Metody fizykochemiczne w badaniach nowych materiałów

Transkrypt

1 Metody fizykochemiczne w badaniach nowych materiałów Prowadzący: Prof. dr hab. Jolanta Bukowska Dr hab. Marek Szklarczyk Czas wykładu: 1 semestr 30 godz. Sposób zaliczenia: egzamin pisemny Radio TV Mikrofale Fale mm Średnia IR Bliska IR VIS Bliski UV Daleki UV X Daleka IR

2 Treść wykładu 1. Podstawy teoretyczne różnych technik analitycznych: spektroskopowych, dyfrakcyjnych i mikroskopowych. 2. Podstawy teoretyczne opisujące oddziaływania cząstek. 3. Podstawy krystalografii powierzchni. 4. Praktyczne przykłady zastosowań technik analitycznych. 5. Wybór techniki analitycznej zależnie od obiektu i celu analizy.

3 Program wykładu 1. Wstęp. 2. Spektroskopia Ramana. 3. Spektroskopia Ramana w badaniach powierzchni. 4. Mikroskopia w podczerwieni i Ramana. 5. Magnetyczny rezonans jądrowy. 6. Podstawy krystalografii powierzchni. 7. Oddziaływanie cząstek z materią. 8. Elektronowe techniki spektroskopowe: ESCA-XPS, LEED, AUGER. 9. Mikroskopia elektronowa, SEM. 10. Jonowe techniki spektroskopowe, ISS i SIMS. 11. Mikroskopia tunelowania elektronów, STM. 12. Mikroskopia sił atomowych, AFM. 13. Spektroskopia tunelowania elektronów, STS. 14. Spektroskopia Ramana ze wzmocnieniem punktowym, TERS. 15. Egzamin

4 Co to są nowe materiały 1. Nowe pierwiastki i związki chemiczne. 2. Zmodyfikowane znane związki chemiczne. 3. Znane pierwiastki lub związki chemiczne o nieznanej dotąd strukturze. 4. Znane związki chemiczne dla których zidentyfikowano nowe właściwości. Nanorurka C C Siatka DNA

5 Właściwości Porównanie właściwości elektrycznych i mechanicznych F 2 IZOLATORY (wiąz. kowalencyjne) Wytrzymałość na rozciąganie Względem Al Na jednostkę masy Glin 1 1 Stal ciągniona 5 2 Poli(p-fenylotere ftalamid) (Kevlar) 5,5 10 Polietylen 6 15 Ceram. kryszt. nitkowe METALE (wiąz. metaliczne) Cs PÓŁPRZEWODNIKI CaF ELEKTROLITY (wiąz. jonowe) Metale Półprzewodniki Przewodnictwo elektryczne (S/m) srebro, jony miedzi miedź bizmut rtęć ind german krzem chlorek sodu szkło jod diament siarka kwarc parafina P O L I M E R Y

6 Zastosowanie 1. Korozja. 2. Kataliza. 3. Materiałoznastwo. 4. Elektronika. 5. Przemysł maszynowy. 6. Medycyna. 7. Inżynieria genetyczna. 8. Sztuczna inteligencja (elektronika na skale nano).

