Alta resolución Microscopía térmica (SThM) con el Microscopio de Fuerza Atómica XE-Series de sistemas de parques

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Alta resolución Microscopía térmica (SThM) con el AFM XE-Series
XE-series Nano térmico de la sonda
La temperatura Modo de Contraste (TCM)
Conductividad modo de contraste (CCM)
Nanoescala imagen térmica de la XE-Series

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Parque de sistemas es el Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) líder en tecnología, ofreciendo productos que satisfacen las necesidades de toda la investigación y aplicaciones industriales de escala nanométrica. Con un diseño único escáner que permite la verdadera sin contacto de imagen en entornos líquidos y aire, todos los sistemas son totalmente compatibles con una larga lista de opciones innovadoras y de gran alcance. Todos los sistemas están diseñados con la facilidad de uso, la precisión y la durabilidad en mente, y proporcionar a sus clientes con los recursos definitiva para meetiong todas las necesidades presentes y futuras.

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Alta resolución Microscopía térmica (SThM) con el AFM XE-Series

Ha habido un creciente interés en la dispersión del calor de los materiales nanoestructurados. La microscopía de escaneo serie XE-térmica (SThM) el modo ha sido desarrollado para investigar las propiedades térmicas a nivel de nanoescala. SThM El XE-series usa nanofabricados sondas térmicas sin precedentes para lograr una alta resolución espacial y térmica y la sensibilidad con un sistema de detección de la señal única.

La técnica SThM de la XE-series mapas de las propiedades térmicas de la superficie de la muestra utilizando una sonda nanofabricados térmico con una resistencia. SThM El XE-serie está disponible en dos modalidades, la microscopía de contraste térmico (TCM) y microscopía de contraste de Conductividad Térmica ( CCM). TCM permite al usuario medir las variaciones de temperatura en una superficie de la muestra. CCM permite al usuario medir las variaciones de la conductividad térmica de una superficie de la muestra.

La figura 1 muestra el diagrama esquemático del sistema de XE-series SThM . Una "V" en forma de elemento de resistencia se monta en el extremo de un voladizo. Mientras que la distancia entre la punta de la sonda y la superficie de la muestra es controlada por costumbre AFM esquema, la sonda térmica forma un tramo de un puente de Wheatstone (Figura 1). Este es el puente de Wheatstone que retroalimentación, ajusta y equilibra la tensión de puente con el fin de medir la temperatura de la sonda (TCM) o mantener una sonda de temperatura constante (CCM).

Figura 1. Diagrama esquemático del sistema de XE-series SThM.

A topográficos AFM imagen puede ser generada a partir de los cambios en la amplitud de la deflexión del cantilever. Por lo tanto, la información topográfica se puede separar de las variaciones locales de las propiedades térmicas de la muestra, y los dos tipos de imágenes se pueden recoger de forma simultánea.

XE-series Nano térmico de la sonda

La parte clave de la SThM es el SThM punta, que sirve como un termómetro de resistencia (o un calentador en el modo CCM), al mismo tiempo como un AFM punta. El elemento térmico de un voladizo responde de manera diferente a los cambios en la conductividad térmica, y hacer que el voladizo para desviar. Anterior SThM diseños no podían proporcionar la suficiente resolución espacial y térmica, sumamente limitada por la geometría de una sonda térmica alámbrica, es decir, de alambre Wollastone. SThM El XE-series se utiliza una sonda térmica que se nanofabricados litográfico una resistencia patrón en el AFM punta .

Figura 2 (a) y 2 (b) muestra microscopía electrónica de barrido (SEM) imágenes de una sonda de alambre Wollaston térmica y la sonda nanofabricados térmica utilizada en la SThM XE-series . El radio de la punta de la sonda nanofabricados es de unos 100 nm que permite escanear de alta resolución de imagen térmica, mientras que la de una sonda de alambre de Wollaston es más grande que varios cientos de nm.

Figura 2. Las imágenes SEM de (a) una serie XE-Sonda Nano térmico y (b) un cable de Wollaston.

En la Figura 3 y 4, se hace una comparación entre la sonda de XE-series Nano térmico y una sonda de cable Wollastone. La muestra de imágenes es hidrógeno silsesquioxano (HSQ) los mensajes con un m de diámetro sobre un sustrato de silicio. Las diferencias detalladas en la resolución de la conductividad térmica y topográficas son claramente demostrado con la sonda de XE-series Nano térmica que tiene resolución espacial y térmica. Tenga en cuenta que tales mejoras dramáticas en la resolución y la sensibilidad se realiza sólo mediante la combinación de las ventajas de la sonda térmica y la nanofabricados SThM sensibilidad del modo que ofrece la XE-series.

Figura 3. Topografía comparación de imágenes de los mensajes HSQ de 1 mm de diámetro con dibujos sobre un sustrato de silicio (5 tamaño de escaneado m) con (a) XE-series de la sonda térmica Nano y (b) de alambre Wollastone.

Figura 4. Conductividad térmica de comparación de imágenes de los mensajes HSQ de 1 mm de diámetro con dibujos sobre un sustrato de silicio (5 tamaño de escaneado m) con (a) XEseries Sonda Nano térmico y (b) de alambre Wollastone.

