Mérőkártya programozás, atomi méretű kontaktusok

A mérés célja a Tektronix TDS320 digitális oszcilloszkóp használatának és programozásának megismerése, ill. atomi méretű kontaktusok vezetési tulajdonságainak vizsgálata digitális oszcilloszkóp segítségével.

Ennek érdekében nanokontaktusok vezetőképesség görbéit rögzítjük a szétszakadás előtti pillanatokban, mikor csak pár atom köti össze a két oldalt. A számítógéppel beolvasott vezetőképesség görbéket statisztikailag vizsgáljuk vezetőképesség hisztogram segítségével.

Bevezetés

Az alagútmikroszkóp működése az elektronok hullámtermészetének egy speciális következményén alapul, miszerint két egymáshoz közel vitt fémdarab között akkor is folyik áram, ha azok nem érnek össze. Ezt az áramot kvantummechanikai alagútáramnak hívják, melynek érdekes tulajdonsága, hogy a két fém távolságától nagyon érzékenyen függ: ha csak egy fél atom-atom távolsággal csökkentjük a rés szélességét, akkor az áram tízszeresére nő. Ezt a viselkedést demonstrálja az 1. ábra.

1. ábra. Egy hegyes fémtű és egy fémfelület közé feszültséget kapcsolunk, és miközben a tűt közelítjük a felülethez, mérjük az áramot. Amíg távol van a tű a felülettől, az áram olyan kicsi, hogy az árammérőnkkel nem tudjuk felbontani. Ahogy a tű és a felület távolsága összemérhetővé válik két szomszédos atom távolságával véges áramot kezdünk el detektálni. Az áramot ún. logaritmikus skálán ábrázoltuk, azaz egy osztás az áram tízszeres megváltozásának felel meg. A tű és a felület távolságát Angström mértékegységben adtuk meg, ami 10-10 méternek felel meg. Forrás: Magyarkuti András diploma előadás, BME Fizika Tanszék, 2013.

Egy nem túl hegyes tű (pl. egy ollóval elvágott fémszál) esetén is találunk a tű hegyén egy atomot, ami egy kicsit közelebb van a felülethez a többi atomnál. Az érzékeny távolságfüggés miatt az alagútáram jelentős része ezen egyetlen atomon keresztül fog folyni. Ezt kihasználva a fémfelületet akár atomi felbontással is feltérképezhetjük a tű megfelelő mozgatásával. A fémfelülettel párhuzamosan pásztázunk a tűvel, miközben egy szabályozó áramkört használva úgy mozgatjuk a tűt a felületre merőleges irányban, hogy mindig állandó legyen a mért alagútáram, azaz a tű közel azonos távolságban mozogjon a minta felületéhez képest (2. ábra). A tű mozgását számítógéppel rögzítve rekonstruálhatjuk a felület képét.

2. ábra. Miközben a tűt a felülettel párhozamosan konstans sebességgel mozgatjuk, a felületre merőleges irányban úgy pozicionáljuk, hogy az alagútáram, azaz a minta és a tű távolsága konstans maradjun (bal oldal). A tű mozgása alapján rekonstruálhatjuk a felület képét akár atomi felbontással (jobb oldal). Forrás: Magyarkuti András diploma előadás, BME Fizika Tanszék, 2013.

Az alábbi ábra egy grafit felület pásztázó alagútmikroszkóppal készített, atomi felbontású képét mutatja be.

3. ábra. Atomi felbontású kép grafit minta felületéről, forrás: Magyarkuti András diplomamunka, BME Fizika Tanszék, 2013.

A pásztázó alagútmikroszkóp tűjét piezoelektromos kerámiák segítségével mozgathatjuk akár atomi precizitással. Piezo kerámiával a hétköznapokban is találkozunk, például az öngyújtó egy piezo hasáb hirtelen megnyomásával hoz létre nagy feszültséget, és az így keletkező szikra gyújtja be a lángot. Piezo mozgatónál pont fordítva járunk el, a piezo hasábra elektromos feszültséget kapcsolunk, és ennek hatására a hasáb egy kicsit megnyúlik.

