Transcript Μικροσκοπία ατομικής δύναμης

Σεμινάρια Φυσικής
2007
Υπεύθυνη : M. Μακροπούλου
Μικροσκοπία ατομικής δύναμης
(Atomic Force Microscopy)
Ικάριος Εμμανουήλ
Α.Μ. 09101128
2
Ιστορική αναδρομή
•Πρώτος αιώνας π.Χ. , οι Ρωμαίοι χρησιμοποιούν το γυαλί για να
μεγεθύνουν αντικείμενα.
•Τα πρώτα μικροσκόπια είχαν τη δυνατότητα να μεγεθύνουν κατά 610x.
•1590 οι Δανοί Hans και Zaccharias Janssen ανακαλύπτουν για
πρώτη φορά το μικροσκόπιο που αποτελείται από 2 ή
περισσότερους φακούς.
•Ο Γαλιλαίος μαθαίνει τα πειράματά τους, εξηγεί το φαινόμενο και
βελτιώνει το μικροσκόπιο.
• 1674 ο Anton van Leeuwenhoe, ο «πατέρας της μικροσκοπίας»
δημιούργησε μικροσκόπιο με μεγέθυνση έως και 270x.
•1872 με την άνοδο της τεχνολογίας ο Ernst Abbe υπολόγισε πώς θα
μπορούσαμε να έχουμε μέγιστη ανάλυση στα μικροσκόπια
•1903 ο Richard Zisgmondy έφτιαξε ισχυρό μικροσκόπιο το οποίο
δούλευε με την βοήθεια του φωτός
•1930 έχουμε τα πρώτα ηλεκτρονικά και οπτικά μικροσκόπια από τον
Ernst Ruska που πήρε και βραβείο Νόμπελ το 1986
3
Ιστορική αναδρομή
Μιλώντας για μικροσκοπία το
μυαλό μας θα πήγαινε σε
οπτικά ή ηλεκτρονικά
μικροσκόπια
Κλίμακα
διακριτικότητας
Μέσα του
1980
(1986)
Οπτικά 1000Χ
Ηλεκτρονικά 100.000Χ
Ανακάλυψη του AFM
Κλίμακα
διακριτικότητας έως
1.000.000Χ
εικόνα μέχρι
δύο
διαστάσεις
Βασικό
πλεονέκτημα
3 διαστάσεις
4
Κατηγορία στην οποία εντάσσεται η
μέθοδος
Μικροσκοπία
Σάρωσης με
Ακίδα
Scanning probe
Microscopy
(SPM)
Μικροσκοπία
ατομικής
Δύναμης (AFM)
1986
Μικροσκοπία
Πλευρικής
δύναμης
Lateral force
microscopy
Μικροσκοπία
μαγνητικής
Δύναμης
Magnetic force
microscopy
Άλλες
μέθοδοι
5
Κοινό στοιχείο των μεθόδων
Είναι μέθοδοι οι οποίες βασίζονται
στην σάρωση επιφάνειας με
διαφορετικές τροποποιήσεις η
καθεμία από αυτές
S
canning
P
robe
M
icroscopes
- Γενικά
Τέτοιου είδους
Μικροσκόπια
χρησιμοποιούνται
για την μελέτη
επιφανειών και για
την μελέτη των
ιδιοτήτων του υλικού
στη τάξη μεγέθους
έως μερικά μικρά
7
Scanning Probe Microscopes – Τεχνική
Όργανο το οποίο
φροντίζει για την
μέτρηση της
κατακόρυφης θέση
της ακίδας
Το υλικό προς
μελέτη
Πιεζοηλεκτρικός
σαρωτής ο οποίος
μετακινεί το υλικό
κάτω από την μύτη
της ακίδας
Ράβδος η οποία
πιέζει την ακίδα
να “πατάει” καλά
στο υλικό
Βραχίονας μαζί
με την ακίδα
Υπολογιστής ο
οποίος οδηγεί
τον σαρωτή
καταγράφει τα
δεδομένα και τα
μετατρέπει σε
εικόνα
8
Γενική διάταξη ενός AFM
Συνήθως 2 οθόνες
στην μια οι ρυθμίσεις
και στην άλλη να
βλέπουμε τη
διαμόρφωση της
επιφάνειας
9
AFM
Contact Mode
Contact mode
Η σάρωση γίνεται με
επαφή της ακίδας
και της επιφάνειας
προς μελέτη
Non-Contact Mode
Non - Contact mode
Η σάρωση γίνεται χωρίς
επαφή της ακίδας και της
