UHV cluster v ceitecu depoziční přístroje: • pulsní laserová depozice (PLD) • epitaxe molekulárních svazků (MBE) • depozice organických a kovových materiálů PLD MBE analytické přístroje: • fotoemisní spektr. (PES), XPS, UPS • skenovací mikroskop (SPM) • elektronový mikroskop na nízkých energiích (LEEM) • spektr. s ionty na nízkých energiích (LEIS) PES SPM Depozice organik a kovů LEEM LEIS UHV cluster v ceitecu depoziční přístroje: • pulsní laserová depozice (PLD) • epitaxe molekulárních svazků (MBE) • depozice organických a kovových materiálů PLD MBE analytické přístroje: • fotoemisní spektr. (PES), XPS, UPS • skenovací mikroskop (SPM) • elektronový mikroskop na nízkých energiích (LEEM) • spektr. s ionty na nízkých energiích (LEIS) PES SPM Depozice organik a kovů LEEM LEIS Pulsní laserová depozice laskavé svolení C. Bernharda Pulsní laserová depozice - princip laskavé svolení C. Bernharda Pulsní laserová depozice komora PLD fotografie oblaku laskavé svolení C. Bernharda Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) laskavé svolení C. Bernharda vývoj signálu RHEED přřřři růůůůstu jedné monovrstvy laskavé svolení C. Bernharda kontrola tloušťťťťky na úrovni jedné monovrstvy s pomocí RHEED Oxidy přřřřechodových kovůůůů Veliká různost elektronových stavů, např.: • supravodivost (oxidy Cu – YBa2Cu3O7…) • fero- a antifero -magnetizmus (oxidy Mn, Co, Cr, Ni.., např. La1-xSrxMnO3) • feroelektrika (oxidy Ti, např. BaTiO3) • multiferroika (BiFeO3…) • přechod kov-izolátor (oxidy Mn, La1-xSrxMnO3) • polovodiče (SrTiO3…) • izolanty (LaAlO3) Perovskitová struktura oxidůůůů přřřřechodových kovůůůů • perovskitová struktura společná většině oxidů přechodových kovů • matriály lze možno kombinovat na atomární úrovni, tzv. epitaxní růst. • Lze tak růst multivrstvy s atomárně hladkými rozhraními a de facto vytvářet nové materiály (supermrížky) La1-xSrxMnO3, ferromagnet, TCurie=370 K YBa2Cu3O7 supravodič, Tc= 92 K multivrstvy YBa2Cu3O7(n)/La0.7Ca0.3MnO3(m) soupeření mezi magnetismem (La0.7Ca0.3MnO3) a supravodivostí (YBa2Cu3O7) snímek z transmisního elektronového mikroskopu – atomární rozlišení Přřřříprava substrátu leptání a žíhání substrátů tak, aby povrch byl atomárně hladký T. Tsuchiya et al, conf. contr. atomární schodky díky (přirozené) rozorientaci povrchu SrTiO3 jižžžž dvěěěě dvouvrstvy CuO2 jsou supravodivé (n=2) Přřřříklad z PLD růůůůstu: nové supravodičččče z BaCuO2 a SrCuO2 Norton et al, Science (1994) • materiály BaCuO2 a SrCuO2 samostatně nejsou supravodivé • v supermřížce vykazují supravodivost až 50-60 K zásadní role rozhraní Herbert Kroemer: (Nobelova cena r. 2000): „Interface is THE device“ • narozhraní mezi piezoelektrickými materiály MgZnO a ZnO vzniká 2D elektronový plyn • pohyblivost dosahuje až 300,000 cm2 V−1 s−1, což umožňuje vidět např. zlomkový kvantový Hallův jev • rozhraní mezi oxidy přechodových kovů získávají často jiné vlastnosti než objemové materiály 3d orbitaly a interakce mezi nimi na rozhraní Hwang, Nat. Mat. (2012) rozhraní mezi oxidy přřřřechodových kovůůůů získávají ččččasto jiné vlastnosti nežžžž objemové materiály: Ferromagnetické rozhraní mezi antiferomagnetem CaMnO3 a paramagnetickým kovem CaRuO3 Takahasi et al, APL, (2001) 2D supravodivost na rozhraní mezi izolátory LaAlO3 (LAO) a SrTiO3 (STO) Caviglia et al, Nature (2008) PLD v Brněěěě v rámci CEITECu! Instalace – listopad 2015 • nadšení (mladí) vědci co si by si rádi hráli s 3d orbitaly přechodových prvků a objevovali nové materiály a fenomény na atomární úrovni • PLD vybavené