Skenovací tunelová mikroskopie Atomová silová mikroskopie

Skenovací tunelová mikroskopieSkenovací tunelová mikroskopie

Atomová silová mikroskopie Atomová silová mikroskopie

Atomy & Molekuly& Molekuly

celá příroda pracuje na úrovni atomů a molekulcelá příroda pracuje na úrovni atomů a molekul

miliony let již příroda dokáže stavět obrovské miliony let již příroda dokáže stavět obrovské množství organismů, od bakterií až po samotného množství organismů, od bakterií až po samotného člověkačlověka

Feynman položil vědeckému světu Feynman položil vědeckému světu otázku: ,,Jestliže to zvládne příroda, proč ne otázku: ,,Jestliže to zvládne příroda, proč ne

my?“my?“

Richard Philips FEYNMANRichard Philips FEYNMAN

(1918 – 1988)(1918 – 1988)

- 1965 – Nobelova cena za - 1965 – Nobelova cena za kvantovou elektrodynamikukvantovou elektrodynamiku

Pohled do nanosvětaPohled do nanosvěta

Nanometr – 10Nanometr – 10-9 -9 m (miliardtina metru)m (miliardtina metru)

NANOTECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIE

- obor 21. století, odvětví, které změní život obor 21. století, odvětví, které změní život člověkačlověka

- Čím nahlédnout do nanosvěta?Čím nahlédnout do nanosvěta?

Čím nahlédnout do nanosvěta?Čím nahlédnout do nanosvěta?

Rastrovací elektronový mikroskopRastrovací elektronový mikroskop- velmi úzký elektronový svazek dopadá na vzorek. Dopadající elektrony se - velmi úzký elektronový svazek dopadá na vzorek. Dopadající elektrony se rozptylují do okolí, případně vyrážejí jiné elektrony z povrchu preparátu. rozptylují do okolí, případně vyrážejí jiné elektrony z povrchu preparátu.

- v blízkosti vzorku se nachází detektor elektronů - v blízkosti vzorku se nachází detektor elektronů rekonstrukce obrazu na rekonstrukce obrazu na monitormonitor

- 3D obraz s velkou hloubkou ostrosti- 3D obraz s velkou hloubkou ostrosti

- Rozlišovací mez do 1 nm- Rozlišovací mez do 1 nm

Čím nahlédnout do nanosvěta?Čím nahlédnout do nanosvěta?

Transmisní elektronový mikroskopTransmisní elektronový mikroskop- elektronový svazek procházející velmi tenkým řezem. Na vzorku dochází k - elektronový svazek procházející velmi tenkým řezem. Na vzorku dochází k absorpci a rozptylu svazku. absorpci a rozptylu svazku.

- detektor elektronů- detektor elektronů

- zobrazení tenkých řezů- zobrazení tenkých řezů

- Rozlišení 0,1 nm- Rozlišení 0,1 nm

Čím nahlédnout do mikrosvěta?Čím nahlédnout do mikrosvěta?

1981 – vynález 1981 – vynález skenovací tunelové mikroskopieskenovací tunelové mikroskopie ((STM – Scanning Tunneling MicroscopeSTM – Scanning Tunneling Microscope))

Gerd Binning Gerd Binning Heinrich Rohrer Heinrich Rohrer

Z výzkumné laboratoře IBM v CurychuZ výzkumné laboratoře IBM v Curychu

1986 – Nobelova cena1986 – Nobelova cena

Čím nahlédnout do nanosvěta? - Čím nahlédnout do nanosvěta? - SSTMTM

STM je jedna z mála metod, která je schopna STM je jedna z mála metod, která je schopna poskytnout až atomární rozlišení (rozlišení poskytnout až atomární rozlišení (rozlišení 0,1 nm)0,1 nm)

poskytuje informace o povrchu vodivých vzorkůposkytuje informace o povrchu vodivých vzorků

nevyžaduje náročnou přípravu vzorkunevyžaduje náročnou přípravu vzorku

je založena na průchodu částice energetickou je založena na průchodu částice energetickou bariérou – bariérou – tunelový jevtunelový jev

Čím nahlédnout do nanosvěta? - Čím nahlédnout do nanosvěta? - SSTMTMTUNELOVÝ JEVTUNELOVÝ JEVTunelový jev je jedním ze základních přínosů kvantové Tunelový jev je jedním ze základních přínosů kvantové fyzikyfyzikyDochází k němu v případech, kdy částice nemá Dochází k němu v případech, kdy částice nemá dostatečnou energii na proniknutí energetickou bariéroudostatečnou energii na proniknutí energetickou bariérouV kvantové fyzice existuje nenulová pravděpodobnost, V kvantové fyzice existuje nenulová pravděpodobnost, že částice pronikne skrz bariéruže částice pronikne skrz bariéru

m – hmotnost elektronu, E – energie částice, V – výška energetické bariéry, d – šířka m – hmotnost elektronu, E – energie částice, V – výška energetické bariéry, d – šířka energetické bariéry, energetické bariéry, ћћ – Planckova konstanta (přibližně 10 – Planckova konstanta (přibližně 10-34-34 Js) Js)

