Simultaneous scanning tunneling/atomic force microscopy investigation of diamond surfaces in ultra high vacuum

Abstract

Elmas doğal olarak var olan karbon bazlı malzemelerden biridir. Tetrahedral olarak bağlanmış karbon atomlarından oluşur ve örgü sabiti 3.57 Å'dur. Elmas keşfedildiğinden beri, nadiren bulunan bir malzeme olması sayesinde kültürler için her zaman değerli bir taş olmuştur. Bunun yanısıra, elmas ayırtedici termal ve mekanik özellikleri sayesinde doğada bulunan malzemeler arasında daima farklı bir yere sahip olmuştur. Varolan en sert malzeme olarak bilinen elmas, böylelikle bir çok mekaniksel çalışma alanında ve endüstride de yerini almıştır. Son yıllarda, yarıiletken malzemelerin teknolojiye adapte edilmesi amacıyla, manipüle edilebilir elektronik özelliklere sahip, daha dayanıklı malzemeler bulma arayışı başladı. Böylece elmas, Taramalı Uç Mikroskobu (TUM) da dahil olmak üzere, sentezlenme süreci ve yüzey çalışmaları gibi alanlarda daha detaylı çalışılmaya başlanmıştır. Bu zamana kadar yapılan Taramalı Uç Mikroskobu çalışmalarında elmasın çeşitli özellikleri incelendi. Taramalı Uç Mikroskobu teknikleri ile elmas yüzey çalışmalarına olan ilgi; yüzey topografisi, malzemenin elektronik özellikleri, elmas yüzeyinin sürtünme karakteristikleri de dahil olmak üzere genel yüzey yapısına ışık tutmaktadır. İlk zamanlarda Atomik Kuvvet Mikroskobu ile çoğunlukla elmasın mekanik özellikleri üzerine daha detaylı çalışmalar yapıldı. Doğal olarak bulunan ve Kimyasal Buhar Biriktirme yöntemi ile elde edilen elmas yüzeyler üzerinde yapılan Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) çalışmaları, farklı yüzey yönelimleri ve yapılanmalarına sahip yüzeylerin topografilerinin elde edilmesini sağladı. Bunun yanında, elmas üzerinde yanal kuvvet mikroskobisi de dahil olmak üzere daha detaylı sürtünme kuvveti çalışmaları da yapıldı. Daha sonralarda ise farklı malzemelerle katkılanmış elmasın elektronik özelliklerinin değiştiği gözlemlendi ve Taramalı Tünelleme Mikroskobu kullanılarak yüzeyin elektronik yapısını inceleyen çalışmalar yapılmaya başlandı. Elmas üzerine yoğunlaşan çalışmalar, elmasın sentetik olarak üretilmesi üzerine geliştirilen yöntemlerle de artmıştır. Kimyasal buhar biriktirme (KBB) yöntemi ile yüksek basınç/yüksek sıcaklıkta farklı parametreler ve katkı malzemeleri kullanılarak, istenilen yönelimde monokristal ya da polikristal elmas üretilmeye başlandı. Böylece, kullanılma amacına yönelik olarak üretilen elmasın elektronik özelliklerini ve yönelimini belirlemek mümkün oldu. Elmasın topografisi, büyüme mekanizması ve grafitizasyonu üzerine odaklanan çalışmaların yanı sıra, elmasın yüzey yapısının atomik çözünürlükte görüntülemesini içeren çalışmalar da mevcuttur.Bu çalışmada, elmas yüzeyi daha geniş bir perspektiften incelenerek, ultra yüksek vakum (UYV) ortamında eşzamanlı Taramalı Tünelleme/Atomik Kuvvet Mikroskobu kullanılarak çalışılmıştır. UYV ortamında eşzamanlı TTM/AKM kullanılarak polikristal ve monokristal elmas yüzeylere odaklanılmıştır. Atomik olarak temiz ve düz elmas yüzeylerin elde edilmesi için, iyon bombardımanı, tavlama ve kimyasal olarak asitle temizleme teknikleri uygulanmıştır. Temizleme teknikleri farklı parametreler kullanılarak gerçekleştirilmiş ve bu tekniklerin yüzey üzerindeki etkisi incelenmiştir. Daha sonrasında örnekler eşzamanlı TTM/AKM ile incelenmiştir. Bu çalışmada kullanılan eşzamanlı TTM/AKM sistemi, geri besleme parametresi olarak tünel akımını