Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi

Rok Žitko

Institut “Jožef Stefan”

Seminar DMFA, 3. februar 2007

Tipalni mikroskopi – leče 21. stoletja

• Zgodovina: iz česa je sestavljen svet?

• Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo?

• Ali lahko vidimo atome?– Vrstični tunelski mikroskop (STM)– Mikroskop na atomsko silo (AFM)

• Kaj raziskujemo s tipalnimi mikroskopi v Sloveniji?

Grški atomizem

Demokrit (460-370 pr. n. št.)

Levkip (5. st. pr. n. št.)

Arhaična ideja atoma, filozofski koncept

• Atom:

• majhen

• nedeljiv

• končne velikosti

• večen

• Praznina

• Nujnost

Renesansa in obuditev atomizma

• Galileo Galilei (1564-1642): z eksperimenti zavrže Aristotelovo fiziko.

• René Descartes (1596-1650): vse kar je fizičnega v vesolju, je narejeno iz majhnih drobcev.

• Robert Boyle (1627-1691): prvi sodobni kemik.

• elementi, spojine, zmesi

• delci različnih velikosti in oblik

Sodobni atomizem• Isaac Newton (1643-1727): končno veliki

trdi delci z maso, zanje veljajo Newtonovi zakoni

• Ruđer Josip Bošković (1711-1787): prva matematična teorija atomov

• John Dalton (1766-1844): zakon o stalnih razmerjih, sodobni koncept atoma

Daltonova atomska teorija

• Elementi sestavljeni iz atomov

• Vsi atomi danega elementa so enaki

• Atomi danega elementa so različni od atomov drugega elementa

• Atomi se sestavljajo v spojine

• Atomov ne moremo ustvariti, razdeliti v manjše dele ali uničiti; lahko se le preuredijo

• Avogadro (1776-1856): Avogadrov zakon, razjasni pojem molekule.

• James Clark Maxwell (1831-1879): statistična mehanika - kinetična teorija plinov, Maxwellova porazdelitev.

“Atom je telo, ki ga ni moč razdeliti na dva dela. Molekula je najmanjši možni sestavni del neke spojine. Nihče še ni videl, niti rokoval s posamezno molekulo.” (J. C. Maxwell, Nature, sep. 1873)

20. stoletje

• Albert Einstein (1879-1955): teorija Brownovega gibanja.

• Jean Perrin (1870-1942): Nobelova nagrada leta 1926 za “delo na nezvezni strukturi snovi, in še posebej za odkritje sedimentacijskega ravnovesja”.

Konec stoletje trajajočega akademskega prepira o atomski teoriji: molekule res obstajajo.

21. stoletje: nanotehnologija

Nanoavtomobil, univerza Rice, ZDA.

Ali lahko atome vidimo?

• Ne z optičnim mikroskopom: svetlobna dolžina 1000x večja od velikosti atoma.

Field ion microscopy (FIM)

Vir: Magnetic Materials Center,

NIMS, Japonska.

Konica iz volframa

Vrstični tipalni mikroskop(Scanning probe microscope, SPM)

• Vrstični tunelski mikroskop(Scanning tunneling microscope, STM)

• Mikroskop na atomsko silo(Atomic force microscope, AFM)

Mikroskop, ki sliko površine določi s fizičnim tipalom, ki potuje po vzorcu vrstico za vrstico (“skenira”).

Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno

medsebojno razdaljo?

• Sile med površinama– privlačna van der Waalsova– kemijska vezava (kovalentna vez)– odbojna sila ob mehanskem kontaktu

• Tunelski pojav in električni tok med kosoma snovi

Sile med površinama

F. J. Giessibl, Rev. Mod. Phys. 75 952 (2003)

Sile med površinama: van der Waalsova sila

Jacob Israelachvili, “Intermolecular & Surface Forces”, 2. izdaja, Academic Press (1997)

0

20

-20

-10

10

F (

nN)

0 1 20,5 1,5

D (nm)

Sile med površinama: sile kemijske vezave

0

20

-20

-10

10

F (

nN)

0 1 20,5 1,5

D (nm)

Tvorba kemijske vezi med najbolj izpostavljenima atomoma:

• kovalentna vez

• kratek doseg

• močno anizotropna

• (ionska vez)

kratek doseg!

e-

Tunelski pojav• Elektroni se obnašajo kot valovanje in/ali

kot delci (dualnost) → valovni paketi.

