2 Omezení optické mikroskopie. 3 Skenovací tunelovací mikroskopie. 4 Mikroskopie atomárních sil. 5 Artefakty a jejich korekce 7 NSOM

Transkrypt

1 1 Úvod 2 Omezení optické mikroskopie 3 Skenovací tunelovací mikroskopie 4 Mikroskopie atomárních sil 5 Artefakty a jejich korekce 6 Další metody 7 NSOM

2 Úvod Historie důvod pro vyvíjení nových technik omezení rozlišení světelné mikroskopie (λ/2) první návrhy Synge, 1928, světelný princip experimentální ověření jeho závěrů O Keefe, 1956, centimetrové vlny první mikroskop Young, Topografiner, 1972, elektrický princip první úspěšná realizace G. Binnig a H. Rohrer, 1981, tunelování STM nejvýznamnější metoda AFM, 1986

3 Omezení optické mikroskopie Rozlišení v optické mikroskopii nejmenší vzdálenost dvou bodů, kterou ještě rozlišíme závisí na vlnové délce světla λ a indexu lomu n na vzduchu přibližně λ/2, tj. 250 nm pro zelené světlo zvýšení rozlišení lze dosáhnout: snížením λ např. elektronová mikroskopie zvýšením n imerze (jen zanedbatelné)

4 Omezení optické mikroskopie Blízké pole existuje ještě jeden způsob blízké pole uvedené vztahy platí pro vzdálenost d λ Bude-li d < λ, informace se nestihne rozmáznout a můžeme získat úplnou informaci o vzorku. Protože by konstrukce mikroskopu s klasickým objektivem ve vzdálenosti pár nm od vzorku byla obtížná (drsnost), používá se ostrý hrot a skenování postupný sběr světelné informace lokálně po jednotlivých bodech.

5 Omezení optické mikroskopie Charakteristické vlastnosti měření bod po bodu skenování působení lokálních interakcí, rozlišení nezávisí na λ sběr informace jednotky až stovky nm od vzorku trojrozměrný obraz až s atomárním rozlišením citlivost na povrch vzorků měření jen upevněných vzorků necitlivost na chemickou podstatu exaktní interpretace mnoha metod vyžaduje teoretické modely

6 Skenovací tunelovací mikroskopie Skenovací tunelovací mikroskopie Vzorek Hrot využívá průchodu elektrického proudu d mezi hrotem a vzorkem není kontakt dochází k tunelování elektronů pravděpodobnost tunelování E F φ Vzorek Vakuum Hrot E F P e 2 2m(E V) d v případě shodných kovů a nulového napětí je P = P po přiložení napětí V prochází měřitelný proud pa

7 Skenovací tunelovací mikroskopie Princip měření využívá se skenování (bod po bodu), obraz se sestavuje postupně počítačem měří se proud režim s konstantní výškou ukládá se trojice (x, y, I) velice rychlý, velké změny proudu možnost poškození hrotu režim s konstantním proudem udržuje konstantní proud I 0 ukládá se trojice (x, y, z) pomalejší, vyžaduje zpětnou vazbu nepožaduje extrémně rovný povrch

8 Skenovací tunelovací mikroskopie Konstrukce STM mikroskopu hrot vodivý a ostrý drát, až jeden atom na špičce nejčastěji wolfram nebo Pt-Ir důležitým parametrem je koncový poloměr a čistota hrotu skener pohybové zařízení musí mít dobrou přesnost piezokeramický různé konstukční typy, často trubičkové detektor ampérmetr elektronika zdroj napětí, řídicí počítač pevná mechanická konstrukce tlumení vibrací

9 Skenovací tunelovací mikroskopie Skener skener pohybové zařízení musí mít dobrou přesnost piezokeramický různé konstukční typy, často trubičkové velké rozlišení pohybu v ose z až 0,001 nm v osách x a y až 0,01 nm nutnost nezávislého pohybu ve všech třech osách rozsahy pohybu laterálně do 100 µm, vertikálně do 20 µm relativně pomalé 250 µm/s lze také na jiných principech

10 Skenovací tunelovací mikroskopie Aplikace STM Si vzorek musí být (polo)vodivý HOPG

11 Mikroskopie atomárních sil Mikroskopie atomárních sil využívá silového působení mezi atomy nevyžaduje vodivý vzorek místo měření proudu měří ohnutí nosníku Nosník Síla kontaktní režim r 0 Vzdálenost Hrot bezkontaktní režim