La temperatura Modo de Contraste (TCM)

En el modo de la MTC, el elemento de resistencia de la sonda de XE-series Nano térmica se usa como un termómetro de resistencia. La temperatura de la sonda cambia térmica como la punta explora la superficie de acuerdo a la temperatura de la superficie. Cambio de la temperatura del hilo conduce a un cambio de su resistencia. La temperatura de una región muy pequeña se puede medir mediante la ejecución de una corriente constante, conocido como el 'actual de la sonda, a través de la sonda y la medición de la resistencia como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Esquema del modo de TCM.

En primer lugar, la punta se pone en equilibrio térmico con la superficie de la muestra y por lo tanto su resistencia es constante. En este momento, la resistencia variable en el puente se ajusta de modo que la diferencia de potencial entre los puntos 1 y 2 se convierte en cero. Entonces, la temperatura de la sonda cambia cuando la sonda sobre la superficie de las exploraciones. El cambio correspondiente en la resistencia de la sonda se altera el equilibrio de voltaje del puente, el cambio de la diferencia de voltaje entre los puntos 1 y 2. Esto se conoce como " SThM error '. Este SThM error se utiliza para generar el SThM imagen en el modo de TCM.

La corriente pasa a través de la sonda en la MTC está dispuesto a ser lo suficientemente pequeño que no auto-calentamiento de la sonda se produce. (Cambio de resistencia debido al calentamiento del mismo podría causar errores en la medición de la temperatura.) También en TCM modo, la velocidad de escaneado está limitada por el tiempo necesario para que la punta para alcanzar el equilibrio térmico con la superficie de la muestra.

Conductividad modo de contraste (CCM)

En el modo de conductividad de contraste, (CCM) el elemento de resistencia de la sonda de XE-series Nano térmica se utiliza como un calentador de resistencia. Suficiente energía se aplica a la punta de la sonda para mantenerla a una temperatura determinada a través de un circuito de retroalimentación. La energía necesaria para mantener la temperatura representa la conductividad térmica local. Diagrama esquemático de la CCM se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Diagrama esquemático del modo CCM.

Cuando la sonda se calienta, predeterminado en un valor mucho más alto que la temperatura de la muestra, se pone en contacto, el calor fluye desde la sonda a la muestra, lo que resulta en el enfriamiento de la sonda. Los sentidos de retroalimentación de este cambio, los saldos de la tensión de puente, y restaura la resistencia de la sonda (o temperatura) a su valor predeterminado. Los datos brutos de la SThM de la XE-serie refleja la tensión de realimentación, _de V, aplicada al puente. Sin embargo, la conductividad térmica de la muestra es proporcional al flujo de calor (~ V _a ^2), cuando la punta está en contacto con una muestra. Un método sencillo de calibración se pueden implementar para la medición de la conductividad térmica absoluta.

El flujo de calor entre la punta y la muestra objeto de la investigación está controlada por los siguientes tres factores;

• Conductividad térmica de la muestra
• El área de contacto de la sonda
• Diferencia de temperatura de la sonda y la muestra

Para la mayoría de las muestras de los cambios en la superficie de contacto de la sonda de la muestra son insignificantes y, debido a su gran masa térmica, la muestra se mantiene a una temperatura constante (la diferencia de temperatura entre la punta de la sonda y la muestra también se mantiene constante ya que la temperatura de la sonda es controlado por el circuito de retroalimentación). Como resultado, los cambios en el flujo de calor va a ser causado por cambios en la conductividad térmica de la muestra.

Como la conductividad térmica de la muestra varía a lo largo de la exploración, la temperatura de la sonda tiende a cambiar, sin embargo, el puente de Wheatstone usa el error SThM y retroalimentación para equilibrar el voltaje aplicado a la punta con el fin de mantener su temperatura constante, en la preselección de valor.

Nanoescala imagen térmica de la XE-Series

Figura 7 muestra la topografía de alta resolución y la imagen de la conductividad térmica de 4,3 mm de diámetro después de HSQ sobre un sustrato de silicio por el SThM XE-series con la sonda térmica Nano. Falta de homogeneidad en la conductividad térmica, debido a las impurezas en la composición HSQ, se observa en contraste con una topografía plana. Como de alta resolución y sensibilidad térmica puede ser realizado por el SThM XE-series .

Figura 7. (A) de alta resolución SThM topografía y (b) la imagen de conductividad térmica de un puesto de HSQ con un diámetro de 4,3 mm sobre un sustrato de silicio (5 tamaño de escaneado m) por la SThM XEseries con sonda térmica Nano.

En la Figura 8 la topografía de alta resolución y una conductividad térmica de los más pequeños mensajes HSQ con un diámetro de 0.2μm sobre un sustrato de silicio son expuestas, de nuevo, utilizando el SThM XE-series con la sonda térmica Nano. En la imagen de la conductividad térmica, también se puede observar las impurezas, que no es evidente en la topografía.

Figura 8. (A) de alta resolución SThM topografía y (b) la imagen de conductividad térmica de los mensajes HSQ con un diámetro de 0,2 mm sobre un sustrato de silicio 5 micras de tamaño de escaneo) por el SThM XEseries con sonda térmica Nano.

Es, evidentemente, ha demostrado que el SThM XE-series tiene una resolución espacial y térmica en comparación con el anterior SThMs . Se abre grandes posibilidades en la investigación a nanoescala de las propiedades térmicas de diferentes materiales nanoestructurados.

Fuente: Microscopía térmica (SThM) - Nota de aplicación de sistemas de parques
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