1

Mikroskopie rastrovací sondou a odvozené techniky

Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského, AVČR v.v.i.Dolejškova 3, 182 23 Praha 8

Pavel Janda Hana Tarábková, Věra Hudská

Laboratoř mikroskopie rastrovací sondouOdd. elektrochemických materiálů

pavel.janda@jh-inst.cas.cz

Rozdělení mikroskopických metod podle rozlišení

OPT: optická mikroskopie

SNOM: mikroskopie blízkého pole

SEM: elektron.rastr.mikroskopie

HRTEM: transmisní el.mikroskopie s vysokým rozlišením

STM, AFM: Tunelová mikroskopie, mikroskopie atomárních sil

2

Mikroskopie rastrovací sondouScanning Probe Microscopy

Tunelová mikroskopie (STM)

Au(111)

Binning, Rohrer, IBM, 1981, Nobelova cena 1986

Aproximace tunelového proudu IT ~ VB fmTS(VB) exp [-2z√(2mΦST/ħ2)]

ħ = h/2π, fmTS(VB) závislost IT na VB daná e- strukturou hrotu a vzorku,z...vzdálenost hrot-vzorek (~ 10-1 nm), VB do ±1-2 V, IT ~ nA

3

Tunelová spektroskopie

Bariérová (distanční) spektroskopie:pro nízké VB je (dIT/dZ)/IT ~ (2√2me)/ħ √(ΦS + ΦT)kde ΦS , ΦT lokální výstupní práce, IT tunelový proud, Z vzdálenost hrotu

od vzorku, me hmota e-provedení: modulace VVVVV Z-pieza a záznam dIT/dZ => ΦS,Tzjednodušení: ΦT ≈ konst., laterální variace v měřené výšce bariéry ~ lokální ΦS

Si-povrch, W-hrot

D.A. Bonnel: Scanning Tunneling Microscopy and SpectroscopyVCH 1993

Tunelová spektroskopieNapěťová spektroskopie :

Pro VB < výst. práce hrotu a vzorku (typicky 10 mV), výraz dIT/dVB obsahuje informaci o lokální povrchové hustotě stavů (skutečných nebo pocházejících z uspořádání vnitřnípásové struktury vzorku)

Provedení: Modulace VVVVV VB, záznam IT-VB křivky, obvykle v podobě d(log IT)/d(logVB) vs VB

Poskytuje mapu povrchových stavů (v UHV) používá se k zobrazení zaplnění stavů, ad-atomů a volných vazeb (dangling bonds) ...

(Frank, L. - Král, J., Ed.), : Metody analýzy povrchů. Iontové, sondové a speciální metodyAcademia, Praha 2002

IT-VB křivky na monokryst Si (UHV)při průchodu hrotu nad defektem[B. Persson, A. Baratoff, Phys.Rev.Lett. 59, 339]

4

ElektroChemický STM - uspořádání

Elektrochemická mikroskopie ECMzpětnovazebný režim detekční režim

Hrot: generuje Substrát: zpětná reakceDetekce katalytické aktivity substrátu

Substrát: generujeHrot: detekuje

5

MIKROSKOPIE ATOMÁRNÍCH SIL Atomic Force Microscopy

Hooke: F(repulse) = -k xk…konst.pružiny 0,01-1 N/m

AFM kontaktní režim

grafit slída

Orientovanémolekuly Teflonu

6

Yoshiaki Sugimoto, Pablo Pou, Masayuki Abe, Pavel Jelinek, Rubén Pérez, Seizo Morita& Óscar Custance: Nature Letters Vol. 446 March 2007

AFM: Chemická identifikace atomů

Dynamic Force Microscopy silová spektroskopie sil blízkého dosahu – chemické interakce

silová křivkapřed normalizací

normalizovanána minimum interakce substrát-hrot

AFM - adhesivní síly

7

Adsorpce proteinů na zubní sklovině

N. Schwender , M. Mondon , K. Huber , M. Hannig , C. Ziegler Department of Physics, University of Kaiserslautern, Department of Operative Dentistry and Periodontology, Saarland University

Mikroskopie laterálních sil (Lateral Force Microscopy)

8

Mikroskopie laterálních sil (LFM)

Teflon na skle:-AFM topografie-rozložení frikčních sil (vlevo)

Vodivostní AFM

9

AFM semikontaktní režim

mechanický oscilátorvstupní parametry:frez, Asp

výstupní parametryA, ∆f, ∆θ, d

AFM semikontaktní režim – deflexní signál

Pavel Janda, Otakar Frank, Zdeněk Bastl, Mariana Klementová, Hana Tarábková and Ladislav Kavan: Nanotechnology 21 (2010) 095707

10

V. Lulevich et al: Langmuir, Vol. 22, No. 19, 2006

AFM Force Curve of Single Cell Mechanics

confocal micrograph of cell membrane (blue) and nucleus (pink)under compression (c)