• Valovanje lahko prodre skozi tanko oviro, v katero klasični delec ne bi mogel vstopiti.Rečemo, da tunelira skozi prepovedano območje.

• Neposredna posledica zakonov kvantne fizike, nima analogije v klasični mehaniki.

Tunelski pojav

Kristal 1 Kristal 2

Tunelski pojav

Kristal 1 Kristal 2

Tunelski pojav

Kristal 1 Kristal 2e-

Tunelski pojav

Kristal 1 Kristal 2e-

Tunelski pojav

Kristal 1 Kristal 2e-

Tunelski pojav

Kristal 1 Kristal 2e-

L

Leo Esaki Ivar Giaever

1/2 Nobelove nagrade leta 1973 za “eksperimentalna odkritja o tunelskem pojavu v polprevodnikih oziroma v superprevodnikih”.

1/2 Nobelove nagrade za “teoretično napoved lastnosti supertokov skozi tunelsko pregrado, oziroma bolj natančno za tiste pojave, ki so v splošnem znani kot Josephsonov pojav”.

Brian David Josephson

Vrstični tunelski mikroskop

Heinrich Rohrer, Gerd Binnig

Nobelova nagrada leta 1986 za “izdelavo vrstičnega tunelskega mikroskopa”.

Prvi tunelski mikroskop (1981)

G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel“7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space”Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)

Vir: IBM Zürich

Si(111)-7x7

Atomska ločljivost na bakru pri T=25 K (2005)

Pod površino sonapake v kristalu.

Površina bakra Cu(111)

Odsek F5, IJS9,2 nm

0,255 nm

Površina bakra Cu(211), T=7 K (2006)

Zoom

Spontano premikanje molekul pri 25 K

Molekule CO na površini bakra

z (razdalja med povr inama)š

I (tunelski tok)

atomskimehanski

stik

~10 Am

~1 nA

~1 pA

običajnitok priSTM

mejamerljivih

tokovpri STM

~2-3Å~10Å

Kako posnamemo sliko?

+Y

-Y

+X

-X

Kako posnamemo sliko?Y

X

Stm_ccm.swf

Kako izrišemo sliko?

Vir: IBM Almaden, http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html

Premikanje atomov

Atomi ksenona na površini kristala niklja

D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990).

Vir: Kai-Felix Braun,Freie Universität Berlin,disertacija.

N. Nilius, T. M. Wallis, W. Ho: Development of One-dimensional Band Structure in Artificial Gold Chains, Science 297 1853 (2002).

Kemijske reakcije s posameznimi molekulami

Saw-Wai Hla et al. Phys. Rev. Lett. 85 2777 (2000)

Ullmanova reakcija

2 C6H5I

C6H5-C6H5

Cu

benzen

bifenil

G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber“Atomic Force Microscope”Phys. Rev. Lett. 56, 930 - 933 (1986)

Mikroskop na atomsko silo

Cfc.swf

Calvin Quate

Christoph Gerber

Ročica

Tipalo

Vzorec

"Skener"

Laserski žarek

Tipala za AFM

Vir: Nanosensors AG, Švica

Atomska ločljivost pri AFM

F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000).

Si(111)-7x7

F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000)F. J. Giessibl, C. F. Quate, Physics Today, Dec. 2006.

Druge vrste tipalnih mikroskopov

• magnetic force microscope (magnetne lastnosti)

• lateral force microscope (trenje)

• electric force microscopy (naboj)

• magnetic resonance force microscopy (spin)

• ...

Nizkotemperaturni STM na IJS

Besockejeva merilna glava ali “čmrlj”

Erik Zupanič

Albert Prodan

Herman van Midden

Igor Muševič

Ivan Kvasič

Rok Žitko

Odsek F5, IJS

Tipalni mikroskopi na IJS

Igor Muševič, Miha Škarabot, F5

- tekoči kristali

- plastni materiali

- biološki vzorci

Multimode AFM Nanoscope III, DI

Tipalni mikroskopi na IJS

Veeco Dimension 3000

D. Mihailovič, Marko Uplaznik, odsek F7

- nanožice

- nanosenzorji

- hibridni nanočipi

Tipalni mikroskopi na IJS

• Omicron STM/AFM (M. Remškar, F5)

• NT-MDT (J. Kovač, F4)

Povzetek

• Vidimo lahko posamezne atome na površinah.

• Preučujemo lahko sile med dvema atomoma, torej kemijske vezi.

• Atome lahko premikamo.

Fotografija: Warren Nagourney, Univerza v Washingtonu (2000)