Transcript dr Mirosław Krawczyk

Charakterystyka powierzchni przewodzących i
półprzewodnikowych wybranymi metodami
fizykochemicznymi
Zadania:
1. Charakterystyka niemodyfikowanych powierzchni GaN uzyskanych w IWC oraz
powierzchni niemodyfikowanych elektrod (AFM, XPS)
2. Charakterystyka powierzchni przewodzących (elektrod) i półprzewodnikowych
(GaN) modyfikowanych ligandami (AFM/STM, XPS, FTiR, Raman, SPR)
Zespół: A. Jabłoński , J.W. Sobczak, M. Krawczyk, W. Lisowski,
O. Chernyayeva , K. Nikiforow, A. Biliński
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie 29 września 2010
Zadanie 1 - Charakterystyka niemodyfikowanych powierzchni GaN uzyskanych
w IWC oraz powierzchni niemodyfikowanych elektrod
Uzupełniano katalog powierzchni materiałów półprzewodnikowych - podłoży do
wzrostu struktur azotkowych oraz struktury na bazie GaN wytworzone w
Instytucie Wysokich Ciśnień PAN. Wykonano pomiary widm fotoelektronowych
nowych próbek otrzymywanych techniką MOCVD oraz próbek otrzymywanych
innymi technikami MBE, HVPE. Po uzupełnieniu o obrazy AFM wyniki zostaną
dołączone do przygotowanego wcześniej katalogu.
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN – Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie -
29 września 2010
W przygotowaniu katalog powierzchni
materiałów półprzewodnikowych na bazie
GaN wytwarzanych w IW PAN (Prof. T.
Suski, doc. J. Weyher),
uzupełniony o obrazy AFM powierzchni.
GaN
Powierzchnia analizy XPS = 100x100 mm
GaN (MOCVD, MBE, HVPE)
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury Półprzwodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie - 29 września 2010
3
Ga L3M23M23
Ga L2M23M23
O 1s
1
Ga L3M23M45 ( P)
5
6,0x10
TG1660 (HVPE)
Al survey
5
C1s
Ga 3d
Ga 3s
5
2,0x10
Ga 3p
4,0x10
O KLL
Intensity (Counts/s)
Ga 2p1/2
5
8,0x10
Ga L3M23M45 ( P)
1
Ga L2M23M45 ( P)
Ga L3M45M45
N 1s+ Ga L2M45M45
Ga 2p3/2
6
1,0x10
0,0
1200
1000
800
600
400
200
0
Binding Energy (E) (eV)
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie -
29 września 2010
1
Otrzymano również serię próbek innego
półprzewodnika z szeroką przerwą
energetyczną – SiC, dostarczonych
przez doc. J.L. Weyhera.
IWC_PAN
SiC_ no etched
At. %
-Si2s
-Si2p
-Cl2p
-Ca2p
0
1000
500
0
1
At. %
IWC_PAN
-O1s
SiC_etched
-Si2S
-Si2p
-Ca2s
-Ca2p
-C1s
Si - 25.0
C - 19.9
O - 46.9
Ca - 5.8
F - 2.4
-F1s
Po elektrochemicznym trawieniu zespół
IWC obserwował na powierzchni
węglika krzemu narastanie
niezidentyfikowanej warstwy. Naszym
zadaniem była identyfikacja składu tej
warstwy. Obecność związków Ca w
powstającej warstwie była
zaskoczeniem, informacja ta zmusiła do
szczegółowego sprawdzenia
stosowanych procedur
przygotowywania powierzchni węglika.
Intensity (a.u.)
-Sn3d
-C1s
-O1s
Si - 35.7
C - 47.3
O -14.9
Ca - 0.9
Sn - 0.7
Cl - 0.5
0
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury
Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie 29 września 2010
1000
500
Binding Energy (eV)
0
Zadanie 2. Charakterystyka powierzchni przewodzących (elektrod) i
półprzewodnikowych (GaN) modyfikowanych ligandami (AFM/STM,
XPS, FTiR, Raman, SPR)
W III kwartale
nie
wykorzystywano
mikroskopii
AFM/STM
i
spektroskopii XPS w tym zadaniu ze względu na niedostarczenie
próbek do analizy tymi metodami przez zespołów realizujące projekt.
