Alta resolução Scanning Microscopy térmica (SThM) com o Microscópio de Força Atômica XE-Series do Parque Sistemas

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Alta resolução Scanning Microscopy térmica (SThM) com o AFM XE-Series
XE-série Sonda Térmica Nano
Modo de temperatura Contraste (TCM)
Modo de condutividade Contrast (CCM)
Nanométricos de imagens térmicas pelo XE-Series

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Parque de Sistemas é o Microscópio de Força Atômica (AFM) líder em tecnologia, oferecendo produtos que atendam os requisitos de todas as pesquisas e aplicações industriais em nanoescala. Com um design único scanner que permite a criação de imagens sem contato True em ambientes líquidos e ar, todos os sistemas são totalmente compatíveis com uma longa lista de opções inovadoras e poderosas. Todos os sistemas são projetados com a facilidade de uso, precisão e durabilidade em mente, e oferecer aos seus clientes com os recursos meetiong final para todas as necessidades presentes e futuras.

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Alta resolução Scanning Microscopy térmica (SThM) com o AFM XE-Series

Tem havido um interesse crescente na dispersão de calor de materiais nanoestruturados. O XE-série Scanning Thermal Microscopy modo (SThM) foi desenvolvido para investigar as propriedades térmicas em escala nanométrica. SThM O XE-série usa nanofabricated sondas térmicas para alcançar alta resolução espacial e sem precedentes e sensibilidade térmica com um esquema único sinal de detecção.

A técnica SThM da XE-série de mapas das propriedades térmicas da superfície da amostra, utilizando uma sonda térmica nanofabricated com um elemento resistivo. SThM O XE-série está disponível em dois modos, Microscopia de contraste térmico (TCM) e microscopia de contraste de condutividade térmica ( CCM). TCM permite que o usuário para medir as variações de temperatura sobre uma superfície da amostra. CCM permite ao usuário medir as variações de condutividade térmica sobre uma superfície da amostra.

A Figura 1 mostra o diagrama esquemático do sistema SThM XE-série . A "V" elemento em forma de resistência é montado no final de um cantilever. Embora a distância entre a ponta ea superfície da amostra é regulado pelo usual AFM esquema, a sonda térmica formas uma perna de uma ponte de Wheatstone (Figura 1). É esta ponte de Wheatstone que feedbacks, ajusta e equilibra a tensão da ponte, a fim de medir a temperatura da sonda (TCM) ou manter uma temperatura constante de sonda (CCM).

Figura 1. Diagrama esquemático do sistema SThM XE-série.

A topográficas AFM imagem pode ser gerada a partir de mudanças na deflexão do cantilever de amplitude. Assim, as informações topográficas podem ser separados das variações locais em propriedades térmicas da amostra, e os dois tipos de imagens podem ser coletados simultaneamente.

XE-série Sonda Térmica Nano

A parte fundamental do SThM é o SThM ponta, que serve como um termômetro de resistência (ou um aquecedor em modo CCM), ao mesmo tempo como um AFM ponta. O elemento térmico de um cantilever responde de forma diferente a mudanças na condutividade térmica, e fazer com que o cantilever para desviar. Anterior SThM projetos não poderiam fornecer resolução espacial e térmica suficiente, severamente limitado pela geometria de uma sonda de fio baseada em térmica, ou seja, fio Wollastone. SThM O XE-série utiliza uma sonda térmica nanofabricated onde um elemento resistivo é lithographically estampados na AFM ponta .

Figura 2 (a) e 2 (b) mostra microscopia eletrônica de varredura (MEV) imagens de uma sonda térmica e Wollaston fio da sonda térmica usada em nanofabricated o SThM XE-série . O raio da ponta da sonda nanofabricated é de cerca de 100 nm permitindo alta resolução de digitalização de imagem térmica, enquanto que a de uma sonda de fio Wollaston é maior do que várias centenas de nm.

Figura 2. As imagens SEM de (a) uma Sonda Nano XE-série térmica e (b) um fio de Wollaston.

Na Figura 3 e 4, é feita uma comparação entre o Probe Nano XE-série térmica e uma sonda de fio Wollastone. A amostra trabalhada é hidrogênio silsesquioxane (HSQ) posts com 1 mM de diâmetro em um substrato de silício. As diferenças detalhadas na resolução de condutividade térmica e topográficas são claramente demonstrado com a Sonda Nano XE-série térmica que tem resolução espacial e térmica superior. Por favor note que tais melhorias dramáticas na resolução e sensibilidade são realizados apenas por combinar as vantagens da sonda térmica e do nanofabricated SThM sensibilidade modo oferecido pelo XE-série.

Figura 3. Comparação topografia imagem de posts HSQ de 1 mm de diâmetro padronizada sobre um substrato de silício (5 tamanho de digitalização mm) usando (a) XE-série Probe Nano térmica e (b) fio Wollastone.

Figura 4. Comparação de imagens de condutividade térmica de posts HSQ de 1 mm de diâmetro padronizada sobre um substrato de silício (5 tamanho de digitalização mm) usando (a) XEseries Probe Nano térmica e (b) fio Wollastone.

