MODERN MIKROSZKÓPIAI MÓDSZEREK FELÜLETEK VIZSGÁLATÁBAN ÉS A REZGÉSI SPEKTROSZKÓPIÁBAN

1. MODERN MIKROSZKÓPIAI MÓDSZEREKFELÜLETEK VIZSGÁLATÁBAN ÉSA REZGÉSI SPEKTROSZKÓPIÁBAN

2. A FONTOSABB MÓDSZEREK: • Felületi alagút-elektron mikroszkópia (surface tunneling microscopy, STM) • Atomerő mikroszkópia (atomic force microscopy, AFM) • Felületi közeltér optikai mikroszkópia (surface near-field optical microscopy, SNOM) • Infravörös spektroszkópiai mikroszkópia • Raman spektroszkópiai mikroszkópia

3. A pásztázó alagútelektron mikroszkóp (STM) működési elve • Vékony fém csúcs pásztázza az elektromosan vezető felszínt • A csúcs és a felszín közöttialagútáram exponenciálisan függ távolságuktól • Elektronikus visszacsatolással a kettő távolságot úgy szabályozzák, hogy az alagútáram állandó legyen • Így a minta nagyfelbontású topográfiai képétkapjuk • Nagyon jó feltételek mellett (pl. szilárd, jól vezető kristály esetén ), az atomi felbontást is el lehet érni.

4. A felületi alagútelektron mikroszkóp (STM) működési elve

5. Kémiai tulajdonságok összehasonlítása Cu(II)ftalocianin Co(II)ftalocianin Mindkettő vékony adszorbeált réteg AU 111 kristálylapon. A Cu(II) nem vesz részt az alagútáram létrehozásában (lyuk), a Co(II) részt vesz (színes). Jól érzékelhető a d pályák viselkedése közötti különbség

6. STM topográfia, réz felület

7. Hibahelyek rézkristály felületen

8. STM „szobrászat” 48 Fe atomból 71,3 A átmérőjű kör, az STM csúcs mozgatásával, alacsony hőmérsékleten

9. Atomerő mikroszkópia (AFM) Eredmény:Felületi topológiai képek atomi léptékű felbontással. Működése: 1. A detektor vékony tűszerű csúcs, vékony rugalmas karra erősítve. 2. Akar a csúccsal végigpásztázza a felületet, 3. a csúcs fel-le elmozdul, ezzel a kar elhajlik. 4. A kar hátsó oldalára egy vékony lézersugárfénye esik. 5. A visszavert fény segítségével mérik a kar, és ezzel a csúcs helyzetét. 6. A magasságjelet visszacsatolják, ezzel emelik vagy süllyesztik a csúcsot. A z tengely irányú elmozdulást regisztrálják a vízszintes (x és y irányú) helyzet függvényében.

10. Az AFM felépítése

11. Kontakt mód A minta felszíne és a csúcs távolsága < 10 Å. A csúcs és a kar Si3N4, a csúcs 5m hosszú, átlagosan 10 nm átmérőjű, 35o-os, a kar 120 m hosszú, V keresztmetszetű.

12. Működés nem-kontakt módban F: van der Waals, elektrosztatikus, mágneses és kapilláris erők lépnek fel. f: a kar rezonancia frekvenciájávalrezeg. A mintától h távolságra levő csúcs és a felület között fellépő erő h valamilyen negatív hatványával arányos (h-n). Ez a frekvencia a fellépő F erő hatására eltolódik. Az elhangolás arányos a fellépő erővel.

