Skenovací tunelová mikroskopie Atomová silová mikroskopie

Prezentace na téma: "Skenovací tunelová mikroskopie Atomová silová mikroskopie"— Transkript prezentace:

1 Skenovací tunelová mikroskopie Atomová silová mikroskopie

2 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

3 Feynman položil vědeckému světu otázku: ,,Jestliže to zvládne příroda, proč ne my?“
Richard Philips FEYNMAN (1918 – 1988) – Nobelova cena za kvantovou elektrodynamiku

4 Nanometr – 10-9 m (miliardtina metru)
Pohled do nanosvěta Nanometr – 10-9 m (miliardtina metru) NANOTECHNOLOGIE obor 21. století, odvětví, které změní život člověka Čím nahlédnout do nanosvěta?

5 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

6 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

7 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

8 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

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

10 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.

11 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

12 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

13 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.

14 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

15 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.

16 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

17 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

18 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

19 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.

20 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.

21 Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Dotykový (kontaktní) režim Bezdotykový (nekontaktní) režim Poklepový režim (přerušovaný kontakt)

22 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

23 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

24 Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM
Poklepový režim (přerušovaný kontakt) - rozkmit nosníku  dochází k dotyku hrotu s povrchem - povrch je mapován ze změny rezonanční frekvence

25 Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM

26 Čím nahlédnout do nanosvěta? - AFM

27 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.

28 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 – R. Kubínek – Pohled do nanosvěta – (2003)