silikonsubstratfläche (5 µm Scan-Größe) unter Verwendung (a) Thermischen Nano-Fühlers XEseries und (b) Wollastone-Kabels.

Temperatur Kontrast-Modus (TCM)

In TCM-Modus wird das widerstrebende Element des XE-Serien Thermischen Nano-Fühlers als Widerstandsthermometer verwendet. Die Temperatur des thermischen Fühlers ändert, während die Spitze die Oberfläche entsprechend der Oberflächentemperatur scannt. Änderung der Kabeltemperatur führt zu Änderung seines Widerstands. Die Temperatur einer sehr kleinen Region kann gemessen werden, indem man einen konstanten Strom ausführt, gekennzeichnet als der „Fühler-Strom,“ durch den Fühler und das Messen des Widerstands wie in Abbildung 5. gezeigt.

Abbildung 5. Schematisches Diagramm vom TCM-Modus.

Zuerst wird die Spitze in thermisches Gleichgewicht mit der Beispieloberfläche gesetzt und folglich ist sein Widerstand konstant. Diesmal wird der variable Widerstand in der Brücke eingestellt, damit die Spannungsdifferenz zwischen dem Punkt 1 und 2 null wird. Dann ändert die Temperatur des Fühlers, während der Fühler über der Oberfläche scannt. Die entsprechende Änderung im Fühlerwiderstand ändert den Spannungsausgleich der Brücke und ändert den Spannungsunterschied zwischen den Punkten 1 und 2. Dieses gekennzeichnet als „SThM-Fehler“. Dieser SThM-Fehler wird verwendet, um das SThM-Bild in TCM-Modus zu erzeugen.

Der Strom, der durch den Fühler in TCM geführt wird, wird eingestellt, um klein zu sein genug, das keine Selbsterhitzung des Fühlers auftritt. (Die Widerstandänderung wegen der Selbsterhitzung würde Fehler in der Temperaturmessung. verursachen) Auch in TCM-Modus, ist die Abtastgeschwindigkeit begrenzt, bis sie nimmt, damit die Spitze thermisches Gleichgewicht mit der Beispieloberfläche erreicht.

Leitfähigkeit Kontrast-Modus (CCM)

Im Leitfähigkeits-Kontrast-Modus (CCM) wird das widerstrebende Element des XE-Serien Thermischen Nano-Fühlers als widerstrebende Heizung verwendet. Genügende Energie wird an der Fühlerspitze angewendet, um sie bei einer Settemperatur über eine Rückkopplungsschleife zu halten. Die Energie, die benötigt wird, die Settemperatur beizubehalten, stellt die lokale Wärmeleitfähigkeit dar. Schematisches Diagramm des CCM wird in Abbildung 6. gezeigt.

Abbildung 6. Schematisches Diagramm vom Modus CCM.

Wenn der erhitzte Fühler, Voreinstellung an einem Wert viel höher als eine Beispieltemperatur, Kontakt aufnimmt, Wärmeströme vom Fühler zur Probe, mit dem Ergebnis des Abkühlens des Fühlers. Das Feed-back ermittlt diese Schicht, gleicht die Brückenspannung aus und stellt den Widerstand des Fühlers (oder Temperatur) zu seinem Standardwert zurück. Die rohen Daten vom SThM der XE-Serien reflektieren die Feed-backspannung, Vout , zugetroffen auf die Brücke. Jedoch ist die Wärmeleitfähigkeit des Probenmaterials zum Wärmestrom proportional (~V)out2, wenn die Spitze in Verbindung mit einer Probe ist. Ein einfaches Kalibrierverfahren kann für absolutes Wärmeleitfähigkeitsmaß eingeführt werden.

Der Wärmestrom zwischen Spitze und Probenmaterial in Untersuchung wird durch die folgenden drei Faktoren gesteuert;

  • Wärmeleitfähigkeit der Probe
  • Kontaktgebiet des Fühlers
  • Temperaturdifferenz des Fühlers und der Probe

Für die meisten Proben sind die Kontaktgebietänderungen der Fühlerprobe geringfügig und, wegen seiner großen thermischen Masse, bleibt die Probe bei einer konstanten Temperatur (die Temperaturdifferenz zwischen der Fühlerspitze und der Probe bleibt auch konstant, da die Temperatur des Fühlers durch die Rückkopplungsschleife gesteuert wird). Infolgedessen werden die Änderungen im Wärmestrom nur durch Änderungen in der Wärmeleitfähigkeit der Probe verursacht.

Während die Wärmeleitfähigkeit der Probe während des Scans schwankt, neigt die Temperatur des Fühlers zu ändern, jedoch verwendet die Wheatstone-Brücke den SThM-Fehler und die Rückkopplungsschleife, um die Spannung auszugleichen, die am Umkippung angewendet wird, um seine Temperaturkonstante, am Standardwert beizubehalten.

Nanoscaled-Wärmebildgebung durch die XE-Serien

Abbildung 7 zeigt das Bild der Topographie der hohen Auflösung und der Wärmeleitfähigkeit eines 4,3 mm-des Durchmessers HSQ Postens auf einer Silikonsubstratfläche durch die XE-Serien SThM mit Thermischem Nano-Fühler. Inhomogeneity in der Wärmeleitfähigkeit, wegen der Verunreinigungen in HSQ-Zusammensetzung, wird im Gegensatz zu einer flachen Topographie beobachtet. Solche hohe thermische Auflösung und Empfindlichkeit können durch die XE-Serien SThM nur verwirklicht werden.

Abbildung 7. (a) SThM-Topographie der Hohen Auflösung und (b) Wärmeleitfähigkeitsbild eines HSQ-Postens mit 4,3 mm-Durchmesser auf einer Silikonsubstratfläche (5 µm Scan-Größe) durch das XEseries SThM mit Thermischem Nano-Fühler.

In Abbildung 8 sind die Topographie der hohen Auflösung und die Wärmeleitfähigkeit von kleineren HSQ-Posten mit 0.2µm Durchmesser auf einer Silikonsubstratfläche wieder unter Verwendung der XE-Serien SThM mit Thermischem Nano-Fühler abgebildet. Im Wärmeleitfähigkeitsbild kann man die Verunreinigungen auch beobachten, das nicht in der Topographie offensichtlich ist.

Abbildung 8. (a) SThM-Topographie der Hohen Auflösung und (b) Wärmeleitfähigkeitsbild von HSQ-Posten mit 0,2 mm-Durchmesser auf einer Silikonsubstratfläche 5 µm Scan-Größe) durch das XEseries SThM mit Thermischem Nano-Fühler.

Es wird offenbar demonstriert, dass die XE-Serie SThM eine überlegene räumliche und thermische Auflösung hat, die mit vorhergehendem SThMs verglichen wird. Es erschließt große Möglichkeiten in der nanoscale Untersuchung von thermischen Eigenschaften in den verschiedenen nanostructured Materialien.

Quelle: Scannende Thermische Mikroskopie (SThM) - Anwendungs-Anmerkung durch Park-Anlagen

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Park-Anlagen

Date Added: Apr 17, 2008 | Updated: Sep 19, 2013

Last Update: 19. September 2013 11:29

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