A pásztázó alagútmikroszkóp nem csak képalkotásra, hanem a minta felületének atomi felbontású manipulációjára is alkalmas: a tű segítségével atomokat lehet mozgatni a felületen. Ezzel a technikával hozták létre a 4. ábrán látható kör alakzatot, amit 48 vas atom alkot egy réz felületen. Az alagútmikroszkópos felvételen jól megfigyelhetőek a kör belsejében kialakuló elektron-állóhullámok.

4. ábra. Elektron-állóhullámok egy atomokból kirakott kör belsejében. Forrás: Wikipedia

Egy pásztázó alagútmikroszkópot arra is használhatunk, hogy létrehozzuk az elképzelhető legvékonyabb nanovezetéket. Ha a mikroszkóp tűjét a felületbe nyomjuk, majd elkezdjük visszahúzni, akkor egy nanovezetéket tudunk húzni a felület és a tű között. A széthúzás közben a nanovezeték egyre vékonyodik, majd a szétszakadás előtt már csak egyetlen atom köti össze a két oldalt.

Ha egy pár atom átmérőjű nanovezeték szakítása közben mérjük a vezetőképességet (az ellenállás reciprokát, $\setbox0\hbox{$G=1/R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$), akkor a 5. ábra bal oldalán látható vezetőképesség görbéket kapjuk: a tű emelése közben a vezetőképesség nem folytonosan, hanem lépcsőzetesen csökken. Amikor egy lapos platót látunk, akkor a vezeték geometriája nem nagyon változik, csak rugalmasan távolodnak egymástól az atomok. Az ugrásnál viszont hirtelen átrendeződnek az atomok, és az ugrás után már kevesebb atom köti össze a két oldalt. A szétszakadás előtti utolsó lépcsőnél az áram már csak egyetlen atomon keresztül folyik.

5. ábra. Atomi méretű arany nanovezetékek szakítás közben felvett vezetőképesség-görbéi (jobb oldal). Az egymás tutáni szakítások jellegre hasonló, de a részletekben különböző vezetőképsség-görbéket adnak. Sok szakítás vezetőképesség-görbéi alapján felrajzolhatunk egy vezetőképesség-hisztogramot (bal oldal), melyben a csúcsok a gyakran kialakuló atomi konfigurációk vezetőképességeit adják meg.

Egyetlen arany atomon keresztül a vezetőképesség közel van egy univerzális állandóhoz, az úgynevezett vezetőképesség kvantumhoz, melyet az elektron töltése, és Planck-állandó definiál: $\setbox0\hbox{$G_0=2e^2/h$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$. Ez a vezetőképesség körülbelül 12900 Ω ellenállásnak felel meg.

Ha a szakítás után a két elektródát összenyomjuk, a szakítási felületen az atomok újra összekapcsolódnak, így a nanovezeték szakítását újra és újra megismételhetjük. Több ezer szakítás során felvett vezetőképesség-görbéből hisztogramot készíthetünk, melyben csúcsok jelennek meg a gyakran előforduló atomi elrendeződések vezetőképesség-értékeinél. Az első csúcs az egyatomos kontaktus vezetőképességénél, azaz a vezetőképesség kvantumnál jelenik meg (5. ábra, jobb oldal).

Arany nanovezetékeknél egy további érdekes jelenséggel is találkozunk. A szétszakadás előtti utolsó vezetőképesség-plató hosszát megmérve gyakran lényegesen nagyobb hosszt kapunk, mint amit egy atom méretéből várnánk. Megmutatható, hogy egy egyatomos arany kontaktus további széthúzása során az nem mindig szakad szét, hanem akár hét atomból álló atomi aranyláncot is húzhatunk (6. ábra).

6. ábra. Atomlánc húzása a nanovezeték szakítása közben (számítógépes szimuláció).

Hétköznapi körülmények között egy 7 méter hosszú vezeték ellenállása pontosan hétszerese egy egyméteres vezetékdarabénak. Atomi méretskálán viszont teljesen más viselkedést tapasztalunk. Egy hétatomos aranylánc ellenállása pontosan megegyezik a háromatomos láncéval, vagy az egyatomos kontaktuséval, hiszen ha az elektronok egyszer bejutnak a láncba, akkor már a lánc hosszától függetlenül ütközés nélkül átjutnak a túloldalra.

