Přednáška 2 Analytické metody používané v nanotechnologiích KCH/NANTM Přednáška 2 Analytické metody používané v nanotechnologiích

Obsah Úvod do mikroskopie Skenovací elektronová mikroskopie Transmisní elektronová mikroskopie

Mikroskopie Primární neinvazivní metoda pro výzkum nanomateriálů Kvantitativní informace Struktura Mikrostruktura Vady a defekty Distribuce fází Velikost částic, zrna Historie zpracování materiálů Informace pro přípravu nových materiálů

Mikroskopie Optická mikroskopie Elektronová mikroskopie SEM TEM Mikroskop atomárních sil (AFM) Skenovací tunelový mikroskop (STM) Skenovací sondový mikroskop (SPM) Chemický silový mikroskop (CFM)

Mikroskopie Vývojové mezníky Starověký Řím – zvětšovací skla 13. století – první brýle (Itálie) 16. století – první mikroskop Neověřeno Galileo Galilei Bratři Janseniovi 17. století Anton van Leeuwenhoek Nizozemí Jediná kulová čočka 250 – 300x Bakterie, prvoci, krevní kapiláry Robert Hook

Mikroskopie vývojové mezníky Stagnace Do 20. století jen drobné inovace Použití převážně pro biologické aplikace Další vývoj Potřeba výzkumu nových materiálů – železo, ocel, litina Znalost vnitřní struktury

Optická mikroskopie

Optická mikroskopie Světelný (optický) mikroskop Paralelní zařízení Zvětšený obraz Rozeznávání detailů Přímo pozorovatelný/fotografovatelný obraz Obraz je zvětšován dvěma sadami spojených čoček Objektiv Okulár Největší zvětšení v obyčejném světle – 1500 x 1500x s ještě využitelnou rozlišovací schopností

Optická mikroskopie Průběh světla v mikroskopu Preparát kousek před ohniskovou rovinou – reálný převrácený a zvětšený obraz v předmětové ohniskové vzdálenosti okuláru Okulár tvoří obraz jako lupa – co nejvíce se přiblížit

Optická mikroskopie Zvětšení se mění výměnou objektivu nebo okuláru Různé metody pozorování Přímé procházející světlo Temné pole Šikmé osvětlení Fázový kontrast

Optická mikroskopie Konstrukce mikroskopu Objektiv Suchý Imerzní (imerzní olej mezi objektivem a preparátem) Zobrazovací vady Sférická odchylka Sinusová vada Zklenutí obrazu Deformace (soudkové a polštářkové zkreslení) Chromatická aberace Názvy objektivů Achromáty Plan-objektivy Apochromáty

Optická mikroskopie Objektivy Numerická apertura Rozlišovací schopnost Číselné měřítko pro schopnost optiky zachycovat informace Lepší kvalitu má ten objektiv, který má při stejném zvětšení vyšší numerickou aperturu Rozlišovací schopnost Závisí na numerické apertuře, kondenzoru a kvalitě osvětlení – vlnová délka Nejmenší možná vzdálenost dvou od sebe odlišitelných bodů Korekce zbytkových vad Jas a kontrast obrazu Čím větší vlnová délka, tím vyšší rozlišení

Optická mikroskopie Okulár Ostatní prvky Umožňuje sledovat obraz – promítá do oka zvětšený obraz Kompenzují zbytkové vady Projektivy Ostatní prvky Tubus Monookulární/binokulární/trinokulární Objektiv, okulár i ostatní prvky centrované - optická osa

Optická mikroskopie

Optická mikroskopie Zdroje Denní světlo Sluneční světlo Žárovky Dnes halogenová Zrcadlo, irisová clonka, kolektorová čočka Kondenzor Promítá svítící plochu do vstupní pupily objektivu

Členění mikroskopických metod Zobrazovací Umožňují analýzu povrchu i vnitřní struktury Analytické Lokální analýzy chemického složení Fázová identifikace Podle světla Na průchod (zdroj-kondenzor-vzorek-objektiv) Na odraz (objektiv zároveň kondenzorem) Klasické uspořádání Převrácené uspořádání (inverted) Dostatečné přiblížení a následná strukturní charalterizace

Elektronová mikroskopie

Elektronová mikroskopie Mnohem větší rozlišovací schopnost U světelné mikroskopie limitována vlnovou délkou Elektronová mikroskopie – často < 1 Å Historie Mezník 1936 – oficiálně první elektronový mikroskop 1924 – Louis de Broglie – vlnový charakter částic 1927 – potvrzeno pro elektron 1920 – urychlené elektrony se ve vákuu chovají jako světlo 100 000x menší vlnová délka Šíří se přímočaře

Elektronová mikroskopie Historie Elektrony jsou ovlivňovány Elektrickým polem Magnetickým polem Stejně jako čočky a zrcadla 1934 – Ernst Ruska, Max Knoll: TEM4 2 elmag. čočky 1936 – Ernst Ruska – TEM s lepší rozlišovací schopností než optický mikroskop (1986 Nobelova cena)

Elektronová mikroskopie Historie 2. polovina 30. let Max Knoll a Manfred von Ardenne – počátky SEM 1942 – Vladimir Zworykin – SEM Další objevy 1960 – detektor sekundárních elektronů 1988 - ESEM

Elektronová mikroskopie Základní parametry Pozorování a zvětšování velmi malých předmětů Funkčně podobný světelnému mikroskopu Použití svazku urychlených elektronů Použití elektromagnetických čoček Nevýhody Vysoká pořizovací cena Výhody Velmi velké zvětšení (řádově 1.106 x) Vysoké rozlišení (0,1 nm) Velká hloubka ostrosti Nejen topografie, ale i materiálové složení

Elektronová mikroskopie Vlnová délka elektronů dána jejich rychlostí Regulace prostřednictvím urychlovacího napětí Svazek urychlených elektronů ve vakuové trubici Elektronová tryska Kovová katoda (W, LaB6), Schottkyho autoemisní tryska (broušený W) Následuje fokusace

Elektronová mikroskopie Pozorování obrazu TEM – fluorescenční stínítko Pozorování okem Záznam na film, fotografickou desku, CCD SEM - PC

Elektronová mikroskopie Interakce elektronů se vzorkem Vodivý vzorek Interakce Pružné – zanedbatelná výměna Ek Nepružné – elektronové excitace (změna Ek) Absorpce

Elektronová mikroskopie Základní typy Transmisní (prozařovací, TEM) Svazek elektronů prochází vzorkem Průchod elektronů najednou Fluorescentní stínítko Ultratenké řezy (50 nm) Skenovací (rastrovací, SEM, REM) Povrchy „tlustých“ vzorků Skenování (rastrování) povrchu po řádcích Rastrovací-transmisní Kombinace obou předchozích Environmentální rastrovací Nižší vakuum

Elektronová mikroskopie Další signály Sekundární elektrony Mnohem menší energie než primární svazek Povrchová topografie Zpětně odražené elektrony Vycházejí z větší hloubky Lokální změny materiálu (závisí na atomové hmotnosti) Materiálový kontrast Charakteristické RTG záření Kvalitativní a kvantitativní charakteristika vzorku

Elektronová mikroskopie

TEM Často preferovaný pro nanomateriály Rozlišovací schopnost: 1-2 nm Urychlovací napětí: 80 – 200 kV Zvětšení: 50 – 1 500 000 x Výrobci: FEI, JEOL, LEO Důležitá správná příprava vzorku Vzorek umisťován na síťky s def. velikostí ok Disperze Ultratenké řezy Vše ve vakuu

TEM Proud elektronů ze zdroje  elmag. čočky  vzorek  objektiv  projektiv  zobrazení Zobrazení: Stínítko Film Fotografická deska CCD

TEM

HRTEM HR = high resolution Maximální rozlišení: 0,047 nm (JEOL R005) Vhodné podmínky – urychlovací napětí ad. Sledování jednotlivých atomů Rozptyl elektronového svazku při interakci s elektronovými obaly atomů Zobrazování interferujících vln rozptýlených elektronů Fluorescenční stínítko

SEM Skenovací = rastrovací = řádkovací Rozlišovací schopnost: 1 nm Zvětšení: 400 000 x Analogie se světelným mikroskopem Obraz tvoří sekundární signál Odražené elektrony Sekundární elektrony Velká hloubka ostrosti Vznik i dalších signálů: další informace o vzorku

SEM Ovlivnění kvality obrazu Správná příprava vzorku Urychlovací napětí Náklon vzorku (správné umístění) Nabíjení vzorku Kvalita pokovení Pracovní vzdálenost Správná příprava vzorku Odstranění vody a těkavých látek Stabilita v elektronovém záření Dostatečná vodivost Vakuové napařování Silné vakuum, tloušťka vrstvy 20 nm Vakuové naprašování Nižší vakuum, vrstva Au/Pd slitiny 2 nm Chemická fixace na terčík

SEM Elektronová mikroanalýza Chemické složení materiálu RTG záření Augerovy elektrony

SEM

Pro dnešek vše 