επιφάνειας προς μελέτη
10
Μικροσκόπιο Ατομικής
ΔΥΝΑΜΗΣ
Μετρούνται δυνάμεις ανάμεσα στην ακίδα
και στην προς εξέταση επιφάνεια μέσω της
μετατόπισης της ακίδας
Van der Waals
Ηλεκτροστατικές
Μαγνητικές
Από επαφή
…
11
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη
–
Ακίδα
Μέσω της ακίδας ανιχνεύουμε
την επιφάνεια του δείγματος
•Μήκος βραχίονα25-300μm
•Πλάτος  10-30 μm
•Πάχος  0.5-3 μm
•Υλικό  Si ή Si3N4
Ο βραχίονας μπορεί να
είναι είτε μονός είτε
τριγωνικός (δηλ. με δυο
μπράτσα)
12
Παράδειγμα σε
κάποια βακτήρια
Σημασία μορφής ακίδας
•Μεγάλη Ανάλυση
(αιχμηρή μύτη)
Μικρή Διάμετρος
Ακίδας
•Βαθιά και στενή μορφολογία
(μικρότερη επιφάνεια)
13
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη –
Laser & Φωτοδίοδος
Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται
μεταξύ της επιφάνειας και της ακίδας
προκαλούν στη βάση της ακίδας μια
καμπή ή μια απόκλιση. Αυτές οι
αποκλίσεις ή οι κάμψεις της βάσης
της ακίδας με τη χρήση ενός απλού
laser μπορούν να μετρηθούν από
έναν ανιχνευτή ( φωτοδίοδο στην
συγκεκριμένη περίπτωση)
14
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη –
Laser & Φωτοδίοδος
Ζ
Υ
Χ
Έτσι μέχρι τώρα
καταφέραμε να
σκιαγραφήσουμε τις
κάθετες μόνο ανωμαλίες
της επιφάνειας μας.
Μόνο δηλαδή κατά τον
άξονα z.
Πως όμως παίρνουμε
τρισδιάστατη εικόνα?
15
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη –
Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής
Ο πιεζοηλεκτρικός
σαρωτής είναι υπεύθυνος
για την καταγραφή της
επιφάνειας στους άξονες Χ
και Υ
Πως γίνεται αυτό;
16
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη –
Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής
Ο πιεζοηλεκτρικός σαρωτής μετακινεί την
επιφάνεια προς μελέτη κάτω από την
αιχμή της ακίδας.
Μόλις η αιχμή της ακίδας βρει μια
ανωμαλία στην επιφάνεια υπάρχει μια
αλλαγή της δύναμης την οποία δέχεται ο
πιεζοηλεκτρικός σαρωτής.
Οι συντεταγμένες κατά τους άξονες x,y
είναι όμως γνωστές από τη θέση του
σαρωτή.
Μέσω του μηχανισμού ανατροφοδότησης
μετρούνται αυτές οι δυνάμεις και μέσω
του υπολογιστή δημιουργείται η εικόνα
του αντικειμένου μελέτης
17
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη –
Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής
Τυπική σάρωση
10 Α ~ 100 μικρά ή
64 ~ 512 points/line
Ο σαρωτής είναι κυρίως
φτιαγμένος από Ζιρκόνιο και
τιτάνιο. Φτιάχνονται πιέζοντας
μαζί την σκόνη από τα υλικά και
παίρνουμε το μίγμα (την
συμπιεσμένη σκόνη). Το
αποτέλεσμα είναι ένα
πολυκρυσταλλικό σώμα. Καθένας
από αυτούς τους κρυστάλλους
είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο. Σ’
αυτούς βασίζεται και η τάση που
παίρνουμε από την πίεση που
ασκείται.