12 Mikroskopie atomárních sil Kontaktní režim hrot je v přímém kontaktu se vzorkem kontakt hrotu se vzorkem může vést k poškození vzorku laterálním pohybem uvolnění vzorku deformaci vzorku přítlačnou silou poškození vrcholu hrotu (otupení) kontaminace hrotu v případě biologických vzorků statická detekce může být citlivější na některé rušivé vlivy (např. interference)

13 Mikroskopie atomárních sil Dynamické režimy bez stálého kontaktu řešení problémů měření ve větší vzdálenosti slabé síly slabý signál dynamické režimy Síla kontaktní režim r 0 Vzdálenost bezkontaktní režim

14 Mikroskopie atomárních sil Dynamické režimy bez stálého kontaktu řešení problémů měření ve větší vzdálenosti slabé síly slabý signál dynamické režimy nosník je nuceně rozkmitáván (piezokeramika) volný nosník má rezonanční frekvenci ω r = k m vlivem vzorku se mění rezonanční frekvence nosníku ( ) ω r keff k F = m = z ( r) ω 0 1 F z( r) m 2k registruje se změna stavu (A, f, φ) vlivem gradientu síly

15 Mikroskopie atomárních sil Dynamické režimy bez stálého kontaktu detekce poklesu amplitudy A frekvence f bud je konstantní setpoint r = A A 0 velikost r určuje sílu interakce f 0 f bud A A0 f robustní technika s jednoduchou konstrukcí (oscilátor, lock-in detektor) obtížné získání informace o F z (mění se f 0 i A)

16 Mikroskopie atomárních sil Bezkontaktní režim parametry režimu vzdálenost hrotu 10 nm využití přitažlivých sil amplituda kmitů je menší než vzdálenost hrotu ( 1 nm) síly pn nn interakci zprostředkovávají síly dlouhého dosahu (van der Waalsovy, elektrostatické apod.) chemické s krátkým dosahem v ideálním případě nedojde ke kontaktu se vzorkem nosník musí být hodně tuhý, aby nedošlo k zachycení ve vrstvě vody (energie 1 2 ka2 ) při malých amplitudách problémy s nestabilitou snadná linearizace teorie

17 Mikroskopie atomárních sil Semikontaktní režim princip podobný jako u nekontaktního režimu kmitání na volné rezonanční frekvenci amplituda kmitů tak velká, že dochází k periodickému kontaktu hrotu se vzorkem velká amplituda zabraňuje zachycení hrotu působí i odpudivé interakce laterální posuv nezpůsobí poškození silná interakce může vést k deformaci povrchu složitější teorie než u bezkontaktního režimu Vzorek

18 Mikroskopie atomárních sil Způsoby měření Obdobně jako v kontaktním režimu: s konstantním signálem využívá zpětnou vazbu ke změně výšky hrotu, uchovává trojici (x, y, z V piezo ) možnost měření chybového signálu 1 konstantní amplituda (AM-AFM) běžný setpoint 50 % 2 konstantní frekvenční posuv (FM-AFM) řádově 100 Hz při f khz s konstantní výškou stálá výška hrotu, uchovává trojici typu (x, y, A )

19 Mikroskopie atomárních sil Konstrukce AFM mikroskopu stavba kopíruje konstrukci STM hrot nejčastěji je integrovaný s nosníkem materiály Si, Si 3 N 4, příp. opatřené vrstvou koncové poloměry 10 nm, lepší jen dalším zpracováním využití nanotrubiček potřeba detektoru ohnutí laserová páka, piezonosníky Laser Detektor Zrcátko Skener Nosník Hrot

20 Mikroskopie atomárních sil Příprava vzorků pevné materiály jen vhodné rozměry a vyhovující pevnost, nelepivé, očištěné práškové materiály nutnost částice nanést na vhodný povrch volba roztoku (nejlépe voda) vliv podmínek vysoušení teplota, doba deformace částic na podložce dispergace částic, použití UZ selekce velikostí způsobem přípravy selekce výběrem místa měření (velké shluky obtížně měřitelné) možnost ovlivnění i upevněním (magnetické částice)

