AFM - Mikroskopia Sił Atomowych

1. Bond type Dissociation energy (kcal/mol) Covalent 400 Hydrogen bonds 12–16 Dipole–dipole 0.5–2 London Forces <1 - - + + AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa

2. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa

3. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Dipol elektryczny

4. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Mod kontaktowy Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka –ostrze od odległości ostrza od próbki: •tryb kontaktowy (contactmode) •tryb bezkontaktowy (non-contactmode) •tryb z przerywanym kontaktem (tappingmode)

5. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości 100-200 μm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem.

6. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Metody pomiaru odchylenia dźwigni

7. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Detekcja AFM / LFM (lateral) Równoczesna generacja danych dla AFM i LFM

8. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia powierzchniowego).

9. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb kontaktowy Ostrze podczas skanowania jest w kontakcie z próbką (obszar odpychających sił van der Waalsa). Pomiar siły dokonywany jest przez rejestrację wychylenia (ugięcia) swobodnego końca dźwigni z ostrzem podczas skanowania próbki. C – stała sprężystości dźwigni z- wychylenie dźwigni

10. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb kontaktowy (ostrza) ostrze o małej stałej sprężystości (c<1N/m) pozwala zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si3N4) długość dźwigni ~100-200μm;

11. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb bezkontaktowy odległość ostrza od próbki ~10 –100 nm (obszar przyciągających sił vander Waalsa); słabsze siły => detekcja AC dźwignia oscyluje z częstotliwością rezonansową (lub blisko niej); możemy traktować ją jako oscylator harmoniczny z częstotliwością rezonansową f

12. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb bezkontaktowy ceff – efektywna stała sprężystości m – efektywna masa dźwigni i ostrza

13. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb z przerywanym kontaktem (Tapping Mode) oscylująca dźwignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej (f ~ 50 –500 kHz) duża amplituda oscylacji (>20 nm) kiedy ostrze nie jest w kontakcie z próbką oscylujące ostrze jest zbliżane do próbki i zaczyna uderzać w próbkę (tapping)

14. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tapping Mode (ostrza) Cechy dźwigni i ostrza pracującego w trybie Tapping Mode: • krótka, sztywna dźwignia z krzemu ze zintegrowanym ostrzem • duża stała sprężystości dźwigni (c = 20 – 80 N/m.) • wysoka częstotliwość rezonansowa (f = 200 – 400 kHz)

15. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryby pracy AFM (porównanie) Tryb kontaktowy: - duża rozdzielczość obrazów - duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni - możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza Tryb bezkontaktowy: - mniejsza rozdzielczość obrazów Tryb z przerywanym kontaktem: - możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni) - dobra zdolność rozdzielcza

16. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryby pracy AFM (porównanie) Tapping Mode Kontakt Warstwa epitaksjalna Si

17. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisamiDNA wynosi około 4 nm

18. AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Pierwotniak Tetrahymena. Obraz otrzymany w trybie Tapping Mode. Rozmiary obrazu – 50 x 50 μm.

19. Pomiary własności cieplnych Mechanizmy:- promieniowanie - konwekcja - przewodzenie Prawo Stefana - Boltzmana: RT = σT4 Relaksacja: Prawo Newtona Prawo Nernst’a

20. Pomiary własności cieplnych • Prawo stygnięcia (prawo stygnięcia Newtona): • "Szybkość z jaką układ stygnie jest proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy układem a otoczeniem." • Matematycznie można to wyrazić jako: gdzie TR jest temperaturą otoczenia a T - aktualną temperaturą układu Powyższe równanie jest równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych gdzie T0 oznacza temperaturę początkową układu

21. Pomiary własności cieplnych Ciepło właściwe Pomiary ciepła właściwego metodą ostygania gdzie ‘x’ oznacza wielkości szukane a ‘wz’ wzorcowe t czasy ostygania dla wybranych temperatur

22. T T1 T2 twz tx t Pomiary własności cieplnych

23. A V T Zasilacz Osłona adiabatyczna (styropian) Próbka z grzejnikiem i złączem termopary Pomiary własności cieplnych Metoda Nernst’a (adiabatyczna) Uwzględnienie strat

24. T Duże straty Małe straty T b a t t Grzanie Stygnięcie Grzanie Stygnięcie Pomiary własności cieplnych Metoda Nernst’a (adiabatyczna) miedź 385 J/kg*deg platyna 138 J/kg*deg złoto 129 J/kg*deg woda 1 cal/g*deg 4190 J/kg*deg lód 0.5 cal/g*deg alkohol etylowy 0.5 cal/g*deg białko jaja 3850 J/kg*deg żółtko jaja 2810 J/kg*deg hel 5200 J/kg*deg wodór 14300 J/kg*deg

25. Prawo Fouriera l Zbiornik ciepła T1 Chłodnica T2 S Pomiary własności cieplnych gdzie  jest współczynnikiem przewodnictwa cieplnego Gęstość przewodzonego strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do natężenia pola temperatury E, określonego przez wielkość gradientu temperatury

