Skenovací tunelová mikroskopie Atomová silová mikroskopie

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) - 1965 – Nobelova cena za kvantovou elektrodynamiku

4. 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 10-34 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 – http://atmilab.upol.cz/spm.html • R. Kubínek – Pohled do nanosvěta – http://atmilab.upol.cz/texty/nanosvet.pdf (2003)