21 Mikroskopie atomárních sil Aplikace AFM

22 Mikroskopie atomárních sil Monovrstvy částic latexu kalibrační kuličky 1,1 µm velmi snadno tvoří monovrstvy

23 Mikroskopie atomárních sil Semikontaktní a kontaktní režim tkanina z nanovláken

24 Mikroskopie atomárních sil Semikontaktní a kontaktní režim tkanina z nanovláken

25 Mikroskopie atomárních sil Atomární a subatomární rozlišení Si 7 7, NC-AFM obrácené role vzorek HOPG, hrot W, vakuum, 4,2 K rozlišení 77 pm

26 Mikroskopie atomárních sil Spektroskopie sil Síla měří závislost ohnutí na vzdálenosti (F d křivka) a b vzdálenost vzorek vzorek b kvalitativní posouzení charakteru Síla přímé měření působících sil (při známé tuhosti) rozlišení různých materiálů vliv adsorbované vody d vzdálenost c vzorek Síla voda c projevy hystereze mazadlo c 1 d 2 d 1 c 2 vzdálenost c 2 c 1 mazadlo vzorek

27 Mikroskopie atomárních sil Využití spektroskopie velikost adheze přítomnost vrstev studium molekul síla mezimolekulových vazeb elasticita molekul materiálové vlastnosti plastické a elastické deformace Youngův modul pružnosti měření tvrdosti kombinace s nanoindentory

28 Artefakty a jejich korekce Artefakty zobrazení prostorová konvoluce zkreslení vlivem konečné tloušt ky hrotu ovlivňuje i výsledné rozlišení projeví se vznikem opakujících se struktur

29 Artefakty a jejich korekce Rozlišení AFM schopnost atomárního rozlišení skutečné at. rozlišení v současnosti v nekontaktním režimu často jen atomární periodicita zřejmě i rozlišení různých atomů zvětšení laterálních rozměrů

30 Artefakty a jejich korekce Hardwarové deformace piezokeramika: creep hystereze nelinearita stárnutí využití linearizace zpětná vazba a elektronika vznik interferenčních proužků zákmity při silné vazbě šum drift vhodná stavba mikroskopu, stabilní prostředí

31 Další metody Odvozené metody založené na STM skenovací kapacitní mikroskopie (SCM) teplotní skenovací mikroskopie (SThM) mikroskopie šumového napětí (SNM) založené na AFM mikroskopie laterálních sil (LFM) mikroskopie magnetických sil (MFM) mikroskopie modulovaných sil (FMM) vodivostní AFM (C-AFM) mikroskopie chemických sil

32 Další metody Mikroskopie laterálních sil vychází z AFM, detekuje zkrut nosníku je citlivá na laterální síly tření umožňuje materiálový kontrast nežádoucí projevy topografie ideální rovinný vzorek

33 Další metody Mikroskopie magnetických sil rozšíření AFM o citlivost na magnetickou interakci vyšetřování magnetických vzorků i v externím mag. poli nelze zajistit citlivost pouze na magnetickou sílu existence dalších magnetických SPM metod spin-polarized STM magnetooptická NSOM cílem je při znalosti M určit B dlouhý dosah interakce horší laterální rozlišení při neznámých parametrech hrotu nelze měřit kvantitativně

34 Další metody Měření MFM používají se kmity s velkou amplitudou síly krátkého dosahu (vdw) ovlivňují jen část kmitu mag. interakce působí po celou dobu režim s předskenováním dvouprůchodové měření nejprve se změří topografie v AFM režimu (blízko vzorku) při druhém průchodu se vertikální poloha hrotu řídí daty z prvního měření během druhého průchodu se měří změna amplitudy velká vzdálenost z během druhého průchodu

35 Mikroskopie skenujı cı sondou Dals ı metody Aplikace MFM Harddisk CoPt c a stice FeB3 nanodra tky

36 NSOM Optická mikroskopie v blízkém poli řada měřicích režimů rozlišení nm sondy z leptaných optických vláken

37 NSOM TERS Tip Enhanced Raman Spectroscopy Ramanův rozptyl neelastický, f = f 0 ± f informace o vibračních a rotačních stavech molekul možnost identifikace molekul technika nízká intenzita rozptylu ostrý kovový hrot zvýší pravděpodobnost (milionkrát) hrotem bud SPM drát, nebo pokovený AFM nosník