18
Εφαρμογές
1)Νανοδιατάξεις
2)Πολυμερή υλικά
3)Εύρεση Ελαττωμάτων σε υλικά
4)Μεταλλουργία
5)Αναλύσεις σε οπτικό δίσκο DVD
6)Ανάλυση μεμβρανών
7)Βιοιατρική
κ.α.
19
Νανοδιατάξεις
Μετρούμενα υλικά
•Νανοκρυστάλλους
•Νανοσυνθέσεις
•Νανοεπιφάνειες με κόκκους
GaAs
•Νανοαγωγούς
•Νανοκεραμικά
Carbon
Nanotubes
20
Πολυμερή υλικά
21
Εύρεση Ελαττωμάτων σε υλικά
AFM σαν εργαλείο μετρολογίας
Ουσιαστικά στην βιομηχανία
22
Μεταλλουργία
Συχνά στις βιομηχανίες για ανίχνευση
καλής ποιότητας των υλικών αναλύοντας
χαρακτηριστικά τους
Μελετώντας την επιφάνεια των υλικών
βρίσκουμε την αντοχή τους και την
αντίδρασή τους σε διάφορους εξωτερικούς
παράγοντες όπως θερμοκρασία κα.
Πλεονεκτήματα
•Μεγάλη ανάλυση
•Τρεις διαστάσεις
•Εύκολο στην χρήση
23
Αναλύσεις σε οπτικό δίσκο DVD
Αναλύσεις σε επιφάνειες οπτικών δίσκων
24
Ανάλυση μεμβρανών
25
Βιοιατρική
•Μελετούνται σε βάθος βακτήρια, κύτταρα,
πρωτεΐνες , πολυσακχαρίτες, ιούς
•DNA
•Βρίσκονται ανωμαλίες
•Μορφολογία τους
•Τρισδιάστατη απεικόνιση
26
Φωτογραφίες από AFM
27
Πλεονεκτήματα
 Τρισδιάστατη «φωτογραφία»
 Πολύ μεγάλη ανάλυση
 Μπορούμε να μελετήσουμε υλικά που δεν είναι
αγώγιμα
 Το προς μελέτη υλικό δε χρειάζεται ειδική
προεργασία (π.χ. τοποθέτηση μεταλλικού
μανδύα που μπορεί να καταστρέψει το δείγμα)
 Λειτουργεί και σε υδάτινο περιβάλλον (βιολογικά
μακρομόρια – ζωντανοί οργανισμοί)
28
Μειονεκτήματα
Μέγεθος εικόνας (mm x mm)
Η ανάλυση της φωτογραφίας εξαρτάται από την
ακτίνα της ακίδας
Μικρή ταχύτητα σάρωσης (αρκετά λεπτά)
Χρειάζεται απομόνωση από εξωτερικές δονήσεις
Χρειάζεται ειδική προετοιμασία για υλικά που
μπορεί να παραμορφωθούν από το μικροσκόπιο
λόγω της δύναμης που εμφανίζεται. Δεν υπάρχει
γενική μέθοδος αλλά κάθε υλικό θέλει ξεχωριστή
μελέτη.
29
Τέλος παρουσίασης
Βιβλιογραφία
• Pacific Nanotechnology
• www.pacificnanotech.com
• www.probestore.com
• Material Evaluation & Engineering
• Nuno C. Santos
• Miguel Castanho
• Nova scan
• ΕΙΧΗΜΥΘ Ερευνητικό Ινστιτούτο Χημικής Μηχανικής και Χημικών Διεργασιών Υψηλής Θερμοκρασίας
• Bioteckol
• http://www.farmfak.uu.se/
30