Atomi méretű nanovezetékek segítségével a jelenlegi félvezető tranzisztoroknál lényegesen kisebb elektronikai építőelemek hozhatók létre, például a Fizika Tanszék laboratóriumában egy olyan rendszert tanulmányozunk, amiben pozitív feszültség hatására kialakul egy nanovezeték a két elektróda között, negatív feszültséggel viszont megszakíthatjuk ezt a vezetéket. Ez gyakorlatilag egy memóriaelem, amivel pár nanométeres skálán tárolhatunk információt. Ezen kívül az atomi méretű kontaktusokat arra is használhatjuk, hogy egyedi molekulák elektromos vezetési tulajdonságait tanulmányozzuk. Miután szétszakad a kontaktus, egy olyan keskeny nano-rés jön létre, amihez a megfelelő kémiai csoportokkal rendelkező parányi molekulák szeretnek kötődni. Így a két elektróda között akár egy egyetlen molekulából álló hidat hozhatunk létre. Egyedi molekulákból készített nanoáramkörök vizsgálatával a nanofizikán belül egy egész tudományterület, az úgynevezett molekuláris elektronika foglalkozik. A kutatások fő célja, hogy a jelenleg több százezer atomból álló tranzisztorokat egyedi molekulákból felépülő elektronikai eszközök váltsák fel. Laboratóriumi körülmények között már sikerült létrehozni olyan tranzisztort, aminek az aktív tartománya egyetlen fullerén molekulából áll, és az erősítést egyetlen elektron végzi.

Mérési feladatok

A laboratóriumi gyakorlaton egyatomos kontaktusok vezetését vizsgáljuk egy vékony fémszál ismételt elszakításával és összeérintésével. Mivel az egyatomos arany kontaktusok vezetőképessége pontosan megegyezik a vezetőképesség kvantummal, illetve az összes fém közül az arany oxidálódik a legkevésbé, ezért méréseinket arany mintán végezzük. A kontaktus kontrolált mozgatása érdekében az MCBJ technikát használjuk. A laprugókra 50 μm átmérőjű nagytisztaságú arany szálat rögzítettünk. A laprugó egy léptetőmotorral vezérelt csavar segítségével hajlítható. A mintára egy DC tápegységből 1:50-es feszültségosztón keresztül 100mV nagyságrendű feszültséget adunk, a kontaktuson folyó áramot egy 10⁴ erősítésű áramerősítővel mérjük, melynek kimenetét a digitális oszcilloszkópra kötjük. Mivel egy egyatomos kontaktus stabilizálásához lényegesen precízebb mozgatásra, és alacsony hőmérsékletre lenne szükség, ezért a mérés során szétszakítás közben azt a rövid időtartamot rögzítjük, amikor csak pár atom köti össze a két oldalt. A vezetőképesség görbék ezen rövid szakasza a oszcilloszkóp megfelelő triggerelésével rögzíthető. Az oszcilloszkópot "single shot" üzemmódban használva egy szakítási görbe felvétele után a mintavételezés leáll. Ekkor számítógéppel beolvashatjuk a görbét, majd a mintavételezés újraindítása után várja az oszcilloszkóp a következő indító jelet. Több szakítási görbe felvételével a számítógép segítségével vezetőképesség hisztogramot készítünk.

1. Ismerjük meg, és próbáljuk ki az oszcilloszkóp beállítási lehetőségeit (triggerelési funkciók, matematikai műveletek, átlagolás, stb.), jelgenerátorként használjuk egy függvénygenerátor szinuszjelét!

2. Készítsünk számítógépes programot, mely az oszcilloszkóp kiválasztott csatornáját beolvassa, ábrázolja és fájlba menti!