Modo de temperatura Contraste (TCM)

No modo TCM, o elemento resistivo do Probe Nano XE-série térmica é usada como um termômetro de resistência. A temperatura da sonda térmica mudanças como a ponta varre a superfície de acordo com a temperatura da superfície. Mudança da temperatura de fio leva a mudança de sua resistência. A temperatura de uma região muito pequena pode ser medido pela execução de uma corrente constante, referido como o "teste atual," através da sonda e medir a resistência, como mostrado na Figura 5.

Figura 5. Diagrama esquemático do modo de TCM.

Primeiro, a dica é colocar em equilíbrio térmico com a superfície da amostra e, assim, sua resistência é constante. Neste momento, o resistor variável na ponte é ajustado para que a diferença de potencial entre os pontos 1 e 2 se torna zero. Então, a temperatura da sonda mudanças como a sonda faz a varredura sobre a superfície. A mudança correspondente na resistência sonda irá alterar o equilíbrio de tensão da ponte, mudando a diferença de tensão entre os pontos 1 e 2. Isto é referido como " SThM erro '. Este SThM de erro é usado para gerar o SThM imagem no modo TCM.

A corrente atravessou a sonda no TCM está definido para ser pequena o suficiente para que não auto-aquecimento da sonda ocorre. (Variação de resistência devido ao aquecimento auto poderiam causar erros na medição da temperatura.) Também no TCM, a velocidade de varredura é limitado pelo tempo que leva para a ponta para alcançar o equilíbrio térmico com a superfície da amostra.

Modo de condutividade Contrast (CCM)

No modo de condutividade Contraste, (CCM) do elemento resistivo do Probe Nano XE-série térmica é usada como um aquecedor resistivo. Energia suficiente é aplicada para a ponta da sonda para mantê-lo a uma temperatura definida através de um loop de retroalimentação. A energia necessária para manter a temperatura representa a condutividade térmica. Diagrama esquemático do CCM é mostrado na Figura 6.

Figura 6. Diagrama esquemático do modo CCM.

Quando a sonda aquecida, preset em um valor muito maior do que a temperatura da amostra, faz fluxos de contato, o calor da sonda à amostra, resultando no resfriamento da sonda. Os sentidos gabarito esta mudança, os saldos a tensão da ponte, e restaura a resistência da sonda (ou temperatura) do seu valor predefinido. Os dados brutos da SThM da XE-série reflete a tensão de feedback, _a V, aplicado à ponte. No entanto, a condutividade térmica da amostra é proporcional ao fluxo de calor (~ V _out ^2), quando a ponta está em contato com uma amostra. Um método de calibração simples pode ser implementado para medição da condutividade térmica absoluta.

O fluxo de calor entre a ponta ea amostra sob investigação é controlada pelos seguintes três fatores;

• Condutividade térmica da amostra
• Área de contato da sonda
• Diferença de temperatura da sonda ea amostra

Para a maioria das amostras as mudanças área de contato da sonda-amostra são desprezíveis e, devido à sua grande massa térmica, a amostra permanece a uma temperatura constante (a diferença de temperatura entre a ponta ea amostra também permanece constante desde a temperatura de a sonda é controlada pelo ciclo de feedback). Como resultado, as mudanças no fluxo de calor será apenas causadas por mudanças na condutividade térmica da amostra.

Como a condutividade térmica da amostra varia durante a verificação, a temperatura da sonda tende a mudar, no entanto, a ponte de Wheatstone usa o erro SThM e feedback para equilibrar a tensão aplicada à ponta, a fim de manter sua temperatura constante, ao pré- valor.

Nanométricos de imagens térmicas pelo XE-Series

A Figura 7 mostra a topografia de alta resolução e imagem de condutividade térmica de um milímetro de diâmetro 4,3 HSQ pós sobre um substrato de silício pela SThM XE-série com Nano Sonda térmica. Heterogeneidade na condutividade térmica, devido às impurezas na composição HSQ, é observado em contraste com uma topografia plana. Resolução tão alta sensibilidade térmica e só pode ser realizado pelo SThM XE-série .

Figura 7. (A) de alta resolução SThM topografia e (b) imagem de condutividade térmica de um post HSQ com 4,3 mm de diâmetro em um substrato de silício (5 tamanho de digitalização mm) pela SThM XEseries com Nano Sonda térmica.

Na Figura 8 a topografia de alta resolução e condutividade térmica de menor posts HSQ com diâmetro 0,2 Hm sobre um substrato de silício são gravadas, de novo, usando o SThM XE-série com Nano Sonda térmica. Na imagem condutividade térmica, pode-se observar também as impurezas, o que não é aparente em topografia.

Figura 8. (A) de alta resolução SThM topografia e (b) imagem de condutividade térmica de posts HSQ com 0,2 mm de diâmetro em um tamanho do substrato de silício scan 5 mm) pela SThM XEseries com Nano Sonda térmica.

É evidentemente demonstrado que a SThM XE-série tem uma resolução espacial superior e térmica em comparação com anteriores SThMs . Ela abre grandes possibilidades na investigação à escala nanométrica de propriedades térmicas em diversos materiais nanoestruturados.