NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ. Beata Grabowska, pok. 84A, Ip

Transkrypt

1 NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Beata Grabowska, pok. 84A, Ip

2 Mikroskopia Słowo mikroskop wywodzi się z języka greckiego: μικρός - mikros "mały σκοπέω - skopeo "patrzę, obserwuję" MIKROSKOPIA Rodzaj promieniowania Metoda obrazowania ultradźwiękowa optyczna elektronowa jonowa holograficzna skaningowa transmisyjna Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

3 TEM a SEM W transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) rejestrowane są sygnały pochodzące od elektronów przechodzących przez badaną próbkę. W skaningowej mikroskopii elektronowej wiązka elektronowa (SEM) skanuje linia po linii wybrany obszar próbki, przy czym rejestrowane są sygnały emitowane przez próbkę. Cecha urządzenia Oświetlenie Klasyczny mikroskop optyczny Światło widzialne, λ = nm Transmisyjny mikroskop elektronowy Wiązka elektronów, λ = 0,004 nm Skaningowy mikroskop elektronowy Wiązka elektronów Maksymalne x 200-2M x M x powiększenie Zdolność rozdzielcza ~200 nm ~0.1 nm ~1 nm Sposób obserwacji Bezpośredni Pośredni Pośredni Preparaty Stosowane soczewki Przeźroczyste optycznie (powierzchnia próbki) Optyczne (szklane, kwarcowe) Przeźroczyste dla wiązki elektronów (niekoniecznie przeźroczyste dla światła widzialnego) Elektromagnetyczne, elektrostatyczne Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH Powierzchnia próbki Elektromagnetyczne

4 SPRZĘT NanoScope MultiMode SPM System Mikroskop MultiMode SPM = STM +AFM AFM Atomic Force Microscopy Mikroskop Sił Atomowych STM Scanning Tunneling Microscop Skaningowy Mikroskop Tunelowy

5 Mikroskopia sond skanujących SPM Skanning Probe Microscopy Mikroskop Sond Skanujących AFM STM Atomic Force Microscopy Scanning Tunneling Microscopy Mikroskop Sił Atomowych Skaningowy Mikroskop Tunelowy Tryby pracy AFM: CM Contact Mode TM Tapping Mode Phase Imaging TR Torsional Resonance Mode EFM Electric Force Microscopy LFM Lateral Force Microscopy FM Force Modulation Imaging Nanoindentation, Nanoscratching Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

6 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Typ wiązania Energia dysocjacji (kcal/mol) kowalencyjne 400 wiązania wodorowe dipol dipol oddziaływania Londona <

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

8 SPRZĘT Tipy igły skanujące Wygląd uchwytu i tipów ostrze uchwyt dźwignia Grzegorz Trykowski [5]

9 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa jon dipol wiązania wodorowe dipol - dipol jon indukowany dipol dipol indukowany dipol oddziaływania Londona Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

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

11 PRÓBKI SPM = STM +AFM Obrazowanie z atomową rozdzielczością atomowo płaska, połysk (AFM, STM) max. śr. 15 mm, gr. 6 mm (AFM, STM) przewodząca (STM) Obrazowanie w skali nanometrycznej płaska gołym okiem, chropowatość < 0,05 mm (AFM, STM) Nieodpowiednia do SPM chropowatość widoczna gołym okiem (AFM, STM) ciecz (AFM, STM) gaz (AFM, STM) Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

12 MOŻLIWOŚCI SPM = STM + AFM Możliwości pomiarowe mikroskopu SPM - Pomiar chropowatości powierzchni - Badanie topografii powierzchni z rozdzielczością >1nm - Badanie rozkładu ładunku elektrostatycznego - Badanie różnic tarcia na poziomie cząsteczkowym - Badanie różnic modułu Younga - Badanie różnic twardości Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

13 TRYBY PRACY AFM Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka ostrze od odległości ostrza od próbki. siła chmury elektronowe atomów próbki i sondy wzajemnie się odpychają kontakt przerywany siła odpychająca kontakt odległość sondy od próbki brak kontaktu siła przyciągająca chmury elektronowe atomów próbki i sondy wzajemnie się przyciągają Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

14 TRYBY PRACY AFM Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka ostrze od odległości ostrza od próbki: 1. tryb kontaktowy (contactmode) 2. tryb bezkontaktowy (non-contactmode) 3. tryb z przerywanym kontaktem (tappingmode) siła kontakt przerywany chmury elektronowe atomów próbki i sondy wzajemnie się odpychają siła odpychająca tem kontakt odległość sondy od próbki brak kontaktu siła przyciągająca chmury elektronowe atomów próbki i sondy wzajemnie się przyciągają Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

