Transcript Prezentace

Skenovací tunelová mikroskopie
Atomová silová mikroskopie
Atomy & Molekuly
celá příroda pracuje na úrovni atomů a molekul
miliony let již příroda dokáže stavět obrovské
množství organismů, od bakterií až po samotného
člověka
Feynman položil vědeckému světu otázku:
,,Jestliže to zvládne příroda, proč ne my?“
Richard Philips FEYNMAN
(1918 – 1988)
- 1965 – Nobelova cena za
kvantovou elektrodynamiku
Pohled do nanosvěta
Nanometr – 10-9 m (miliardtina metru)
NANOTECHNOLOGIE
- obor 21. století, odvětví, které změní život
člověka
- Čím nahlédnout do nanosvěta?
Čím nahlédnout do nanosvěta?
Rastrovací elektronový mikroskop
- velmi úzký elektronový svazek dopadá na vzorek. Dopadající elektrony se
rozptylují do okolí, případně vyrážejí jiné elektrony z povrchu preparátu.
- v blízkosti vzorku se nachází detektor elektronů rekonstrukce obrazu na
monitor
- 3D obraz s velkou hloubkou ostrosti
- Rozlišovací mez do 1 nm
Čím nahlédnout do nanosvěta?
Transmisní elektronový mikroskop
- elektronový svazek procházející velmi tenkým řezem. Na vzorku dochází k
absorpci a rozptylu svazku.
- detektor elektronů
- zobrazení tenkých řezů
- Rozlišení 0,1 nm
Čím nahlédnout do mikrosvěta?
1981 – vynález skenovací tunelové mikroskopie
(STM – Scanning Tunneling Microscope)
Gerd Binning
Heinrich Rohrer
Z výzkumné laboratoře IBM v Curychu
1986 – Nobelova cena
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
STM je jedna z mála metod, která je schopna
poskytnout až atomární rozlišení (rozlišení
0,1 nm)
poskytuje informace o povrchu vodivých vzorků
nevyžaduje náročnou přípravu vzorku
je založena na průchodu částice energetickou
bariérou – tunelový jev
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
TUNELOVÝ JEV
Tunelový jev je jedním ze základních přínosů kvantové
fyziky
Dochází k němu v případech, kdy částice nemá
dostatečnou energii na proniknutí energetickou
bariérou
V kvantové fyzice existuje nenulová pravděpodobnost,
že částice pronikne skrz bariéru
m – hmotnost elektronu, E – energie částice, V – výška energetické bariéry, d – šířka
energetické bariéry, ћ – Planckova konstanta (přibližně 10-34 Js)
S narůstající šířkou bariéry pravděpodobnost průchodu
exponenciálně klesá a právě tato vlastnost je základem
tunelové mikroskopie
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
Metoda je přímo založena na pravděpodobnosti
průchodu částice energetickou bariérou
Co je u STM považováno za energetickou
bariéru pochopíme ze struktury takovéhoto
mikroskopu.
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
vodivý hrot, vzdálenost mezi hrotem a vzorkem vytváří
potenciálovou bariéru
přiblížení hrotu ke vzorku přiložením napětí –
piezoelektrický jev
pohyb hrotu podél povrchu – skenování povrchu
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
přiblížením hrotu ke vzorku se zmenší potenciálová
bariéra  dojde k tunelování elektronů  vznik
tunelového proudu
obraz povrchu je dán rozložením vlnové funkce atomu
je potřeba vodivý vzorek
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
Získaný obraz (skenování) se provádí skokovým
posuvem hrotu ve dvou rozměrech (x,y). Zpravidla se
pohybuje po řádcích a v jednom směru.
Hodnoty, které naměříme jsou závislé na režimu
měření.
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
Režim s konstantní výškou
- konstantní hodnota ve směru osy z
- měří se tunelový proud
- vhodné pro hladké povrchy
- rychlejší měření
Režim s konstantním proudem
- pomocí zpětné vazby se udržuje konstantní tunelový
proud
- měří se napětí přikládané k piezoelektrickým prvkům
- časově náročnější měření
- přesnější pro členité povrchy
Čím nahlédnout do nanosvěta? - STM
Hrotem STM lze adsorbované atomy umístit na
zvolené místo.
Vědečtí pracovníci laboratoří IBM ,,napsali“ pomocí
STM logo své firmy 35 atomy Xe na Ni podložce.
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Binning – vynález atomové silové mikroskopie
(AFM – Atomic Force Microscope)
AFM – založena na mapování rozložení atomárních
sil na povrchu vzorku
Rozlišení na molekulární úrovni
Umožňuje studovat vodivé i nevodivé vzorky
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Mapování atomárních sil
- přitažlivé síly – van der Waalsovy, působící mezi
dvěma atomy na větší vzdálenosti
- odpudivé síly – elektrostatické (Pauliho), působící
mezi dvěma atomy na menší vzdálenosti
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
nosník s ostrým hrotem
přiblížením hrotu k povrchu vzorku vzniká přitažlivá či
odpudivá síla  ohnutí nosníku
detektorem ohnutí je laserová dioda, ta vytváří na špičce
nosníku skvrnu,která se od nosníku odráží a dopadá na
světelný detektor
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Světelný detektor je rozdělen na části. Před měřením
je energie svazku dopadající do jednotlivých částí
stejná.
Při měření se ohyb nosníku projeví posunem odrazu
 energie v jednotlivých částech již nebudou stejné.
Z jejich poměrů lze určit vychýlení nosníku.
V dnešní době se zpravidla používá kvadrantní
detektor (4 části), který umožňuje detekovat pohyb
skvrny také v kolmém směru – tedy zkrut nosníku.
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Síly ohýbající nosník mohou být přitažlivé či odpudivé.
Celková síla působící na nosník pak může být jak
přitažlivá tak i odpudivá v závislosti na vzdálenosti
hrotu od povrchu vzorku.
Z tohoto „rozdělení“ je možno odvodit režimy činnosti.
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Dotykový (kontaktní) režim
Bezdotykový (nekontaktní) režim
Poklepový režim (přerušovaný kontakt)
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Dotykový (kontaktní) režim
- nosník s hrotem velmi blízko u povrchu  výsledná síla
je odpudivá  ohyb nosníku od povrchu
- vhodné pro tuhé vzorky
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Bezdotykový (nekontaktní) režim
- nosník s hrotem dostatečně daleko od povrchu vzorku
 hrot je ke vzorku přitahován
- hrot musí být dostatečně tuhý, aby nepoškodil vzorek
- bez mechanického kontaktu hrotu s povrchem 
možnost měření měkké, pružné (biologické) vzorky
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Poklepový režim (přerušovaný kontakt)
- rozkmit nosníku  dochází k dotyku hrotu s povrchem
- povrch je mapován ze změny rezonanční frekvence
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Nanotechnologie v současné době
Nanoprášky – v kosmetice, čištění odpadních tekutin,
pohon raket
Informační technologie – nanoelektronika
Polovodičové krystaly – kvantové tečky (sledování
biologických reakcí v organismu, testování DNA a
protilátek)
V oblasti biomedicíny – (analýza moči, krve, možnost
separace škodlivých látek z krve), atd.
Literatura:
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker – Moderní fyzika, část 5, (1997)
I. Hrazdira, V. Mornstein – Lékařská biofyzika a přístrojová technika,
(2004)
Mikroskopie skenující sondou – http://atmilab.upol.cz/spm.html
R. Kubínek – Pohled do nanosvěta –
http://atmilab.upol.cz/texty/nanosvet.pdf (2003)