26. Równanie przewodzenia ciepła mechanizmy:- fonony- elektrony Pomiary własności cieplnych

27. Pomiary własności cieplnych Dla sześcianu o boku a Dla prostopadłościanu o bokach a, b, c Dla kuli o promieniu R Dla skończonego walca o promieniu r i długości z

28. Substancja Pomiary własności cieplnych Metale Stal nierdzewna 14 Miedź 401 Srebro 428 Gazy Powietrze suche 0,0026 Hel 0,15 Materiały budowlane Pianka poliuretanowa 0,0024 Wełna mineralna 0,0043 Drewno sosnowe 0,11 Szkło okienne 1,0 Współczynniki przewodnictwa cieplnego

29. Analiza termiczna Analiza termiczna - zespół metod badania zmian wybranych właściwości fizycznych i chemicznych substancji pod wpływem zmian temperatury • Analiza termiczna: • badanie reakcji chemicznych i przemian fazowych zachodzących • podczas ogrzewania substancji, • wyznaczanie parametrów fizycznych, termodynamicznych i kinetycznych • reakcji (np.: energia, masa, długość, objętość) , • określanie składu fazowego i chemicznego substancji (jakościowo i ilościowo), • określanie czystości surowców, • wyznaczanie trwałości termicznej.

30. Analiza termiczna Podział metod analizy termicznej: - Termograwimetria (TG) – rejestrująca zmiany ciężaru próbki , - Termiczna analiza różnicowa (DTA) – rejestrująca zmiany temperatury, - Różnicowa kalorymetria scanningowa (DSC) – rejestrująca zmiany entlapii, - Analiza termocząstkowa (EGA), termiczna analiza emanacyjna (EGD) – rejestrujące objętość i skład chemiczny gazowych produktów reakcji, - Analiza termomechaniczna (Termodylatometria) – rejestrująca zmiany liniowych wymiarów próbki i ich niektórych właściwości mechanicznych – analiza termomechaniczna, - Termosonimetria - rejestrująca natężenie efektów akustycznych towarzyszących reakcjom, - Termoelektrometria – rejestrująca przewodnictwo, oporność oraz pojemność elektryczną, - Termomagnetometria – rejestrująca zmiany podatności magnetycznej próbki, - Termooptometria – rejestrująca zmiany zespołu własności optycznych substancji

31. Analiza termiczna Termograwimetria (TGA) Termograwimetria: rejestrowanie zmian masy substancji podczas ogrzewania lub studzenia w funkcji czasu lub temperatury lub pomiar zmiany masy substancji ogrzewanej izotermicznie w funkcji czasu. Termowagi - wagi, gdzie do szalki przymocowany jest tygiel z badaną próbką umieszczony w ogrzewanym piecu (wzrost lub spadek temperatury ma charakter liniowy). • Straty masy powodowane są przez: • przemiany fazowe (parowanie, sublimacja) • dysocjację termiczną połączoną z utratą np.: wody, dwutlenku węgła, etc. • przemiany redukcji (redukcja) • przemiany reakcji (utlenienie)

32. Analiza termiczna Termograwimetria (TGA)

33. Analiza termiczna Termograwimetria (TGA) • Metodę termograwimetrii stosuje się do: • oznaczania wilgoci • analizy składu stechiometrycznego i identyfikacji produktów rozkładu, • oznaczania produktów gazowych i analizy ilościowej • porównywania trwałości termicznej, • charakterystyki surowców. Główne typy przebiegu krzywych w analizie termo grawimetrycznej.Krzywa zielona przedstawia ubytek masy [%] podczas pomiaru. Krzywa niebieska szybkość utraty masy.

34. Analiza termiczna Termograwimetria (TGA) Nadprzewodnik wysokotemperaturowy Tc = 92 K Po lewej komórka elementarna izolatora YBa2Cu3O6 po prawej komórka elementarna nadprzewodnika YBa2Cu3O7

35. Analiza termiczna Termiczna analiza różnicowa DTA DTA - wykrywanie efektów cieplnych, które towarzyszą przemianom fizycznym lub chemicznym. Polega na rejestracji różnicy temperatur pomiędzy substancją badaną a substancją wzorcową (odniesienia), względem czasu lub temperatury. Substancja odniesienia - w danym zakresie temperatur nie podlega żadnym przemianom fizycznym lub chemicznym (najczęściej stosuje się Al2O3 lub MgO) Termiczna analiza różnicowa - na identyfikacji związków, które w badanym zakresie temperatur ulegają przemianom egzotermicznym lub endotermicznym. A wśród nich wyróżnić można: - reakcje chemiczne (utlenianie, redukcja, dysocjacja, synteza), - procesy fizyczne, głównie przemiany fazowe: - ze zmianą stanu skupienia (sublimacja, wrzenie, topnienie, krystalizacja) - bez zmiany stanu skupienia (przemiany magnetyczne, polimorficzne).