15 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych 1. 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, siły oddziaływań sonda próbka powodują wychylenie dźwigienki proporcjonalne do topografii próbki, sonda poddawana jest nie tylko siłom odpychającym typu van der Waalsa ale i siłom kapilarnym związanym z obecnościa np. wody na powierzchni próbki, w efekcie sonda przykleja się do próbki. próbka F obraz w trybie kontaktowym kropla wody Obraz powierzchni próbki z kropla wody = CΔz gdzie: C stała sprężystości dźwigni Δz- wychylenie dźwigni Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

16 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych OSTRZA 1. Tryb kontaktowy ostrze o małej stałej sprężystości (c<1n/m) pozwala zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si 3 N 4 ) długość dźwigni ~ μm

17 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych 2. Tryb bezkontaktowy obraz w trybie bezkontaktowym o odległość ostrza od próbki ~ nm (obszar przyciągających sił van der Waalsa); słabsze siły próbka kropla wody Obraz powierzchni próbki z kropla wody dźwignia oscyluje z częstotliwością rezonansową (lub blisko niej); możemy traktować ją jako oscylator harmoniczny z częstotliwością rezonansową f dźwigienka sondy drga blisko powierzchni próbki dźwigienka znajduje się w stałej odległości, mierzy więc zmiany sił przyciągania wynikające z topografii próbki sonda nie jest narażona na defekt spowodowany uderzeniem w próbkę Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

18 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych 3. Tryb z przerywanym kontaktem (Tapping Mode) OSTRZA oscylująca dźwignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej (f ~ 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) Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

19 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych 3. Tryb z przerywanym kontaktem (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 = N/m.) wysoka częstotliwość rezonansowa (f = khz) Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

20 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryby pracy AFM (porównanie) obraz w trybie kontaktowym siła chmury elektronowe atomów próbki i sondy wzajemnie się odpychają kontakt przerywany siła odpychająca próbka kropla wody kontakt odległość sondy od próbki obraz w trybie bezkontaktowym o brak kontaktu siła aprzy przyciągająca chmury elektronowe atomów próbki i sondy wzajemnie się przyciągają próbka Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH krop la wod y

21 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 próbka obraz w trybie kontaktowym kropla wody Tryb bezkontaktowy: - mniejsza rozdzielczość obrazów obraz w trybie bezkontaktowym o Tryb z przerywanym kontaktem: - możliwość skanowania miękkich powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni) - dobra zdolność rozdzielcza próbka Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH krop la wod y

22 SPRZĘT NanoScope MultiMode SPM System WYPOSAŻENIE DODATKOWE Tryby pracy AFM: Tryby pracy STM: - Praca w cieczach - Podstawowy - Praca w zadanej atmosferze - Wykonywanie nanozarysowań Mikroskop AFM firmy Veeco

23 PRZYKŁADOWE BADANIA

24 POLIMERY (SEM) Problem: degradacja polimerów Metody badań mikroskopowych - Skaningowy Mikroskop Elektronowy - Mikroskop Sond Skanujących - Mikroanaliza Rentgenowska

25 Biodegradacja w glebie Mikroorganizmy Beata Grabowska, badania własne

26 POLIMERY (SEM) Grzegorz Trykowski [5]

27 PRZYKŁADOWE BADANIA Węgle aktywne WĘGLE AKTYWNE GRANULKA Metody badań mikroskopowych - Skaningowy Mikroskop Elektronowy - Mikroskop Sond Skanujących - Mikroanaliza Rentgenowska

28 WĘGLE AKTYWNE AFM Grzegorz Trykowski [5]

29 WĘGLE AKTYWNE (SEM) C Ag Grzegorz Trykowski [5]

30 WĘGLE AKTYWNE (SEM) C Ag Grzegorz Trykowski [5]

31 Podsumowanie

32 SEM i AFM metody komplementarne SEM AFM x,y 5 nm maksymalna rozdzielczość x,y 0,1 nm z 0,01 nm 10 mm minimalna rozdzielczość 10 m 5 cm przemieszczanie próbki podczas 5 m obrazowania próżnia środowisko pracy atmosfera zadany gaz ciecz 1 numeryczne przedstawienie wyników 5 Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH

33 Źródła 1. Kęcki Z.: Podstawy spektroskopii molekularnej, PWN, Warszawa Cygański A.: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej, WNT, Warszawa Silverstein R. M. i inni: Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN Warszawa Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, Grzegorz Trykowski, Wydział Chemii UMK, Prezentacja: files/afm/afm_stm.ppt 6. chemistry.bd.psu.edu/justik/...212/.../chem%20210%20ir% ppt 7.