kullanmaktadır. AKM yayının rezonans frekansının çok altında belirli bir frekansta salındırılmasıyla, Ångström-altı salınım genlikleri elde edilmiştir. Bu mertebedeki yay salınım genliklerinin saptanması, fiber-optik interferometre düzeneği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fiber-optik interferometre yöntemi temel olarak Fabry-Perot interferometresine benzer. Bir lazer diyotun ikiye ayrılarak referans fotodiyota ve fibere gönderilmesiyle oluşur. Fiber içinde ilerleyen ışınların bir kısmı fiberin ucundan geri yansırken, bir kısmı da ilerleyerek fiberin ucunun olabildiğince yakınına hizalanmış yayın arkasından yansıyarak fiberin içine geri döner. Böylece sinyal fotodiyotta bir girişim deseni oluşur. Girişim deseni üzerinde eğimin (mV/Ångström) en yüksek olduğu nokta ise fiber-optik interferometre sisteminin hassasiyetini belirler ve fiber bir tüp piezo yardımıyla girişim deseni üzerindeki en hassas noktada kilitlenir. Böylece tarama sırasında yayın salınımının Volt değerinden Ånström değerine çevrilerek mesafe olarak elde edilmesi mümkün olmaktadır. Elmas yüzeylerin Ångström-altı mertebede salınım genlikleri kullanılarak taranması, tarama sırasında belirli bir etkileşim bölgesinde kalabilmeyi ve böylece yüzeyler üzerinde gerçek eşzamanlı TTM/AKM çalışılmasını sağlar. Bu çalışmada kullanılan eşzamanlı TTM/AKM sistemi ile elmas yüzeyinde topografi, kuvvet, kuvvet etkileşimi, tünel akımı modülasyonu, faz kayması (enerji kaybı) ve tünel akımı ölçümleri elde edilmiştir. Bu çalışmada, elmas yüzeyler Tungsten (k=70 N/m) ve yüksek bor katkılı elmas (k=53 N/m) olmak üzere, iki farklı AKM yayı ile taranmıştır. Atomik Kuvvet Mikroskobu sisteminde yüzey ve iğne arasındaki etkileşimin doğru olarak ölçülebilmesi için kullanılan yayın mekanik özelliklerini bilmek büyük bir önem taşır. Yay sabiti, rezonans frekansı, kalite faktörü gibi özellikleri çeşitli yöntemler kullanarak kalibre etmek mümkündür. Bu çalışmada yay sabitlerinin kalibrasyonu termal gürültü yöntemi kullanılarak kalibre edilmiştir. Yayın hiç bir uyarı sinyali uygulanmadan alınan frekans spektrumuyla termal rezonans genliği elde edilir. Eşbölüşüm teoreminden yola çıkarak elde edilmiş Brownian gürültü ifadesi kullanılarak yay sabiti için yaklaşık bir ifade elde edilmeye çalışılmıştır. Bu yöntemle kullanılan yayın sertlik ve kalite faktörü elde edilebilir. Bu çalışmada, elmas yüzeylerde farklı bölgelerde atomik çözünürlükte görüntüler elde edilmiştir. Atomik Kuvvet Mikroskobu presibinde iki atom arasındaki kuvvet etkileşimi önemli bir niceliktir. Buradan yola çıkarak, bu çalışmada elmas yüzeyindeki C atomu ile tarama sırasında kullanılan yayın ucundaki C atomu arasındaki kuvvet etkileşiminin sayısal olarak ölçümü üzerinde yoğunlaşılmıştır. Çeşitli elmas yüzeyleri üzerinde belirli noktalarda kuvvet-mesafe spektroskopileri yapılarak, kuvvet etkileşimi noktasal olarak ölçülmüştür. Polikristal elmas yüzeyi ile W iğne arasındaki maksimum negatif etkileşim sertliği -2-2.5 N/m civarında ölçülmüştür. Polikristal elmas yüzeyi ve yüksek bor katkılı elmas iğne arasındaki etkileşim sertliği ise -1.2 N/m olarak ölçülmüştür. Monokristal elmas için, örnek yüzeyi ve W iğne arasındaki maksimum negatif etkileşim sertliği örnek yüzeyine -1 V bias voltaj uygulandığı durum için -2.5 N/m, 1 V uygulandığı durum için ise -1.2 N/m olarak ölçülmüştür. Monokristal yüzey ve yüksek bor katkılı elmas iğne arasındaki maksimum negatif etkileşim sertliği -1,5 N/m olarak ölçülmüştür.

