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Rasterkraftmikroskop

Subject Area Condensed Matter Physics
Term Funded in 2014
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 253200291
 
Final Report Year 2018

Final Report Abstract

Das Rasterkraftmikroskop (RKM) ist ein für die Arbeitsgruppe zentrales Gerät, das von nahezu allen Mitgliedern in der Forschung genutzt wird. Es ist im täglichen Ablauf als notwenige Qualitätskontrolle der Morphologie von der Makro- zur Nanoskale nahezu aller selbst hergestellten Proben, vor und nach der Durchführung anderer Experimente, im Einsatz. Das RKM liefert somit einen wesentlichen Beitrag in der Forschung und der Erstellung von Vorarbeiten zu neuen Projekten, auch wenn nicht alle erzielten Ergebnisse direkten Eingang in Publikationen finden. Abgesehen von solchen vergleichsweise Standardanwendungen der Rasterkraftmikrospie sind Forschungsergebnisse zustande gekommen, bei denen die Möglichkeiten des angeschafften Geräts im Zentrum standen, wie im Folgenden kurz erläutert: Wir konnten aufklären, wie sich die dreidimensionale örtliche Verteilung des elektrostatischen Potentials einer inhomogenen Oberfläche auf die Bestimmung der Austrittsarbeit mittels Photoelektronenspektroskopie (PES) auswirkt. Dazu wurden lateral streifenförmig Variationen der lokalen Austrittsarbeit an Oberflächen hergestellt, durch den Einsatz von dipolaren molekularen selbstassemblierten Monolagen. Diese lokale Variation musste sowohl lateral als auch vertikal oberhalb der Oberfläche präzise eingestellt und experimentell verifiziert werden. Mittels der Kelvin-Sonden-Mikroskopie, einer der Abbildungsmethoden des RKM, wurde die Verteilung des elektrostatischen Potentials im Halbraum overhalb der Probe vermessen (bis zu einem Abstand zwischen Spitze und Probe von 1.2 µm), und eine exzellente Übereinstimmung mit elektrostatischer Modellierung gefunden. In wenigen nm Abstand zwischen Spitze und Probe findet man die laterale lokale Austrittsarbeit der zwei verschiedenen Bereiche, wie sie auch an jeweiligen homogenen Proben gemessen wurden. Nimmt der Abstand zwischen Spitze und Probe zu, werden die Potentialabstände kontinuierlich kleiner. Bei einem Abstand, der in guter Näherung der Periodenlänge des lateralen Materialmusters entspricht, hat sich ein mittleres elektrostatische Potential eingestellt. Mit dieser Kenntnis der Potentialverteilung konnten nachfolgend die Spektren des Sekundärelektronen-Cutoffs, wie üblicherweise in PES gemessen, erklärt werden. Vor allem der Zusammenhang zwischen der lateralen Variation des Oberflächenpotentials mit der Art der Mittelung der Austrittsarbeit aus PES wurde dargestellt, und ermöglicht nun eine präzise und kritische experimentelle Ermittlung der Austrittsarbeit von Proben mit Oberflächeninhomogenitäten. Durch die Kombination von drei Abbildungsmodi des RKM konnte die Mikrostruktur und einige mechanische Eigenschaften von Monolagen aus Übergangsmetall-Dichalkogeniden bestimmt werden. Am Beispiel von vorwiegend WS2 Monolagen auf SiO2 Substraten wurde gezeigt, dass mechanische Verspannungen innerhalb einer Monolage im „lateral force mode“ sichtbar werden, nicht jedoch in herkömmlichen Kontakt und Intermittent-Kontakt Modi. Korngrenzen mit hoher Symmetrie wiederum sind nur im „transverse shear mode“ (TSM) darstellbar. Korngrenzen niedriger Symmetrie sind durch einen flächigen Kontrast zwischen den Körnen wiederum gut sichtbar. Durch winkelabhängige Messungen mittels TSM, i.e., durch Drehen der Probe unter der Spitze, konnten Komponenten des Elastizitätsmoduls des Materials zum ersten Mal experimentell bestimmt werden. Mit dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass die oben beschriebene Kombination von RKM-Abbildungsmodi die Mikrostruktur von Übergangsmetall-Dichalkogenide Monolagen mit hoher Präzision und – im Vergleich zu anderen experimentellen Methoden – sehr rasch und auf großen Flächen zugänglich sind. Durch die automatisierte Aneinanderreihung von Bildausschnitten der maximalen Rasterfläche des RKM (90 µm) mittels programmiertem Verfahr-Tisch der Probe selbst war es möglich, eine Fläche von über 2 mm^2 durchgehend in wenigen Stunden zu untersuchen.

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