7 Zastosowanie - przykłady Dziedzina W trakcie badań Od niedawna na rynku Od wielu lat Źródła energii Medycyna Inżynieria Baterie: nanokrystality Ni i wodorków metali. Magazynowanie wodoru: nano TiO 2. Tlenkowe ogniwa paliwowe: materiały na anody i katody. Kontrola term. cieczy: nanostruktury Cu Tabletki w postaci nanostruktur dla lepszej przyswajalności. Insulina oraz leki w postaci do inhalacji bez potrzeby zastrzyków. Promotory wzrostu i uzupełn. ubytków kości. Detekcja wirusów. Implanty. Leczenie nowotworów. Narzędzia skrawające: WC, TaC, TiC, Co. Świece samochodowe: proszki ceramiczne oraz nanocząstki metali. Wysokowydajne izolatory: nanoporowata krzemionka. Kontrolowane dozowania herbicydów i pestycydów i czujniki chemiczne. Sita molekularne. Dobra powszechnego użytku? Ochrona środowiska Elektronika Nanocząstki związków magnetycznych do urządzeń o wysokiej gęstości magazynowania danych. Przewodniki i izolatory. Obwody elektroniczne NRAM: Cu, Al. Ekrany: nanocząstki tlenków przewodz.? Katalizatory nieszkodliwe dla środowiska. Dodatki do paliwa do silników Diesla. Osłony przeciwsłoneczne: ZnO, TiO 2. Wskaźniki molekularne: CdSe. Nośniki leków o małej rozpuszczalności w wodzie. Powłoki odporne na ścieranie: Al 2 O 3, Y-Zr 2 O 3. Wzmocnione kompozyty polimerowe. Smary hydrauliczne: CuMoS 2. Pigmenty. Szkła samoczyszczące: TiO 2. Zabezpieczenia antyfałszerskie. Powłoki antyodbiciowe. Nanowłókna i fotokatalizatory do oczyszczania wody. Powłoki antyodbiciowe. Katalizatory spalin. Środki antybakteryjne do ran: Ag. Środki grzybobójcze: ZnO. Substancje do kontrastu w badaniach MRI: Fe 2 O 3. Polimery i kompozyty o wzm. strukturze. Materiały na różnego rodzaju powłoki: np. odporne termicznie, TiO 2, TiC-Co. Atramenty: magnetyczne, przewodzące. Smary narciarskie. Piłki i rakiety tenisowe. Tkaniny wodoodporne. Opakowania- SiO 2. Powłoki szyb. Pokrycia dachów. Materiały sanitarne. Rekultywacja gleby. Przygotowanie cieczy Procesory, pamięci: tlenki Ce i Al. magnetycznych. Materiały łączeniowe i powłoki Optoelektronika: przełączniki światłowodów. ceramiczne. Materiały przewodzące. Wielkość sprzedaży: 2003: $500 mln., 2005: $900 mln., 2010: $11000 mln..

8 Informacje potrzebne do zdefiniowania materiału i jego powierzchni; 1. Skład chemiczny materiału i jego powierzchni. 2. Elektronowa struktura materiału. 3. Topografia powierzchni. 4. Krystalografia powierzchni. 5. Rodzaj defektów powierzchniowych. 6. Ruch atomów (dyfuzja powierzchniowa i międzyfazowa). 7. Rodzaj adsorbatu. 8. Typ wiązania adsorbatu z powierzchnią. 9. Topografia i struktura adsorbatu. 10. Szybkość procesów adsorpcji i desorpcji.

9 Rodzaje wiązań

10 Poziomy energ.

11 Defekty powierzchniowe

12 Historia

13 Oddziaływania i siły ODDZIAŁYWANIA Silne Słabe Elektromagnetyczne Grawitacyjne Co: Kwarki i gluony Wszystkie cząstki Cząstki naładowane Wszystko (wiązanie n i p) poza prom. Zakres [m] ~ <10-17 F 1/r 2 F 1/r 2 Moc (vs. silne) Czas [s] ~ Procesy Reakcje jądrowe np.: rozpad - Reakcje chemiczne Destrukcja obiektów wszelkiego typu. SIŁY Siły krótkiego zasięgu Siły długiego zasięgu Zmiana z odległością Maleją wykładniczo lub z 1/r n dla n 6 Maleją z 1/r 2 Przykłady Siły jądrowe, siły Van der Waalsa Grawitacyjne, elektrostatyczne

14 Oddziaływania powierzchniowe RODZAJ SIŁ PODZIAŁ WŁAŚCIWOŚCI Przyciągające Siły Van der Waalsa Siły elektrostatyczne Kwantowomechaniczne Hydrofobowe Polaryzacyjne Dyspersyjne, indukcji dipoli, siły Casimir a Kulombowskie, wiązania jonowe, wiązania wodorowe Oddziaływania związane z przeniesieniem ładunku. Wiązania walencyjne, metaliczne, proces wymiany. Hydratacyjne siły przyciągające. Siły typu Van der Waalsa związane z polaryzacją jonów. Siły występujące praktycznie wszędzie. Siły długiego zasięgu, silne. Wymagany ładunek powierzchniowy lub proces rozdziału ładunku. Siły krótkiego zasięgu, silne, odpowiedzialne za wiązania w sieci krystalograficznej. Siły długiego zasięgu, silne, nie bardzo zrozumiałe. Wymagane są ruchome ładunki powierzchniowe w polarnym rozpuszczalniku. Solwatacyjne Wiązania specyficzne Odpychające Kwantowomechaniczne Van der Waalsa Elektrostatyczne Entropowe Siły związane z oscylacją i zubożeniem ładunku. Oddziaływania receptor-ligand, antyciało-antygen, uzupełniające. Wewnątrz atomowe, odpychanie Borna i steryczne Odpychanie osmotyczne, i w warstwach podwójnych, fluktuacja termiczna, steryczne odpychanie w polimerach. Występują w trakcie przyciągania i odpychania. Główne źródło to entropia. Subtelna kombinacja sił niekowalencyjnych. Systemy biologiczne. Siły stabilizujące przyciąganie jonowe i kowalencyjne. Określają wielkość i kształt. Występują tylko pomiędzy nierównocennymi ciałami poprzez jakiś ośrodek. Występują dla określonego rozkładu ładunku w sieci krystalograf. powierzchni. Związane z cząsteczkami lub jonami znajdującymi się pomiędzy dwoma zbliżającymi się powierzchniami. Dynamiczne Nierównowagowe Hydrodynamiczne, lepkość, tarcie. Procesy rozpraszania energii związane z ruchem.