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie 29 września 2010
none
At. %
-S2p
-Si2s
-Si2p
-O1s
C - 67.9
O - 22.3
Si - 9.7
S - 0.1
0
1
air
-C1s
IChF_PAN
-O1s
At. %
-N1s
C - 64.4
O - 21.0
Si - 6.5
N - 4.1
S - 4.0
-S2s
-S2p -Si2s
-Si2p
Intensity (a.u.)
Realizowaliśmy badania powierzchni
poliwęglanów modyfikowanych w
zespole doc. dr hab. P. Garsteckiego
pod katem zmiany zwilżalności
powierzchni, identyfikując wynikowy
skład powierzchni.
IChF_PAN
-C1s
1
0
1000
500
Binding Energy (eV)
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe
Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i
Medycynie - 29 września 2010
0
W realizacji zadań projektu pomagali nam stażyści – studenci po 2 roku fizyki
Uniwersytetu Jagiellońskiego : Iwona Zduleczna i Tomasz Żaba.
Stażyści brali udział w pomiarach i opracowaniu wyników pomiarów:
- modyfikowanych powierzchni poliwęglanu;
- powierzchni GaN otrzymywanych w IWC PAN.
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie 29 września 2010
Prezentacje konferencyjne:
1. E. Guziewicz, M.Godlewski, L. Wachnicki, T. A. Krajewski, G. Luka, B.S. Witkowski, B.J.
Kowalski, W. Lisowski, M. Krawczyk, and J.W. Sobczak, Correlation between structural,
electrical and optical properties of low temperature ZnO films grown by ALD, The 6th
International Workshop on Zinc Oxide and Related Materials, August 5-7, 2010, Changchun,
China (oral)
2. M.I. Łukasiewicz, B.S. Witkowski, K. Kopalko, Ł. Wachnicki, G. Łuka, R. Jakieła, E. Łusakowska,
W. Lisowski, J.W. Sobczak, M. Krawczyk, E. Guziewicz, M. Godlewski,
Room temperature ferromagnetism in ZnCoO thin films grown by Atomic Layer Deposition,
Baltic Conference on Atomic Layer Deposition, September 16-17, 2010, Hamburg, Germany
3. E. Guziewicz, T.A. Krajewski, Ł. Wachnicki, G. Łuka, R. Jakieła, A. Stonert, W. Lisowski, J.W.
Sobczak, M. Krawczyk, M. Godlewski, Electrical properties of zinc oxide films grown at low
temperature regime, E-MRS Fall Meeting 2010, Warsaw, 13-17 September 2010
4. M. Godlewski, E. Guziewicz, M. Łukasiewicz, M. Sawicki, B.S. Witkowski, R. Jakieła, S.
Yatsunenko, A. Wittlin, W. Lisowski, J.W. Sobczak, M. Krawczyk, Role of interface in
ferromagnetism of (Zn,Co)O films, E-MRS Fall Meeting 2010, Warsaw, 13-17 September 2010
5. J. W. Sobczak, W. Lisowski, M. Krawczyk, A. Jablonski, E. Guziewicz, M. Godlewski, L.
Wachnicki, T. A. Krajewski, XPS studies of ZnO films grown by low-temperature atomic layer
deposition, 11th European Vacuum Conference, Salamanca, 20-24 September 2010
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie -
29 września 2010
Publikacje:
1. P. Jankowski, D. Ogonczyk, A. Kosinski, W. Lisowski and P. Garstecki,
Hydrophobic modification of polycarbonate for reproducible and stable
formation of biocompatible micro-particles, LabChip, 2010, submitted.
2. L. Derzsi, P. Jankowski, W. Lisowski and P. Garstecki, Hydrophilic
polycarbonate for generation of oil in water emulsions in microfluidic devices,
LabChip, 2010, submitted.
