Improving the reliability of conductive atomic force microscopy-based electrical contact resistance measurements

Sumaiya, Saima A.; Martini, Ashlie; Baykara, Mehmet Z.

doi:10.1088/2632-959x/abcae0

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“…A key reason behind this limitation is the wear of the conducting tip coating. 35 For the current study, we explored different types of commercially available conductive tips, including PtSi, Ti/Ir, and dopeddiamond-coated conductive tips. We could only achieve lattice resolution on an HOPG sample with PtSi tips (please see Figure S2A).…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

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True Atomic-Resolution Surface Imaging and Manipulation under Ambient Conditions via Conductive Atomic Force Microscopy

Sumaiya

Liu²,

Baykara

2022

ACS Nano

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A great number of chemical and mechanical phenomena, ranging from catalysis to friction, are dictated by the atomic-scale structure and properties of material surfaces. Yet, the principal tools utilized to characterize surfaces at the atomic level rely on strict environmental conditions such as ultrahigh vacuum and low temperature. Results obtained under such well-controlled, pristine conditions bear little relevance to the great majority of processes and applications that often occur under ambient conditions. Here, we report true atomic-resolution surface imaging via conductive atomic force microscopy (C-AFM) under ambient conditions, performed at high scanning speeds. Our approach delivers atomic-resolution maps on a variety of material surfaces that comprise defects including single atomic vacancies. We hypothesize that atomic resolution can be enabled by either a confined, electrically conductive pathway or an individual, atomically sharp asperity at the tip–sample contact. Using our method, we report the capability of in situ charge state manipulation of defects on MoS2 and the observation of an exotic electronic effect: room-temperature charge ordering in a thin transitionmetal carbide (TMC) crystal (i.e., an MXene), α-Mo2C. Our findings demonstrate that C-AFM can be utilized as a powerful tool for atomic-resolution imaging and manipulation of surface structure and electronics under ambient conditions, with wide-ranging applicability.

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Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

“…Despite its potential, the C-AFM technique has traditionally suffered from poor reproducibility. A key reason behind this limitation is the wear of the conducting tip coating . For the current study, we explored different types of commercially available conductive tips, including PtSi, Ti/Ir, and doped-diamond-coated conductive tips.…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

True Atomic-Resolution Surface Imaging and Manipulation under Ambient Conditions via Conductive Atomic Force Microscopy

Sumaiya

Liu²,

Baykara

2022

ACS Nano

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“…Conduction at single asperity contacts can be measured experimentally using conductive atomic force microscopy (C-AFM). C-AFM has been used to study ECR of various material systems including thin SiO 2 films grown on doped Si substrates [21], HOPG [22,23], carbon nanotubes [24,25], self-assembled monolayers of organic molecules on gold [26], and gold islands on HOPG [27]. However, such studies have not investigated the time dependence of ECR at the nanoscale.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Time-Dependent Electrical Contact Resistance at the Nanoscale

et al. 2021

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Conductive-atomic force microscopy (C-AFM) and molecular dynamics (MD) simulations are used to investigate time-dependent electrical contact resistance (ECR) at the nanoscale. ECR is shown to decrease over time as measured using C-AFM and estimated using two approaches from MD simulations, although the experiments and simulations explore different time scales. The simulations show that time dependence of ECR is attributable to an increase in real contact area due to atoms diffusing into the contact. This diffusion-based aging is found to be a thermally activated process that depends on the local contact pressure. The results demonstrate that contact aging, previously identified as an important mechanism for friction, can significantly affect electrical conduction at the nanoscale. Graphical Abstract

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“…. humidity and temperature, as well as deformation of the tip apex caused by contact pressures and/or Joule heating" [236]. Switching from ambient to dry nitrogen atmosphere is suggested to resolve most issues; additionally annealing and a higher contact force (> 30 nN) also improve the reliability.…”

Section: Water Adsorption In Ambient Atmospherementioning

confidence: 99%

“…Another source for reliability and reproducibility issues stated by Sumaiya et al is sample roughness [236]. The use of an evaporated gold film on a chromium adhesion layer as a substrate for the WS 2 flake in the second sample was meant to render the photolithography processing unnecessary, due to issues detailed in Sect.…”

Section: Substrate Roughnessmentioning

confidence: 99%

Nanoscopic surface measurements on metasurfaces and 2D materials

Walla¹

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Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit. Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil. Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet. Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen. In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde. Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte. Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden...

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Improving the reliability of conductive atomic force microscopy-based electrical contact resistance measurements

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True Atomic-Resolution Surface Imaging and Manipulation under Ambient Conditions via Conductive Atomic Force Microscopy

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