S narůstající šířkou bariéry pravděpodobnost průchodu S narůstající šířkou bariéry pravděpodobnost průchodu exponenciálně klesá a právě tato vlastnost je základem exponenciálně klesá a právě tato vlastnost je základem tunelové mikroskopietunelové mikroskopie


Metoda je přímo založena na pravděpodobnosti Metoda je přímo založena na pravděpodobnosti průchodu částice energetickou bariérouprůchodu částice energetickou bariérou

Co je u STM považováno za energetickou Co je u STM považováno za energetickou bariéru pochopíme ze struktury takovéhoto bariéru pochopíme ze struktury takovéhoto mikroskopu.mikroskopu.

Čím nahlédnout do nanosvěta? - Čím nahlédnout do nanosvěta? - SSTMTMvodivý hrot, vzdálenost mezi hrotem a vzorkem vytváří vodivý hrot, vzdálenost mezi hrotem a vzorkem vytváří potenciálovou bariérupotenciálovou bariéru

přiblížení hrotu ke vzorku přiložením napětí – přiblížení hrotu ke vzorku přiložením napětí – piezoelektrický jev piezoelektrický jev

pohyb hrotu podél povrchu – skenování povrchupohyb hrotu podél povrchu – skenování povrchu


přiblížením hrotu ke vzorku se zmenší potenciálová přiblížením hrotu ke vzorku se zmenší potenciálová bariéra bariéra dojde k tunelování elektronů dojde k tunelování elektronů vznik vznik tunelového proudutunelového proudu

obraz povrchu je dán rozložením vlnové funkce atomuobraz povrchu je dán rozložením vlnové funkce atomu

je potřeba vodivý vzorekje potřeba vodivý vzorek


Získaný obraz (skenování) se provádí skokovým Získaný obraz (skenování) se provádí skokovým posuvem hrotu ve dvou rozměrech (x,y). Zpravidla se posuvem hrotu ve dvou rozměrech (x,y). Zpravidla se pohybuje po řádcích a v jednom směru.pohybuje po řádcích a v jednom směru.

Hodnoty, které naměříme jsou závislé na režimu Hodnoty, které naměříme jsou závislé na režimu měření.měření.


Režim s konstantní výškouRežim s konstantní výškou- konstantní hodnota ve směru osy z- konstantní hodnota ve směru osy z

- měří se tunelový proud- měří se tunelový proud

- vhodné pro hladké povrchy- vhodné pro hladké povrchy

- rychlejší měření- rychlejší měření

Režim s konstantním proudemRežim s konstantním proudem- pomocí zpětné vazby se udržuje konstantní tunelový - pomocí zpětné vazby se udržuje konstantní tunelový proudproud

- měří se napětí přikládané k piezoelektrickým prvkům- měří se napětí přikládané k piezoelektrickým prvkům

- časově náročnější měření- časově náročnější měření

- přesnější pro členité povrchy- přesnější pro členité povrchy


Hrotem STM lze adsorbované atomy umístit na Hrotem STM lze adsorbované atomy umístit na zvolené místo. zvolené místo.

Vědečtí pracovníci laboratoří IBM ,,napsali“ pomocí Vědečtí pracovníci laboratoří IBM ,,napsali“ pomocí STM logo své firmy 35 atomy Xe na Ni podložce.STM logo své firmy 35 atomy Xe na Ni podložce.

Čím nahlédnout do nanosvěta? - Čím nahlédnout do nanosvěta? - AAFMFM

Binning – vynález Binning – vynález atomové silové mikroskopieatomové silové mikroskopie ((AFM – Atomic Force MicroscopeAFM – Atomic Force Microscope))

AFM – založena na mapování rozložení atomárních AFM – založena na mapování rozložení atomárních sil na povrchu vzorkusil na povrchu vzorku

Rozlišení na molekulární úrovniRozlišení na molekulární úrovni

Umožňuje studovat vodivé i nevodivé vzorkyUmožňuje studovat vodivé i nevodivé vzorky


Mapování atomárních silMapování atomárních sil

- přitažlivé síly – van der Waalsovy, působící mezi - přitažlivé síly – van der Waalsovy, působící mezi dvěma atomy na větší vzdálenostidvěma atomy na větší vzdálenosti

- odpudivé síly – elektrostatické (Pauliho), působící - odpudivé síly – elektrostatické (Pauliho), působící mezi dvěma atomy na menší vzdálenostimezi dvěma atomy na menší vzdálenosti


nosník s ostrým hrotemnosník s ostrým hrotem

přiblížením hrotu k povrchu vzorku vzniká přitažlivá či přiblížením hrotu k povrchu vzorku vzniká přitažlivá či odpudivá síla odpudivá síla ohnutí nosníku ohnutí nosníku

detektorem ohnutí je laserová dioda, ta vytváří na špičce detektorem ohnutí je laserová dioda, ta vytváří na špičce nosníku skvrnu,která se od nosníku odráží a dopadá na nosníku skvrnu,která se od nosníku odráží a dopadá na světelný detektorsvětelný detektor


Světelný detektor je rozdělen na části. Před měřením Světelný detektor je rozdělen na části. Před měřením je energie svazku dopadající do jednotlivých částí je energie svazku dopadající do jednotlivých částí stejná.stejná.