AFM s modifikovaným hrotem – vazebné interakce

Monoklonální antigen 1RK2 k A-řetězci ricinu (hrot-IgG1). Viditelná je Y-struktura antigenu.AFM-semikontaktní režim na vzduchu. [Veeco]

11

Near-field Scanning Optical Microscopy/SpectroscopyNSOM (SNOM)

Mikroskopie (a spektroskopie) blízkého pole

Rozlišení ⇒ index lomu, vstupní úhel,difrakční limit

Mikroskopie vzdáleného pole

Mikroskopie blízkého pole

Rozlišení ⇒ apertura sondy, vzdálenost od povrchu vzorkukonstrukce obrazu bod po boduz fragmentu vlnoplochyAbbeho, Rayleighovo kriterium

12

Mikroskopie a spektroskopie blízkého pole

Reflexní, transmisní, fluorescenční SNOM

NT MDT

13

AFM topography (a) and SNOM (b,c) images on ultrathinsections of apoptotic Jurkat cells embedded in araldite resin; SNOM optical reflection (b) andSNOM optical transmission (c) images. Scan area 25 × 25 µm.

Zobrazení SNOM

M. ZWEYER ET AL. Journal of Microscopy, 229 (2008) 440–446

Fluorescenční SNOM

Alexa 532 (Exmax 532 nm/Emmax 554 nm, Molecular Probe Inc) v PMMA

AFMTopografie

SNOM

Zobrazení jednotlivých molekul

H. Muramatsu: Surface Science , Vol. 549, 273, 2004

14

AFM/SNOM snímání vibrací buněčných membrán

R. Piga et al: OPTICS EXPRESS 15 (2007) 5589

Time profile of PC12 (neuroendocrine tumor of the medulla) cell recordings for three different cell conditions: normal, Nerve Growth Factor and necrosis. (a) control; (b) 24 hours NGF; (c) 4 hours H2O2 (necrosis). Time frame is of 100 seconds totalfor each recording, Fourier spectrum: (d) control; (e) 24 hoursNGF; (f) 4 hours H2O2. Lower frequencies are plotted in thesmaller insets for clarity.. Vertical scale Volts for the time profilesand Volts/Frequency (Hz) for the Fourier plots.

Membrane movements are associated to the cell physiological condition. These signals were observed along the culture, independently of the cell observed and for the majority of the time.

Hrotem zesílená Ramanova spektroskopieTip Enhanced Raman Spectroscopy/Microscopy

TERS

Povrchově zesílená Ramanovaspektroskopie

Surface Enhanced Raman SpestroscopySERS

Povrchová plasmonová resonance (Surface Plasmon Resonancy)

15

Povrchový plasmon - polariton (kvantum)podélná oscilace „elektronového plynu“ na mezifází kov/dielektrikum(šíří se jako podélné vlny na mezifází)- tvořen nábojem v kovu (e-) a elmg. polem v obou fázích, Φ ~ exp(-d)

Intenzita pole exponenciálně klesá se vzdáleností od povrchu kovové fáze- projevy: spojené oscilace e- hustot a elmg. pole- „hladiny“ oscilací elektronových hustot (kvantum)⇒ vlastnosti plasmonu závisí na složení mezifází (dielektrika) ⇒ detekce molekul adsorbovaných na mezifází, chem. vazeb...

Povrchové plasmony

Nanočásticové plasmony

Interakce se světlem=>excitace oscilací e-oblaku=>polariton(el.polarizace)

Interakce malé nanočástice se světlem => dipólová radiace (E-pole) (a, b)větší nanočástice => kvadrupólová radiace (c)

Nanočásticový plasmonMin. rozměr částic: > 2 nmneexistují lokalizovanéenergetické hladiny(pás/oblak)

ωP ~ √(n e2/ε0 m*)ωP plasmonová frekvencem* ef.hmota vodiv.e-

ε0 permitivita prostředí

16

C. Soennischen: Plasmons in metal nanostructures. Disertace. L.-M. Universiat Mnichov 2001

Optický mikroskopický snímek (temné pole) světla rozptýleného nanočásticemiAg (nanosféry) Au (nanosféry) nanotyčky

Ag, Au nanočástice 70% Ag + 30% Au

The Lycurgus Cup, Roman (4th century AD), British Museum (www.thebritishmuseum.ac.uk)R. Jin, Y. Cao, C. A. Mirkin, K. L. Kelly, G. C. Schatz and J. G. Zheng, Science 294, 1901 (2001).

Plasmonová resonance

17

použití SPR

-zvětšení citlivosti spektroskopických technikvč. fluorescence, Ramanovy spektroskopie ...