13. Nem-kontakt mód Df~F~h-n a rezonancia frekvencia eltolódása, A kar 125mm, f=265kHz A csúcs 5mm hosszú, kúp 20o,átlag átmérője 10 nm

14. Közeltér csúcs (AFM)

15. Atomerő mikroszkóp

16. Proteáz (modell): 15nm magas,11nm átmérő, fehérjebontó katalizátor AFM topografikus kép: Grafitfelszínen nem-specifikusan adszorbeálva, 400 x 400 nm

17. Egy protein, a lizozim tetragonális kristálya 110 lapjának nagyfelbontású AFM képe

18. Pásztázó optikai közeltér mikroszkópia (SNOM) • Apertúra: optikailag áteresztő, fémmel bevon t csúcs, átm. <100 nm. • Közelteret állít elő, ami a távolsággal exponenciálisan csökken, <10 nm-en hat. • Ezt a teret a felület perturbálja, eredmény: fényemisszió • Detektálás reflexióban vagy transzmisszióban. • A felbontást az apertúra és a fényintenzitás határozza meg, lehet 10 nm is. • A klasszikus (távoltér) optikai mikroszkópiában a felbontást a diffrakció határozza meg.

19. Apertúra típusú SNOM, a-SNOM Sima felületek vizsgálatára, különösen víz-levegő határfelületek, így a vízfelületen adszorbeált molekulák (pl. vízoldható proteinek, liposzómák) vizsgálatára alkalmas.

20. Szórás-típusú SNOM, s-SNOM Az apertura nélküli rendszerben 1-10 nm felbontás, mint AFM-mel, a topográfia mellé az abszorpciót és a törésmutatót is feltérképezi. A pontszerű fényforrás oldalán fémmel bevont optikai szál, mint az AFM csúcs. Ez 45 kHz-cel ,20 nm amplitudóval rezeg. Intenzitást és fázist mérnek kapcsoló erősítővel.

21. Topography (Shear-Force SFM) Nano-kolloidok SNOM vizsgálata Optical response (reflection mode SNOM)

22. S-SNOM példa Si lapkán Au szigetek és polisztirol szemcse: AFM topográfia és s-SNOM felvétel

23. s-SNIM (apertura nélküli) transzmissziós mérés 3,4 mm hullámhosszon: Au réteg Si lapkán (4 x 4 mm). A felbontás kb. l/10

25. Emberi mucin SNIM vizsgálata Balra: A: CH2/2850;B:amid II/1550;C:CH3/2873;D:cukor/1155; E:amidA/3280;F:minden /900-1800:G:minden/200-2600cm-1 Középen:eozinnal festett mucin.Jobbra: főkomponens-analízisek

26. SNIM bemutató 10 mm (1000 cm-1) hullámhosszú fénnyel világítják meg a mintát, a háttérszórást a fény modulációjával küszöbölik ki, és a moduláló frekvencia felharmonikusain demodulálnak (baloldali ábra). Polsztirol szemcse polimetilmetakrilátban (jobboldali ábra)

27. A foszfát eloszlása emberi fogban: SNIM mérés

28. SNIM mérések Polipropilén karbonil szennyezése: A: 1800 cm-1, B: 1600 cm-1

29. IR mikroszkóp

30. Minta: autózománc

31. Gyantába foglalt IR mikroszkópi minta

32. Több egymás feletti réteg mikro-IR színképe

33. Több polimer rétegből álló laminált lemez mikro IR színképe

34. 2000 éves freskódarab rómaikori villából A bekarikázott helyekről készítettek mikro-IR képet

35. Mikro-Raman spektrométer

36. Raman mikroszkópos rendszer blokkdiagramja

37. Raman mikroszkóp

38. Raman közeltér csúcsok

39. Polietilén fólia mikro-Raman színképe a mélység függvényében 2876 cm-1 2936 cm-1 2952 cm-1

40. Mikro-Raman: ragasztóréteg Al+ragasztó+politilén

41. A sztirol polimerizációjának nyomonkövetése (a Z tengely egysége perc)

42. AFM topográfia és mikro-Raman színkép Si lapka felületéről (az A-H pontokon)

43. Mikro-CARS 1.

44. Mikro-CARS 2, szövethólyag, 47x47 mm, 2870 cm-1

45. Mikro-CARS: sejtosztódás (29,6x29,6mm,1090cm-1)sejthalál (79,6x79,6mm, 2870cm-1)

46. 17.századbeli templomkép

47. A pigmentek mikro-Raman spektruma