Při měření se ohyb nosníku projeví posunem odrazu Při měření se ohyb nosníku projeví posunem odrazu energie v jednotlivých částech již nebudou stejné. energie v jednotlivých částech již nebudou stejné.

Z jejich poměrů lze určit vychýlení nosníku.Z jejich poměrů lze určit vychýlení nosníku.

V dnešní době se zpravidla používá kvadrantní V dnešní době se zpravidla používá kvadrantní detektor (4 části), který umožňuje detekovat pohyb detektor (4 části), který umožňuje detekovat pohyb skvrny také v kolmém směru – tedy zkrut nosníku.skvrny také v kolmém směru – tedy zkrut nosníku.


Síly ohýbající nosník mohou být přitažlivé či odpudivé.Síly ohýbající nosník mohou být přitažlivé či odpudivé.

Celková síla působící na nosník pak může být jak Celková síla působící na nosník pak může být jak přitažlivá tak i odpudivá v závislosti na vzdálenosti přitažlivá tak i odpudivá v závislosti na vzdálenosti hrotu od povrchu vzorku.hrotu od povrchu vzorku.

Z tohoto „rozdělení“ je možno odvodit režimy činnosti.Z tohoto „rozdělení“ je možno odvodit režimy činnosti.


Dotykový (kontaktní) režimDotykový (kontaktní) režim

Bezdotykový (nekontaktní) režimBezdotykový (nekontaktní) režim

Poklepový režim (přerušovaný kontakt)Poklepový režim (přerušovaný kontakt)


Dotykový (kontaktní) režimDotykový (kontaktní) režim

- nosník s hrotem velmi blízko u povrchu - nosník s hrotem velmi blízko u povrchu výsledná síla výsledná síla je odpudivá je odpudivá ohyb nosníku od povrchu ohyb nosníku od povrchu

- vhodné pro tuhé vzorky- vhodné pro tuhé vzorky


Bezdotykový (nekontaktní) režimBezdotykový (nekontaktní) režim

- nosník s hrotem dostatečně daleko od povrchu vzorku - nosník s hrotem dostatečně daleko od povrchu vzorku hrot je ke vzorku přitahován hrot je ke vzorku přitahován

- hrot musí být dostatečně tuhý, aby nepoškodil vzorek- hrot musí být dostatečně tuhý, aby nepoškodil vzorek

- bez mechanického kontaktu hrotu s povrchem - bez mechanického kontaktu hrotu s povrchem možnost měření měkké, pružné (biologické) vzorkymožnost měření měkké, pružné (biologické) vzorky


Poklepový režim (přerušovaný kontakt)Poklepový režim (přerušovaný kontakt)

- rozkmit nosníku - rozkmit nosníku dochází k dotyku hrotu s povrchem dochází k dotyku hrotu s povrchem

- povrch je mapován ze změny rezonanční frekvence- povrch je mapován ze změny rezonanční frekvence



Nanotechnologie v současné doběNanotechnologie v současné době

Nanoprášky – v kosmetice, čištění odpadních tekutin, Nanoprášky – v kosmetice, čištění odpadních tekutin, pohon raketpohon raket

Informační technologie – nanoelektronikaInformační technologie – nanoelektronika

Polovodičové krystaly – kvantové tečky (sledování Polovodičové krystaly – kvantové tečky (sledování biologických reakcí v organismu, testování DNA a biologických reakcí v organismu, testování DNA a protilátek)protilátek)

V oblasti biomedicíny – (analýza moči, krve, možnost V oblasti biomedicíny – (analýza moči, krve, možnost separace škodlivých látek z krve), atd.separace škodlivých látek z krve), atd.

Literatura:Literatura:

D. Halliday, R. Resnick, J. Walker – Moderní fyzika, část 5, (1997)D. Halliday, R. Resnick, J. Walker – Moderní fyzika, část 5, (1997)

I. Hrazdira, V. Mornstein – Lékařská biofyzika a přístrojová technika, I. Hrazdira, V. Mornstein – Lékařská biofyzika a přístrojová technika, (2004)(2004)

Mikroskopie skenující sondou – Mikroskopie skenující sondou – http://atmilab.upol.cz/spm.htmlhttp://atmilab.upol.cz/spm.html

R. Kubínek – Pohled do nanosvěta – R. Kubínek – Pohled do nanosvěta – http://atmilab.upol.cz/texty/nanosvet.pdfhttp://atmilab.upol.cz/texty/nanosvet.pdf (2003) (2003)

Documents

Skenovací tunelová mikroskopie Atomová silová mikroskopie