Seminarium Sprawozdawcze IChF PAN - Kwantowe Nanostruktury Półprzewodnikowe do Zastosowań w Biologii i Medycynie 29 września 2010
Oferowane metody i techniki powierzchniowe:
ESCALAB-210 –
- spektroskopia fotoelektronów ze źródłem achromatycznym promieniowania
rentgenowskiego, anoda Al i Mg
- komora preparatywna do reakcji/adsorpcji gazów w zakresie temperatur 100K- 1000K
- linie gazowe H2, D2, CO, NO, N2O, O2, Ar
- termodesorpcja programowana w komorze analitycznej, z detekcją kwadrupolowym
spektrometrem masowym (200 amu)
PHI 5000 VersaProbe - spektroskopia fotoelektronów ze źródłem achromatycznym promieniowania
rentgenowskiego, anoda Al i Mg
- spektroskopia fotoelektronów ze skanującym źródłem monochromatycznym promieniowania
rentgenowskiego, anoda Al, mikroogniskowanie wiązki w zakresie 10 – 100 nm
- możliwość pomiaru w zakresie temperatur 100 -1000K
- spektroskopia fotoelektronów ze źródłem promieniowania UV (UPS)
- spektroskopia elektronów Augera
- profilowanie z wykorzystaniem skanującego działa argonowego o energii do 5 keV
- profilowanie delikatnych materiałów (polimery, struktury biologiczne) skanującym działem
fullerenowym C60 o energii do 10 keV.
komora preparatywna z napylarkami:
- celka efuzyjna pracująca w zakresie temperatur 750-1500°C
- z bombardowaniem elektronowym, do zakresu temperatur 160 – 2300°C
- plazmowe działo azotowe ze wzbudzeniem mikrofalowym
- dyfrakcja powolnych elektronów (LEED)
- linie gazowe H2, CO, NO, N2O, O2, Ar
- termodesorpcja programowana w komorze preparatywnej, z detekcją kwadrupolowym
spektrometrem masowym (300 amu)
komora mikroskopu tunelowego z kriostatem, pomiary STM/ AFM
przepływowy reaktor chemiczny z liniami gazowymi H2, CO, NO, do prowadzenia reakcji w zakresie
temperatur 90 – 1000 K
Oferowane metody i techniki powierzchniowe, aparatura:
Spektrometr fotoelektronów ESCALAB-210
- spektroskopia fotoelektronów ze źródłem achromatycznym promieniowania
rentgenowskiego, anoda Al i Mg
- komora preparatywna do reakcji/adsorpcji gazów w zakresie temperatur 100K1000K
- linie gazowe H2, D2, CO, NO, N2O, O2, Ar
- termodesorpcja programowana w komorze analitycznej, z detekcją
kwadrupolowym spektrometrem masowym (200 amu)
Skanujący mikroanalizator elektronów Augera MICROLAB-350
• otrzymywanie obrazów SE powierzchni próbki (rozdzielczość < 7 nm)
• wykonywanie lokalnych analiz jakościowych (rozdzielczość pozioma < 12 nm,
rozdzielczość w głąb 0,5 - 2 nm; zakres analizowanych pierwiastków od litu (Z = 3)
wzwyż; wykrywalność ok. 0,3 % at.)
• wykonywanie obrazów powierzchniowego rozmieszczenia pierwiastków (rozdzielczość
< 12 nm)
• wykonywanie analiz liniowych rozmieszczenia pierwiastków
•określanie względnej zawartości pierwiastków w nanoobszarach (dokładność analizy >
10 % wzgl.)
• określanie stanu chemicznego atomu w nanoobszarach (rozdzielczość energetyczna
0,06%)
• badanie bardzo cienkich warstw powierzchniowych (ARAES)
• wyznaczanie profili zmian składu chemicznego w głąb materiału z rozdzielczością
nanometryczną (połączone z trawieniem jonowym)
•badanie segregacji pierwiastków na granicach ziaren (wyposażenie do łamania próbek w
próżni w temperaturze ciekłego azotu)
Skanujący mikroanalizator XPS PHI 5000 Versa Probe
produkcji: ULVAC-PHI, Japonia/ USA, (2008) jest podstawą nowego systemu analizy powierzchni, zakupionego przy
wspólfinansowaniu przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego, w ramach Sektorowego Programu Operacyjnego Wzrost Konkurencyjności Przedsiębiorstw 2004-2006, projekt : Centrum technologii nanostruktur półprzewodnikowych i
biosensorów.
Jest to skanujący spektrometr XPS, wykorzystujący monochromatyczną
wiązkę promieniowania rentgenowskiego. Wiązka jest ogniskowana w
zakresie 10 do 100 mikrometrów. Jest to pierwszy i jak na razie jedyny w
Polsce tego typu mikroanalizator powierzchni. Mała powierzchnia wiązki
umożliwia osiągnięcie wysokiej intensywności, osiąganej dotąd jedynie w
układach z wirującą anodą. Spektrometr dysponuje podglądem
analizowanego obszaru z wykorzystaniem obrazu elektronowego
tworzonego przez elektrony wtórne wzbudzane promieniowaniem
rentgenowskim (SXI) oraz mikroskopem optycznym z kamerą video.
Umożliwia to precyzyjne wybranie miejsca analizy. Przy wykorzystaniu
wiązki 10 mikronowej pozwala to na obserwację obiektów o wielkości >4
mikronów
Spektrometr wyposażony jest w 5-osiowy manipulator, z możliwością grzania
i chłodzenia próbek podczas analizy, w zakresie 100-1000 K.
Oprogramowanie umożliwia automatyczną analizę kątowo-rozdzielczą w
wybranym punkcie, a także wykonywanie map stanu i składu chemicznego
wybranych obszarów powierzchni w zakresie 100 x100 mikrometrów do
1400 x 1400 mikrometrów. Skanujące działo jonowe, z automatycznym
dozowaniem argonu, pozwala na analizę profilową próbek w wybranym
punkcie powierzchni. Wyposażony jest również w uzupełniające źródła
promieniowania wzbudzającego: standardowe, achromatyczne źródło
promieniowania X z podwójną anodą Al/Mg, źródło UV z lampą helową,
źródło elektronowe do analizy metodami spektroskopii elektronów Augera
(AES) oraz spektroskopii piku elastycznego (EPES. Unikalnym
wyposażeniem spektrometru, jako pierwszego w Europie, jest działo
fullerenowe C60, przeznaczone do analizy profilowej delikatnych próbek typu
polimerów, organicznych struktur typu OLED lub struktur biologicznych a
także łatwo ulegających degradacji niektórych materiałów tlenkowych
Firma PREVAC zintegrowała spektrometr XPS z komorami przeznaczonymi do innych metod analizy: komory
UHV zmienno-temperaturowego mikroskopu tunelowego STM/AFM z kriostatem helowo-azotowym, produkcji firmy
RHK Technology, a także z przepływowym reaktorem katalitycznym, pozwalającym na przeprowadzenie reakcji
z fazą gazową w małej objętości, a następnie po szybkim odpompowaniu, analizę
powierzchni bez kontaktu z powietrzem atmosferycznym. Kolejny urządzeniem
dołączonym do zestawu jest komora preparatywna, wyposażona w spektrometr
LEED firmy OCI Microengineering, umożliwiający identyfikację i analizę
powstających struktur powierzchniowych, kwadrupolowy spektrometr masowy (do
300 amu) firmy Stanford Research/USA, który z programatorem temperatury próbki
umożliwia analizę metodą termo desorpcji programowanej (TDP). Na komorze
zainstalowane są źródła do napylania cienkich warstw metali lub tlenków, typu celki
efuzyjnej, źródło wykorzystujące grzanie oporowe lub bombardowanie elektronowe
(do 2200 K), a także plazmowe źródło azotowe firmy SPECS, umożliwiające
tworzenie powierzchniowych warstw azotkowych. Uzupełniającym wyposażeniem
Mikroskop tunelowy STM/AFM
komory jest działo jonowe do oczyszczania powierzchni przed napylaniem oraz
układ wagi kwarcowej do określania grubości napylanych warstw
Komora STM/AFM
Komora załadowcza i komora preparatywna