Diamond has always been one of the most outstanding naturally existing materials due to its distinguishing thermal and mechanical properties. As it is known as the hardest material, diamond has been a field of interest in plenty of mechanical studies and has taken its place in industry for different uses, as well. In the last few decades, with the pursuit of adaptation of semiconductors to the technology, the search for more durable novel materials with manipulative electronic characteristics has ascended. Thus, diamond has been one of the most popular research areas, such as the synthesis processes and surface studies, including scanning probe microscopy. Atomic Force Microscopy (AFM) studies of both natural and CVD grown diamond surfaces revealed the topography of diamond surfaces with different surface orientations and reconstructions. Besides, Scanning Tunneling Microscopy (STM) studies of diamond have shown that the electronic structure of diamond is highly related to the type of dopants and surface termination. In this study, the diamond surface has been investigated using simultaneous Scanning Tunneling/Atomic Force Microscopy in ultra-high vacuum (UHV). The investigation of diamond using simultaneous STM/AFM in UHV has been focused on polycrystalline and single crystalline diamond surfaces. The cleaning techniques including the sputtering, annealing and acid etch have also been practiced, in order to obtain atomically clean and flat diamond surfaces. The simultaneous STM/AFM system used in this study operates as using the tunnel current as the feedback parameter. By oscillating the cantilever at a specific frequency well below its resonance frequency, oscillations with sub-Ångström amplitudes were obtained. The detection of such small cantilever oscillation amplitudes was enabled by using a fiber-optic interferometry setup. Scanning the surfaces using such small cantilever oscillation amplitudes enables the true simultaneous STM/AFM operation on the diamond surfaces, by the means of being at certain operating regimes while scanning the surface. With the simultaneous STM/AFM system used in this study, surface topography, force, interaction stiffness, tunnel current modulation (measure of barrier height), phase shift (energy dissipation) and tunneling current were obtained. In this study, the diamond surfaces were scanned using two different cantilevers, a Tungsten (k=53 N/m) and a highly boron doped diamond cantilever (k=70 N/m), which were calibrated using thermal noise method. Atomic resolution imaging of different regions on diamond surfaces was achieved. Moreover, force-distance spectroscopies were conducted on different regions on the diamond surfaces, leading to obtain the interaction stiffness between the diamond and the tip. The maximum negative interaction stiffness between the polycrystalline diamond surface and the W tip is measured around -2-2.5 N/m, where the interaction stiffness between the polycrystalline diamond surface and the highly boron doped diamond tip is measured as -1.2 N/m. For the single crystalline diamond, the maximum negative interaction stiffness between the sample surface and the W tip is measured as -2.5 N/m and -1.2 N/m, with an applied bias voltage of -1 V and 1 V respectively. The maximum negative interaction stiffness between the single crystalline surface and the highly boron doped diamond tip is measured as -1.5 N/m.