1 / 50

Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi

Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi. Rok Žitko Institut “J o žef Stefan”. Seminar DMFA , 3. februar 200 7. Tipalni mikroskopi – leče 21. stoletja. Zgodovina: iz česa je sestavljen svet? Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo?

adriel
Download Presentation

Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi Rok Žitko Institut “Jožef Stefan” Seminar DMFA, 3. februar 2007

  2. Tipalni mikroskopi – leče 21. stoletja • Zgodovina: iz česa je sestavljen svet? • Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo? • Ali lahko vidimo atome? • Vrstični tunelski mikroskop (STM) • Mikroskop na atomsko silo (AFM) • Kaj raziskujemo s tipalnimi mikroskopi v Sloveniji?

  3. Grški atomizem • Atom: • majhen • nedeljiv • končne velikosti • večen • Praznina • Nujnost Levkip (5. st. pr. n. št.) Demokrit (460-370 pr. n. št.) Arhaična ideja atoma, filozofski koncept

  4. Renesansa in obuditev atomizma • Galileo Galilei (1564-1642): z eksperimenti zavrže Aristotelovo fiziko. • René Descartes (1596-1650): vse kar je fizičnega v vesolju, je narejeno iz majhnih drobcev. • Robert Boyle (1627-1691): prvi sodobni kemik. • elementi, spojine, zmesi • delci različnih velikosti in oblik

  5. Sodobni atomizem • Isaac Newton (1643-1727): končno veliki trdi delci z maso, zanje veljajo Newtonovi zakoni • Ruđer Josip Bošković (1711-1787): prva matematična teorija atomov • John Dalton (1766-1844): zakon o stalnih razmerjih, sodobni koncept atoma

  6. Daltonova atomska teorija • Elementi sestavljeni iz atomov • Vsi atomi danega elementa so enaki • Atomi danega elementa so različni od atomov drugega elementa • Atomi se sestavljajo v spojine • Atomov ne moremo ustvariti, razdeliti v manjše dele ali uničiti; lahko se le preuredijo

  7. Avogadro (1776-1856): Avogadrov zakon, razjasni pojem molekule. • James Clark Maxwell (1831-1879): statistična mehanika -kinetična teorija plinov, Maxwellova porazdelitev. “Atom je telo, ki ga ni moč razdeliti na dva dela. Molekula je najmanjši možni sestavni del neke spojine. Nihče še ni videl, niti rokoval s posamezno molekulo.”(J. C. Maxwell, Nature, sep. 1873)

  8. 20. stoletje • Albert Einstein (1879-1955): teorija Brownovega gibanja. • Jean Perrin (1870-1942): Nobelova nagrada leta 1926 za “delo na nezvezni strukturi snovi, in še posebej za odkritje sedimentacijskega ravnovesja”. Konec stoletje trajajočega akademskega prepira o atomski teoriji: molekule res obstajajo.

  9. 21. stoletje: nanotehnologija Nanoavtomobil, univerza Rice, ZDA.

  10. Ali lahko atome vidimo? • Ne z optičnim mikroskopom: svetlobna dolžina 1000x večja od velikosti atoma.

  11. Field ion microscopy (FIM) Konica iz volframa Vir: Magnetic Materials Center,NIMS, Japonska.

  12. Vrstični tipalni mikroskop(Scanning probe microscope, SPM) • Vrstični tunelski mikroskop(Scanning tunneling microscope, STM) • Mikroskop na atomsko silo(Atomic force microscope, AFM) Mikroskop, ki sliko površine določi s fizičnim tipalom, ki potuje po vzorcu vrstico za vrstico (“skenira”).

  13. Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo? • Sile med površinama • privlačna van der Waalsova • kemijska vezava (kovalentna vez) • odbojna sila ob mehanskem kontaktu • Tunelski pojav in električni tok med kosoma snovi

  14. Sile med površinama F. J. Giessibl, Rev. Mod. Phys. 75 952 (2003)

  15. Sile med površinama: van der Waalsova sila Jacob Israelachvili, “Intermolecular & Surface Forces”, 2. izdaja, Academic Press (1997)

  16. Sile med površinama: sile kemijske vezave • Tvorba kemijske vezi med najbolj izpostavljenima atomoma: • kovalentna vez • kratek doseg • močno anizotropna • (ionska vez) kratek doseg!