36. Analiza termiczna Termiczna analiza różnicowa DTA

37. Zastosowanie Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) Skaningowa kalorymetria różnicowa - technika służąca do pomiaru różnicy dopływających do próbki badanej i do próbki odniesienia strumieni cieplnych, która występuje pod wpływem narzuconych im zmian temperatury • Zastosowanie Skaningowej kalorymetrii różnicowej: • Pomiary efektów cieplnych: • przemian fazowych I rzędu (ciepło topnienia, krzepnięcia, przemian fazowych ciało stałe - ciało stałe, ciepło parowania przemian fazowych związków tworzących fazy ciekłokrystaliczne), • reakcji chemicznych (polimeryzacji, rozkładu termicznego, dysocjacji, itp.) • Oznaczanie pojemności cieplnej Cp. • Przemiany fazowe II rzędu (ΔCp i temperatura zeszklenia w polimerach). • Oznaczanie parametrów kinetycznych reakcji chemicznych (syntezy, polimeryzacji, termicznego rozkładu). • Oznaczanie parametrów fizykochemicznych związku niezbędnych do wyznaczenia masy krytycznej i temperatury krytycznej cieplnego wybuchu, a także bezpośrednio temperatury krytycznej dla geometrii badanego układu. • Badanie diagramów fazowych ciecz - kryształ w układach wieloskładnikowych.

38. termopary piec Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC)

39. Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) • Podczas ogrzewania lub chłodzenia różnica temperatur między pojemnikami ΔT=0 • przemiana w próbce zakłóca równowagę • dodatkowy element grzewczy dostarcza tyle energii aby skompensować różnicę temperatur • doprowadzona energia odpowiada entalpii przemiany H (H=U+pV, dH=dU+dpV+pdV) • mierzy się strumień energii dostarczanej do próbki

40. Tpc Exo Przepływ ciepła Tg(Tmg) Endo Tpm temperatura Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) Równanie opisujące zjawiska w DSC m – topnienie g – zeszklenie c – krystalizacja

41. Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC)

42. Analiza termiczna Analiza termomechaniczna(Termodylatometria, thermomechanical analysis TMA) Analiza termomechaniczna- metoda, w której w funkcji temperatury badane są zmiany właściwości mechanicznych próbki. Najczęściej spotykaną odmianą metody TMA jest termodylatometria – wykonuje się pomiary zmiany wymiarów próbki w funkcji temperatury przy zaniedbywanym obciążeniu mechanicznym (tj. na próbkęnie działają żadne siły ściskające, za wyłączeniem siły grawitacji i ciśnienia otaczającej atmosfery gazowej). Analiza TMA jest przydatna w badaniach polimerów i ich kompozytów, można wówczas określać stopień kurczenia się materiału na skutek jego ogrzewania

43. Określanie ilości przyłączonych molekuł do magnetycznych nanocząstek Analiza termiczna Analiza termiczna w badaniach nanomateriałów Analiza termiczna jest szeroko stosowana w badaniach nanomateriałów. Poniższe wybrane przykłady pokazują, że analiza termiczna może dostarczyć szeregu istotnych i cennych informacji. Analizie metodą TGA • Określanie czystości nanorurek węglowych • Surowy produkt, oprócz nanorurek, zawiera cała gamę zanieczyszczeń • Najczęściej są to: • nanocząstki katalizatora • węgiel amorficzny Określanie ilości przyłączonych molekuł do magnetycznych nanocząstek węglowych (nanocząstki magnetyczne zakapsułkowane w węglu są unikalnym nanokompozytem) węglowych.

44. Sieć odwrotna Wektory translacji sieci Podstawowe wektory translacji definiują sieć w taki sposób, że ułożenie atomów wygląda tak samo z punku jak i z punktu . Gdzie są dowolnymi liczbami całkowitymi. jest wektorem translacji sieci. Mówimy, że kryształ jest niezmienniczy ze względu na translację.

45. Sieć odwrotna Komórka Wignera-Seitza – schemat wyodrębniania komórki elementarnej. - łączymy liniami węzeł ze wszystkimi sąsiadami - pośrodku linii prowadzimy proste prostopadłe

46. Sieć odwrotna Jeżeli , są podstawowymi wektorami sieci krystalicznej, to podstawowe wektory sieci odwrotnej ,są zdefiniowane nastepująco:

47. sc fcc bcc Sieć odwrotna Sieć odwrotnej - definiuja komórki elementarnej (podobnie jak w sieci prostej). Komórkę elementarną sieci odwrotnej nazywamy pierwsza strefą Brillouina. Konstrukcja pierwszej strefy jest identyczna z konstrukcją komórki Wignera-Seitza sieci prostej.

48. Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED) (LEED - low energy electron diffraction) LEED pozwala na określenie struktury powierzchni materiałów krystalicznych. Polega ona na bombardowaniu powierzchni skolimowaną wiązką elektronów o niskiej energii (10 - 300 eV) - obserwacja dyfrakcji elektronów na ekranie fluorescencyjnym lub kamera CCD Głębokość penetracji strumienia elektronów nie przekracza kilku lub kilkunastu stałych sieci.

49. Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED)

50. Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED)