MERACIE METÓDY VO FYZIKE TUHÝCH LÁTOK

Elektrické a optické meracie metódy

Skúška:

Každý deň počas skušobného obdobia zimného semestra. Prihlásenie (dohodnuť sa na termíne skúšky) sa na skúšku – najneskôr 3 dni pred plánovaným termínom.

Hodnotenie:

30 percent – hodnotenie počas semestra70 percent – skúška

SYLABUS PREDNÁŠKY

ÚvodMetódy merania elektrického odporu a mernej vodivostiJednosondová metóda merania σ, Dvojsondová metóda merania σ, Štvorkontaktová metóda merania σ, Štvorsondová

merania σ.Vplyv šumov a porúch na elektrické merania a techniky ich redukcie.

Meranie signálov nanovoltových úrovní, Šumový faktor a jeho mearanie, Kaskádne zapojenie zosilovacích prvkov, pomer signal/šum, Definícia šumov v elektrických systémoch, Meranie šumu

Elektrické a magnetické vlastnosti obvodovPrenos signálov a výkonu v elektrických systémoch, Zemnenie elektrických systémov, Elektrické a magnetické

tienenieDigitálne obvody – šum a vyžarovanie, Metódy merania mernej elektrickej vodivosti σ a Hallovho javu (polovodičov, príp. kovov a supravodičov). Meranie σ a Hallovho javu 4 až 8 kontaktovou metódou, Určovanie typu vodovosti polovodiča (P, N) z

termoelektrického javu, Meranie σ a Hallovho javu metódou L.J. van der Pauwa, Meranie σ a Hallovho javu striedavým prúdom v konštantnom mag. poli, Meranie σ a Hallovho javu striedavým prúdom v v striedavom mag. Poli, Synchrotrónne detektory, Metóda L.J. van der Pauwa pre RH a σ pomocou nf. napätia s js. Predpätím, Meranie σ masívnych polovodičov a tenkých vrstiev pomocou rozptylového odporu

Meranie implantačných profilov metódou anodickej oxidácie a zleptavaním vrstievMeranie implantačných profilov metódou rozptylového odporu

Meranie doby života τ a difúznej dĺžky L minoritných nosičov prúduTeoretický úvod, Meranie τ a L metódou fázovej kompenzácie, Elektrická impulzná metóda merania τ a L, Optická

impulzná metóda pre τ a LMeranie τ optickou metódou vo femtosekundovej oblasti.Meranie nehomogenity kryštálov pomocou objemového fotoefektuĎalšie modulátory svetla (zdroje modulovaného svetla)Meranie difúznej dĺžky minoritných nosičov prúdu metódou EBIC. Využitie metódy EBIC v

mikroelektronikeZáklady kapacitnej spektroskopie (DLTS) hlbokých hladín energie prímesí

Úvod do analytických metód

Fyzika povrchov, ...

1. Rozdelenie analytických metód1.1. Tunelová spektroskopia a mikroskopia1.2. Rastrovacie sondové mikroskopické metódy (AFM, MFM, LFM, ...)1.4. XPS, AES, GDS2. Elektrónová mikroskopia, SEM, TEM2.3. LED 2.4. EDX2.1. EBIC

Zoznam literatúry k prednáške Meracie metódy FTL

Meracie metódy

J.Brož a kol., Základy fysikálních měření (I), SPN, Praha, 1967, pp.532.J.Brož a kol., Základy fysikálních měření (II)A, SPN, Praha, 1974, pp.295.J.Brož a kol., Základy fysikálních měření (II)B, SPN, Praha, 1974, pp.756. Ralph Morrison, Grounding and Schielding Techniques, 4th edition, John Willey&Sons, Inc., New York, 1998, pp. 201, ISBN 0-

471-24518-6.Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd edition, John Wiley & Sons, New York, 1988, pp.426,

ISBN 0-471-85068-3.J.Jelínek, Z.Málek, Kryogenní technika, SNTL, Praha, 1982, pp.354.V.Matuáš, Elektronické měžicí přistroje, SNTL/ALFA, Praha, 1981, pp.402.

Analytické metódy 1. Metódy analýzy povrchů – Elektronová spektroskopie, Ed. L.Eckertová, Academia Praha, 1990, pp.323. ISBN 80- 200-

0261-82. H.Lűth, Solid Surfaces, Interfaces and Thin Films, Springer-Verlag, Berlin, 2001, pp.559. ISBN 3-540-42331-13. Surface analysis, Ed. J.C.Vickerman, John Willey & Sons, New York, 2004, pp.457. ISBN 0-471-97292-44. Springer Handbook of Nanotechnology, Ed. Bharat Bhushan, Springer-Verlag, Berlin, 2004, pp.1222. ISBN 3- 540-

01218-45. E.L.Wolf: Principles of Electron Tunneling Spectroscopy, Oxford University Press, New York, 1989, pp.576.6. Scanning Tunneling Microscopy I, Eds. H.J.Guntherodt and R.Weisendanger, Springer-Verlag, Berlin, 1994, pp. 280.7. Scanning Tunneling Microscopy II, Eds. R.Weisendanger and H.J.Guntherodt, Springer-Verlag, Berlin, 1995, pp. 349.8. Scanning Tunneling Microscopy III, Eds. R.Weisendanger and H.J.Guntherodt, Springer-Verlag, Berlin, 1993, pp.

375.9. M.Ohring, The materials Science of Thin Films, Academic Press, New York, 1992, pp. 704, ISBN 0-12-524990-X10. Yip-Wah Chung, Surface Science and Spectroscopy, Academic Press, New York, 2001, pp. 186, ISBN 0-12-

174610-011. Milton Ohring, The Material Science of Thin Films, Academic Press, New York, (1992) pp.704. ISBN 0-12-524990-X

Čo je cieľom prednášky?Oboznámiť študentov s meracími a analytickými metódami používanými pri štúdiu tuhých látok, ich povrchov a rozhraní s inymi látkami.+ Praktické ukážky vybraných metód

Prečo meracie metódy?

Väčšina meraní fyzikálnych veličín sa v konečnom dôsledku zvrhne na meranie elektrických signálov a ich spracovanie. V súčasnosti je trend miniaturizácie senzorov a elektronických obvodov a s tým su spojené aj problémy merania veľmi malých signálov a eliminácie šumov.

Prečo práve povrchy a rozhrania?Nové trendy vo fyzike, chémii, medicíne, životné prostredie, ...

FYZIKA TUHÝCH LÁTOK

OBJEMOVÉ VLASTNOSTÍ MATERIÁLOV

REÁLNE POVRCHYTENKÉ VRSTVY

ATÓMOVÉ ZOSKÚPENIAELEKTROCHÉMIA

Fyzika povrchov a interfejsov

MOLEKULOVÁ FYZIKA

VÁKUOVÁ TECHNOLÓGIA

DEPOZIČNÉ METÓDY

SENZORIKA

POČÍTAČOVÉ SIMULÁCIE

OPTIKA NABITÝCH ZVÄZKOV

POLOVODIČOVÁ TECHNOLÓGIA A

SÚČIASTKY

ANALYTICKÉ METÓDY

KORÓZIA A OCHRANA POVRCHOV

NANO - TECHNOLÓGIE

BIOTECHNOLÓGIEBIOFYZIKA

ŽIVOTNÉ PROST.

Fyzika Mikro- a nanoštruktúry Senzorika (všetky typy senzorov integrované do mikročípov,...)Nanokompozitné materiály (samočistiace, antibakteriálne, ...)mezoskopická fyzika – nové javy, makroskopická fyzika neplatí)Integrovaná optika, optické zmiešavače a prepínače, polovodičové lasery, Optoelektronika pre THz pásmo, ...Plazmochemické procesy (plazmové obrazovky, emitory elektrónov, plazmové depozičné techniky tenkých vrstiev, plazmochemické leptanie mikro- a nanoštruktúr, ...)

MEMS – Micromechanical Electronic Systems

Digital Micromirrors Device Optical Data Switching

Vznikajú nové nároky na výskum, ako aj kvalitu ...

SURFACE AND INTERFACE SCIENCE1.Topografia2.Chemické zloženie3.Chemická štruktúra4.Atómová štruktúra5.Elektronický stav povrchu6.Popis väzieb atómov a molekúl na povrchuŽiadná z analytických metód nemôže dať komplexnú informáciu o skúmanom povrchu.

Delenie z rôzných hľadísk. Jedná z možností je delenie podľa typu dopadajúceho a detekovaného zväzku.Dopadajúci zväzokDetekovaný zväzok

FotónElektrón

FotónFotón

ElektrónElektrón

IónIón

NeutrónNeutrón

Informácia

Topografia SEMSTM

Chemické zloženie

ESCA/XPS

AES

Chemická štruktúra

ESCA/XPS

EXAFSIR&SFGEXAFS

EELS SIMS INS

Atómová štruktúra

XRD LEEDRHEED

ISS

Väzby EXAFSIR

EELS SIMS INS

Elektronická štruktúra

TSSTSPCS

Silové pôsobenie – AFM, MFM, EFM, LFM, ...

AKRONYM

AES Auger Electron SpectroscopyAFM Atomic Force SpectroscopyARUPS Angle Resolved UPSARAES Angle Resolved AESEELS Electron Energy Loss SpectroscopyESCA/XPS Electron Analysis for Chemical Analysis/ X-ray Photoelectron SpectroscopyEXAFS Extended X-ray Absorption Fine StructureEFM Electrostatic Force MicroscopyILEED Inelastic Low Energy Electron DiffractionINS Ion Neutralization SpectroscopyIR Infra-Red SpectroscopyISS Ion Scattering SpectrometryLEED Low Energy DiffractionLEIS Low Energy Ion ScatteringMFM Magnetic Force MicroscopyPCS Point Contact SpectroscopyRBS Rutherford BackscatteringRHEED Reflection High Energy Electron DiffractionSEM Scanning Electron MicroscopySIMS Secondary Ion Mass SpectroscopyST Tunneling SpectroscopySTM Scanning Tunneling MicroscopySTS Scanning Electron SpectroscopyTEM Transmission Electron MicroscopyUPS Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy

Koľko atómov je na povrchu?V 1 cm3 je asi 1023 atómov. Rozmer atómu je 0.1 ÷ 0.3 nm na 1 cm2 bude na povrchu asi 1013 atómov.

Hĺbka vniku častíc

Častica Energia [eV] Hĺbka [nm]Fotón 1000 1000Elektrón 1000 2Ión 1000 1

Koľko prímesových atómov ešte môžeme detekovať?

Napr. pri AES berieme signál z povrchu rádovo mikrometrov. Na tomto povrchu (1 cm2 = 108 μm2) je počet atómov asi 105 , resp. 106 v prvých desiatich atómových vrstvách.Ak chceme detekovať množstvo prímesových atómov na úrovni 1 % je nutné detekovať asi 104 atómov.

zvmp 22

kTvm23

21 2 vkTzp /6

Prečo potrebujeme vysoké vákum? Majme čistý povrch kovu, polovodiča a pod. v uzavretej komore jednotkového objemu a počítajme zrážky molekúl plynu so stenou komory na 1 cm2 za 1 sekundu.Počet zrážok z [cm-2s-1] bude daný tlakom p [torr] vzťahom:

Kde m je hmotnosť atómu, resp. molekuly plynu a <v> je jej stredná tepelná rýchlosť.Ak uvážime, že :

=>

Pre p = 10-6 torr, m(N2) = 28, T = 300 K je z = 3,84x1014 zrážok s povrchom/s.cm2, t.j. asi 0,4 monovrstvy za sekundu (za predpokladu, že každá molekula sa naviaže na povrch).

Pri tlaku p = 10-9 torr je to asi 1 hodina

Voľba metódy

je potrebné zvážiť jednak aké informácie chceme získať, ako aj:

citlivosť metódy pre daný materiálrozlišovaciu schopnosťmožnosť kvantifikácieSondovaciu hĺbku metódyDeštruktívnosť povrchu

Pre komplexnú analýzu je potrebné aplikovať súbor analytických a mikroskopických metód.