  17. Tunelski pojav • Elektroni se obnašajo kot valovanje in/ali kot delci (dualnost) → valovni paketi. • Valovanje lahko prodre skozi tanko oviro, v katero klasični delec ne bi mogel vstopiti.Rečemo, da tunelira skozi prepovedano območje. • Neposredna posledica zakonov kvantne fizike, nima analogije v klasični mehaniki.

  18. Tunelski pojav

  19. Tunelski pojav

  20. Tunelski pojav

  21. Tunelski pojav

  22. Tunelski pojav

  23. Tunelski pojav L

  24. 1/2 Nobelove nagrade leta 1973 za “eksperimentalna odkritja o tunelskem pojavu v polprevodnikih oziroma v superprevodnikih”. Leo Esaki Ivar Giaever 1/2 Nobelove nagrade za “teoretično napoved lastnosti supertokov skozi tunelsko pregrado, oziroma bolj natančno za tiste pojave, ki so v splošnem znani kot Josephsonov pojav”. Brian David Josephson

  25. Vrstični tunelski mikroskop Nobelova nagrada leta 1986 za “izdelavo vrstičnega tunelskega mikroskopa”. Heinrich Rohrer, Gerd Binnig Prvi tunelski mikroskop (1981)

  26. G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel“7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space”Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983) Si(111)-7x7 Vir: IBM Zürich

  27. Atomska ločljivost na bakrupri T=25 K (2005) Površina bakra Cu(111) 0,255 nm Pod površino so napake v kristalu. Odsek F5, IJS 9,2 nm

  28. Površina bakra Cu(211), T=7 K (2006) Zoom

  29. Spontano premikanje molekul pri 25 K Molekule CO na površini bakra

  30. Kako posnamemo sliko?

  31. Kako posnamemo sliko?

  32. Kako izrišemo sliko? Vir: IBM Almaden, http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html

  33. Premikanje atomov Atomi ksenona na površini kristala niklja D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope.Nature 344, 524-526 (1990).

  34. Vir: Kai-Felix Braun,Freie Universität Berlin,disertacija.

  35. N. Nilius, T. M. Wallis, W. Ho: Development of One-dimensional Band Structure in Artificial Gold Chains, Science 297 1853 (2002).

  36. Ullmanova reakcija Kemijske reakcije s posameznimi molekulami benzen 2 C6H5I Cu C6H5-C6H5 bifenil Saw-Wai Hla et al. Phys. Rev. Lett. 85 2777 (2000)

  37. Mikroskop na atomsko silo G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber“Atomic Force Microscope”Phys. Rev. Lett. 56, 930 - 933 (1986) Calvin Quate Christoph Gerber

  38. Tipala za AFM Vir: Nanosensors AG, Švica

  39. Atomska ločljivost pri AFM Si(111)-7x7 F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000).

  40. F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000)F. J. Giessibl, C. F. Quate, Physics Today, Dec. 2006.

  41. Druge vrste tipalnih mikroskopov • magnetic force microscope (magnetne lastnosti) • lateral force microscope (trenje) • electric force microscopy (naboj) • magnetic resonance force microscopy (spin) • ...

  42. Nizkotemperaturni STM na IJS

  43. Besockejeva merilna glava ali “čmrlj”

  44. Erik Zupanič Albert Prodan Herman van Midden Igor Muševič Ivan Kvasič Rok Žitko Odsek F5, IJS

  45. Tipalni mikroskopi na IJS Igor Muševič, Miha Škarabot, F5 • tekoči kristali • plastni materiali • biološki vzorci Multimode AFM Nanoscope III, DI

  46. Tipalni mikroskopi na IJS D. Mihailovič, Marko Uplaznik, odsek F7 • nanožice • nanosenzorji • hibridni nanočipi Veeco Dimension 3000

  47. Tipalni mikroskopi na IJS • Omicron STM/AFM (M. Remškar, F5) • NT-MDT (J. Kovač, F4)

  48. Povzetek • Vidimo lahko posamezne atome na površinah. • Preučujemo lahko sile med dvema atomoma, torej kemijske vezi. • Atome lahko premikamo.

  49. Fotografija: Warren Nagourney, Univerzav Washingtonu (2000)

More Related