(povrchové zesílení Ramanovy spektroskopie ~ 1014 – 1015x umožňuje identifikaci jediné molekuly)

-posun resonance v důsledku adsorpce molekul na mezifází=> měření tloušťky adsorbovaných vrstev, vazebné konstanty ligandů...

adsorpce molekul na mezifází mění podmínky resonance plasmonových vln

Povrchově zesílená Ramanova spektroskopie Surface Enhanced Raman Spectroscopy

Max. zesílení – pro dopadající & rozptýlené světlo – (Raman) jen pro frekvence s minimálním posunem, velmi posunuté nemohou být obě v rezonanci => menší zesílení

kombinuje výhodyfluorescence - vysoký světelný zisk+Ramanova spektroskopie - strukturní informace

Nevýhody- nutnost použití Au, Ag, Cu (NIR-Vis) nanostruktur-„Hot-Spots“ (signál není reprezentativní vzhledem k povrchu)

18

Od nanočásticové plasmonovéresonance (SE) k hrotovému zesílení (TE)

Řez oblastí TER(S) (A = IRT/IR0)λ = 541 nm, dT-S = 4 nmP. Hewageegana, M. I. Stockman: Plasmonics enhancing nanoantennas

Infrared Physics & Technology 50 (2007) 177–181

Hrotem zesílená Ramanovaspektroskopie

(Tip Enhanced Raman Spectroscopy)

význam TERS+ Plasmonová resonance lokalizovaná na povrchu kovového hrotu

(anténa, max.intenzita el.pole na hrotu) => hrot funguje jako téměřideální bodový zdroj světla.

+ Mobilní „hot spot“ – snímání reprezentativního signálu z celého povrchu vzorku

+ Proces může být laděn (z/do resonance) vkládáním napětí na hrot+ umožňuje práci in situ+ zesílení ~ 107

- Vývojové stadium, neúplně definované podmínky:vliv tvaru hrotu, složení hrotu, elektrolytu...

Surface-enhanced and STM-tip-enhanced Raman Spectroscopy at Metal SurfacesBruno Pettinger, Gennaro Picardi, Rolf Schuster, GerhardErtl, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, GermanySingle Molecules, Volume 3, Issue 5-6 , Pages 285 - 294

S. Kuwata: Near Field Optics and SurfacePlasmon Polariton, Springer Verlag, 2001

19

TERS instrumentace

Zdroj: He-Ne laser (632.8 nm) ~0.3 mW na vzorku

příklady použití TERS

Monovrstva barviva adsorbovaného na Au filmu, STM Ag-hrot

G. Picardi, K. Domke, D.Zhang, B. Ren, J. SteidtnerB. Pettinger Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

20

zobrazení v režimu TERSzobrazení svazku SWCNT ve vibračních modechRBM (290 cm-1)D („disorder“ 1300 cm-1)G+ tangenciální C-C stretching(1594 cm-1)

I... „tip off“ („far-field“ konfokál)II... „tip on“ (TERS)

Nanotechnology 18 (2007) 315502

D. Ciala et al

AFM-TERS zobrazení/analýza

Metallized (Au) AFM tip for TERS/AFM imaging

21

AFM nanomanipulace/lithografie

AFM nanomanipulace/lithografie

Interakce hrotu s povrchem

22

Interakce hrot-povrch

Manipulace na molekulární úrovni (AFM)

23

Nanostruktury vytvářené hrotem (EC)STM

Cu nanočástice vytvořené hrotem STM

P. Janda, K. Kojucharow, L. Dunsch: Surface Science 597 (2005) 26–31

24

SNOM lithografie

Zdroj: Veeco

Laboratoř mikroskopie rastrovací sondouOdd. elektrochemických materiálů

Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AVČR v.v.i.Dolejškova 3, Praha 8

AFM/STM Nanoscope IIIa MultimodePro práci v kapalinách a plynechRozlišení > 0,1 nm

AFM/STM TopoMetrix TMX 2010Pro práci v kapalinách a plynechRozlišení ~ 0,1 nm pavel.janda@jh-inst.cas.cz

25

Cu nanočástice vytvořené hrotem EC STM

26

Ramanova spektroskopieElastický rozptyl světla na molekulárních/atomárních strukturách: λrozptyl = λdopad

Neelastický rozptyl (malá část ~ 1/106) => posun λ: λrozptyl ≠ λdopad=> excituje vibrační/rotační a elektronické stavy

Vibrační/rotační excitace (posun λ) & změna polarizovatelnosti (intenzita)(deformace e-oblaku vzhledem k vibračním koordinátám) => Ramanův posunmolekula absorbuje energii – Stokesův rozptyl – „red shift“: λrozptyl > λdopadmolekula (na vyšší energetické hladině) ztratí energii – anti-Stokesův rozptyl– „blue shift“: λrozptyl < λdopad

Resonanční Raman:λdopad = λexcit.e=> zesílení intenzity vibrač.módu odpovídajícího excit.e-hladiny

závislost signálu TERS na vzdálenosti hrot-vzorek

Závislost zesílení Ramanova signálu (F) svazku SWCNT pro ν = 1594 cm−1 na vzdálenosti hrot-vzorek pro AFM a SFM.

S. S. Kharintsev et al: Nanotechnology 18 (2007) 315502