• Írjunk egy rutint, mely az egymás után beolvasott görbék alapján hisztogramot készít, azaz kiszámolja a különböző feszültségértékek előfordulási gyakoriságát. Érdemes még a mérés előtt, felkészüléskor átgondolni, hogyan lehet hisztogram-készítő algoritmust megvalósítani. Állítsunk be a függvénygenerátoron egy erősen aszimmetrikus háromszög jelet. Triggereljünk a meredek lefutó élre, és vegyük fel annak a trigger szint körül egy rövid tartományát. Állítsuk az oszcilloszkópot single shot üzemmódba, és számítógéppel indítsuk el a mintavételezést. Folyamatosan figyeljük a mintavételezés státuszát, és amennyiben az oszcilloszkóp felvette a görbét, és befejezte a mintavételezést számítógéppel olvassuk be a mért görbét. Ezután számítógéppel indítsuk újra a mintavételezést. A beolvasott görbékkel teszteljük a hisztogramkészítő rutint.

3. Állítsuk össze a mérési elrendezést atomi méretű kontaktusok vizsgálatához! Teszteljük a kapcsolást egy 12900 Ω-os ellenállással! A mintaellenállás helyére kössük az arany szálat! Szakítsuk el a kontaktust, és vegyünk fel egyedi vezetőképesség görbéket! Tároljunk el pár görbét, melyek szépen mutatják a vezetőképesség platókat! A léptetőmotor vezérlésével a kontaktust újra meg újra elszakítva vegyünk fel legalább 100 görbét, és készítsünk vezetőképesség hisztogramot!

Segítség

1. A C:\_speclab\harompaneles_mcbj könyvtárban található a korábban megismert „hárompaneles” program ezen méréshez specializált változata, induljunk ki ebből a program írásakor. Ez tartalmaz két osztályt, ami a léptetőmotor (virtuális) soros porton való kezelését és az oszcilloszkópból a mért görbe kinyerését segíti. Ezek a kódrészletek előre meg vannak írva, keressük meg és értelmezzük őket!

Az oszcilloszkóp használata a programból a következőképpen történik. Az alábbi két sorral létrehozzuk a hozzá való objektumot és inicializáljuk az oszcilloszkópot:

Tektronix = new DSO(GPIBdev1);
Tektronix.Initialize();

Ezután olvashatunk be görbéket a readScopeCurve() metódussal, ami kétdimenziós tömbbel tér vissza, argumentuma a beolvasandó csatorna:

ScopeCurve = Tektronix.readScopeCurve("CH1");

A léptetőmotor használata hasonló. A soros porti Serial1 objektum paramétereinek beállítása után inicializáljuk a motort:

Motor1 = new StepperMotor(Serial1);
Motor1.Initialize();

A Move() metódus meghívásakor az argumentumban (másodpercben) megadott ideig forog a motor, előjelváltás hatására a forgás iránya megfordul.

Motor1.Move(0.5);

2. Az oszcilloszkóppal való kommunikációt a következőképpen állíthatjuk fel és tesztelhetjük. Kövessük a weboldalon megtalálható programozási segédlet (TDS500_programming.pdf) 21-22. oldalán írtakat és állítsuk az oszcilloszkópot GPIB kommunikációra, majd válasszunk neki egy címet (Primary Address). Kövessük a National Instruments Measurement & Automation Explorer szócikk "GPIB parancsok tesztelése" szakaszában leírtakat! A feladatok megoldásakor szóba jövő GPIB parancsok:

CH1:SCALE?

CH1:POS?

ACQUIRE:STATE?

ACQUIRE:STATE RUN

Ezek működése részletesen megtalálható a műszerkönyvben.

3. Az oszcilloszkóp teljes méréstartománya a függőleges tengely mentén ±5 beosztás (±5 div). Hogy a teljes felbontást kihasználjuk, a Vertical position gombbal az éles méréseknél a görbét letoljuk, ezt a programnak a helyes ábrázoláshoz (és a hisztogram-készítéshez) korrigálnia kell. „Single shot” üzemmódba az Acquire menüben a Single Acquisition Sequence kiválasztásával tehetjük. A Trigger menüben állítsuk a triggerelés módját Normalra.

Figyelmeztetés: a 3. feladatban, az éles mérésnél figyeljük a motor mozgását, és ha túl sokat forog ugyanabba az irányba indokolatlanul, állítsuk le a programot a pánik gombbal (ez azonnal leállítja a motort és kikapcsolja a mérést vezérlő timert).