špičkovou současnou technologií • tlak 5x10-10 mbar • kontrola růstu s RHEED • in situ ozonové atmosféry • ultra homogenní růst se skenováním laserového svazku • připojené na UHV klastr s analytickýma metodama (XPS, ARPES, LEEM, LEED, STM Epitaxe molekulárních svazkůůůů Epitaxe molekulárních svazkůůůů zdroj: wiki Knudsenovy efusní cely: žavený materiál (elementy, např. Ga, As, ) RHEED: reflection high energy elecron diffraction kryopanely absorbující materiál který mine substrát Knudsenova efusní cela • na každý element je potřeba jedna cela • je nutná kalibrace toku vzhledem k ostatním elementům nevýhody: finanční náročnost při změně elementů Ploog, 1981 charakteristiky MBE • nízká depoziční rychlost ~ monovrstva/s • in-situ kontrola atomárního složení vrstev pomocí RHEED • prostředí ultravysokého vakua ~10-10 mbar minimalizující kontaminaci vzorku • skoková změna složení na rozhraní růůůůst „Layer by layer“ Ideální stav: • atomy se adsorbují na povrchu a nukleují 2D ostrůvky • 2D ostrůvky rostou až je vrstva úplná • proces se opakuje •Reálný stav: • Následující vrstva se nukleuje dříve než předcházející je dokončena • počet nedokončených vrstev, tzn. povrchová drsnost, roste s časem • při přerušení se povrch zaceluje, drsnost klesá a vrací se k původnímu rovnému stavu 2D elektronový plynu v GaAs-AlGaAs struktuřřřře snímek z transmisního elektronového mikroskopu – atomární rozlišení L. Reimer, Scanning electron microscopy, (1993) Zlepšování pohyblivosti v závislosti na „ččččase“ kvantový Hallův jev • nobelova cena 1985 fine structure constant Měřěřěřěření magnetických vlastností látek Měřěřěřěření magnetických a transportních vlastností látek • měření odporu, Hallova koeficientu, magnetické susceptibility a magnetizace • 1.6 a 400 K v magnetickém poli +-9 T výrobce firma Cryogenics pulsní cryocooler 7kW příkon 1W chladící výkona na 4K Schéma kryochladičččče a kryostatu 1.6-400K Variable temperature inset VSM – vibrating sample magnetometer • indukční technika měření magnetického momentu– vertikální pohyb vzorku (~20Hz) indukuje proud v cívce • dvě snímací cívky zapojeny v opačném pořadí – vliv vnějšího magnetického pole se ruší • signál přichází na synchronní detektor (lock-in amplifier), výsledkem je amplituda a fáze signálu. magnetický moment supermřřřřížžžžek YBCO/LCMO se svolením C. Bernharda v magnetometrii je standardně používaná jednotka cgs emu. 1 emu = 10-3 Am2 při chlazení v nulovém poli je vidět Meissnerův jev při chlazení v poli je magnetické pole již uvnitř supravodiče v podobě vortexů magnetický moment feromagnetického LaMnO3 se svolením C. Bernharda Měřěřěřěření AC magnetické susceptibility • Primární cívkou se vytváří AC magnetické pole typicky 1mT na 1-10 000 Hz • pokud je vzorek v blízkosti jedné z cívek, pak měřený signále je úměrný reálné a imaginární části magnetické susceptibility magnetická susceptibilita feromagnetického La1-xSrxMnO3 Souza et al, PRB 2007 kritická teplota θ magnetická susceptibilita (anti)feromagnetu LEEM – Low energy electron microscopy LEEM – Low energy electron microscopy • studium struktury povrchů • vysoce energiové elektrony (15-20 keV) jsou zpomaleny na 1-100 eV a fokusovány na vzorek • nízká energii lze měnit a tím měnit hloubku průniku do vzorku v řádu horní atomové vrstvy • elasticky odražené elektrony jsou urychleny, prochází děličem svazků a dopadají na plošný detektor ][ 150 ][; 2 eVE A mE h ≈= λλ vlnová délka elektronu LEEM – Low energy electron microscopy • povrch Cr(100) • viditelné atomové schodky • velikost pohledu 5.6 µm. LEEM – Low energy electron microscopy E. Bauer, Rep. Prod. Phys. 1994 LEED – Low energy electron diffraction • zařízení LEEM lze přepnout do módu kdy se svazek nefokusuje na fluorescenční stínítko ale dopadá na ně difraktovaný svazek. Je pak pozorována difrakce odpovídající povrchu materiálu - LEED LEED – Low energy electron diffraction LEED – Low energy electron diffraction • Jelikož elektrony pronikají do materiálu jen jednu nebo dvě monovrstvy, kolmo na povrch nejsou žádné omezující difrakční podmínky – dochází k difrakci pro jakékoliv kolmé hodnoty k vektoru, tedy reciproká mříž se setává z čar kolmých na povrch (truncation rods) • Evaldova koule pak představuje zákon zachování energie při elastickém rozptylu. • V průniku koule a reciproké mříže dochází k současnému splnění difrakčních podmínek a zákona zachování energie a tedy se zde realizuje difrakce. LEED – Low energy electron diffraction LEED – Low energy electron diffraction • rekonstruovaný povrch Si(100). • objemová mříž je kubická, povrchová rekonstrukce má periodicitu 2x1, difrakce pochází od různých domén na sebe kolmých LEIS – low energy ion scattering LEIS – low energy ion scattering Energie dopadajícího iontu E0 ze zákona zachování energie a hybnosti je energie odraženého iontu řešení této rovnice je jen pro H. H. Brongersma, Ion Beam techniques, (2012) LEIS – low energy ion scattering • nízkoenergiová varianta RBS (Rutherford back scattering), pracuje s energiemi 100eV-10 keV • používá typicky ionty vzácných plynů He+, Ne+, Ar+ and Kr+ • díky malé energii je citlivá jen na zcela první vrstvu atomů na povrchu • energie zpětně odražených atomů určuje atomární složení vyjma H, He (studované atomy musí být těžší než použitá sonda) • asymetrické ohony od linií určují i hloubkový profil (do 10nm) LEIS – low energy ion scattering •asymetrické ohony od linií určují i hloubkový profil (do 10nm) Skenovací tunelovací mikroskopie (STM) Skenovací tunelovací mikroskopie (STM) • skenování povrchu podobně piezzoposvů (podobně jako při AFM), ale při konstantním tunelovacím proudu mezi hrotem a vzorkem. • typická vzdálenost hrotu a vzorku 4-7A • lze dosáhnout atomárního rozlišení, ~1A • hroty typicky z wolframu nebo iridia zpeciálně zašpičatěné do stavu, kdy na konci je ideálně jen jeden atom • Nobelova cena 1986 tunelovací proud je exponenciálně závislý na vzdálenosti d a výstupní práci φ U… napětí Skenovací tunelovací mikroskopie (STM) manipulace s atomy pomocí STM A.W Hla J.Vac. Sci. Technol. B 23 , (2005) 35 Xe atomů na Ni povrchu Eigler, D. M. & Schweizer, E. K. Nature 344, 524–526 (1990). Friedelovy oscilace pozorované s STM • opět IBM, Fe on Cu (111) • Friedelovy oscilace elektronové hustoty vzniklé díky interferenci elektronů blízko Fermiho meze M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Science 262, 218-220 (1993) měřěřěřěření hustoty stavůůůů pomocí STM derivace tunelovacího proudu je úměrná lokální hustotě stavů ρ s … vzdálenost hrotu a vzorku phd thesis, K. Lang, 2001, skupina J.S.C. Davis měřěřěřěření hustoty stavůůůů pomocí STM phd thesis, K. Lang, 2001, skupina J.S.C. Davis • supravodivá mezera v derivaci proudu v supravodiči Bi2Sr2CaCu2O8+x Optická spektroskopie určení optické vodivosti reálná část vodivosti - absorpce elmag. vlny na jednotku frekvence: sumační pravidlo: Optická spektroskopie Excitace mezi THz a UV oborem D. Basov et al., Phys. Mod Rev. 2011 Princip elipsometrie Měřené veličiny v elipsometrii: • úhel pootočení elipsy Ψ • elipticita ∆ => n,k nebo εεεε1, εεεε2 bez dalších předpokladů • Elipsometrie je de facto interferenční experiment s komponentou elektrického pole rovnoběžnou (p) a kolmou (s) k rovině dopadu. polarizátory optické spektroskopické vybavení v CEITECu Woollam VASE , rozsah NIR-UV , Woollam IR-VASE, rozsah střední IČ IR spectrometer Vertex 80+micro+elli elipsometr do vzdálené IČ + kryostat 4-390 K urččččení interakce mezi elektrony ve vysokoteplotních supravodiččččích frekvenčně závislé τ(ω) značí interakci mezi elektrony • frekvenčně závislé interakční fukce (glue-lepidlo) odvozená z dat. • Její složka na vysokých energiích 250 meV značí, že glue nemůže být pouze díky fononům. • na základě tohoto glue byla vypočtena kritická supravodivosti ~200 K van Heumen, PRB, (2009) 0 200 400 600 1000 2000 0 50 100 σ1c [Ω -1 cm -1 ] v l n o č e t [ c m - 1 ] 330 K 180 K 60 K 10 K Tc = 5 8 K 0 100 200 300 0 5 10 15 T[K] T* s u p r a v o d i v o s t s u p r a v o d i v é f l u k t u a c e l o k a l i z u j í c í p s e u d o g a p T o n s a n t i f e r o m a g n e t i c k ý i z o l á t o r k o n c e n t r a c e d ě r [ % ] supravodivé fluktuace ve YBa2Cu3O7-d A.D. et al., PRL 106, 047006 (2011) ritic á teplota v prátech max závěrabsorpční hrana v topologickém izolátoru Bi2Se3 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 100 200 300 400 500 σ1 [Ω -1 cm -1 ] E [eV] t10k_s1 t60k_s1 t80k_s1 t100k_s1 t160k_s1 t300k_s1 Bi2 Se3, thin film, d= 463 nm vel á závislost na teplotě mezipásový přechod závěrvlna spinové hustoty v krystalu chromu, Tc=310 K 1000 2000 3000 4000 5000 0 5000 10000 15000 20000 σ1 [Ω -1 cm -1 ] wavenumber [cm -1 ] T330K_s1a80 T200K_s1a80 T120K_s1a80 T160K_s1a80 T70K_s1a80 T6K_s1a80 Cr crystal TERS – tip enhanced raman spectroscopy SERS (surface enhanced Raman spectroscopy) • Ramanský signál může být zesílen o mnoho řádů (až 107 i vyšší) když je detekovaný materiál v blízkosti strukturovaného kovového materiálu. Typicky se požívá buď drsná kovová podložka nebo nanokuličky (zlato, stříbro). • Světlo vybudí v kovu povrchový plazmon který na rezonanční frekvenci řádově zesílí pole a tedy i ramanský signál. zdroj: Real time Analyzers TERS – tip enhanced raman spectroscopy R. Zhang et al. , Nature (2013) kombinace Ramanského spektrometru s AFM: řádové zesílení ramanského signálu mezi pozlaceným hrotem AFM a kovovou podložkou - TERS – tip enhanced raman spectroscopy zařízení potenciálně pro TERS od firmy NTMDT na CEITECu (UFKL) transmisní elektronový mikroskop (TEM) transmisní elektronový mikroskop (TEM) • průchod svazku elektronů vzorkem, dopad na luminiscenční stínítko a detekce pomocí CCD • vzorky maximálně několik set nm tlusté náročná příprava • možné atomové rozlišení • cena instrumentu s atomovým rozlišením ~ 100 MKč • v Brně tři světoznámí producenti: Tescan, FEI, Delong Instruments multivrstvy YBa2Cu3O7(n)/La0.7Ca0.3MnO3(m) snímek z transmisního elektronového mikroskopu – atomární rozlišení snímek z transmisního elektronového mikroskopu – atomární rozlišení L. Reimer, Scanning electron microscopy, (1993) SIMS – secondary ion mass spectroscopy SIMS – Hmotnostní spektroskopie sekundárních iontůůůů • odprašování vzorku a následná hmotnostní spektroskopie • analýza složení látek, hloubkový profil • velmi citlivá metoda, citlivost až 1ppm i 1ppb • destruktivní metoda H. Luth, Solid sufraces, Interfaces and Thin films, Springer (2015) F. Hofmann Phil. Trans. R. Soc. (2003) SIMS – analýza odprášeného materiálu AES – Auger electron spectroscopy - analýza odprášeného povrchu