15 Oddziaływania DIAGRAM PROPSTA Pole elektryczne Ciepło Fotony Siało stałe Jony Cząstki neutralne Elektrony SPEKTRUM ELEKTROMAGNETYCZNE Procesy wibracyjne Procesy rotacyjne Raman Procesy jonizacyjne Radio TV Mikrofale Fale mm Średnia IR Bliska IR VIS Bliski UV Daleki UV X NMR ESR Daleka IR mm ,5 m ,5 0,77 Nm ,05 GHz cm -1 0,033 3, ev

16 Odziaływanie elektronu z materią e p e p X-ray e p e wt e wt AE e wt e p - elektron pierwotny, eV. e wt - elektron wtórny, 0-10 ev. AE- elektron Auger a, eV. X-ray- promieniowanie X, eV. - plazmon, ev. - fonon, 0,01-0,5eV.

17 Widmo

18 Spektrometryczny zestaw pomiarowy Promieniowanie U Układ źródła Próbka Układ detektora Układ rejestrująco- Układ promieniowania obliczeniow interpretujący i

19 Techniki spektroskopowe i mikroskopowe Metoda Proces Pomiar Głęb. Inform Zastosowanie Czułość na monow. Analiza objętość. FTIR f f Fotony Strukt. chemiczna wiązania, RAMAN SERS TERS Próżnia, gazy, ciecze f f Fotony Strukt. chemiczna wiązania, orientacja Próżnia, gazy, ciecze UV-Vis f f Fotony Strukt. chemiczna Próżnia, gazy, ciecze STM e Elektrony 4 Å Morfologia, krystal. powierzchni Próżnia, gazy, ciecze STS e Elektrony 4 Å Atomy, grupy funkc. Próżnia, gazy, ciecze 1 Nie Pojedyncze cząsteczki 1 (techn. Fluoresc.- cząsteczki Pojedyncze atomy Pojedyncze atomy Nie Nie Nie Nie AFM i jej pochodne EC F e J Siły 4 Å Morfologia, krystal. powierzchni Elektrony, jony Próżnia, gazy, ciecze 4 Å Dedukcyjne inform. o strukturze Pojedyncze atomy Ciecze Nie 10-2 Nie

20 Próżniowe techniki spektroskopowe i mikroskopowe Metoda Proces Pomiar Głęb. Inform. Zastosowanie Czułość na monowarst. Analiza objętość. AES e e Electrony Auger a 20 Å Pierwiastki: Li-U 10-1 W komb. z trawieniem jonowym. ESCA- XPS X e Foto- Elektrony 30 Å Pierwiastki: Li-U Wiązania chemiczne 10-1 Tak SIMS J J Jony 20 Å Pierwiastki: H-U Grupy funkcyjne ISS J J Jony 20 Å Pierwiastki: Li-Bi LEED e e Elektrony 6 Å Struktur. krystal. powierzchni SEM e e Elektrony 500 Å Morfologia powierzchni 10-5 W komb. z trawieniem jonowym W komb. z trawieniem jonowym Nie 10-3 Nie TEM e e Elektrony 50 Å Morfologia Grupy atomów Nie

21 Literatura! 1. Surface Crystallography L. J Clarke, John Willey & Sons, Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis L. C. Feldman, J. W. Mayer, North-Holland, Introduction to Surface Chemistry and Catalysis G. A. Samorjai, John Wiley & Sons, The Handbook of Surface Imaging and Visualization A. T. Hubbard (editor), CRC Press, Spectroscopy for Surface Science R. J. H. Clark, R. E. Hester (editors), John Wiley & Sons, Surfaces G. Attard, C. Barnes, Oxford University Press, Applied scanning probe methods B. Bhushan, H. Fusch, S, Hosaka, Springer, Surface analysis methods in material science D.J. O Connor, B.A. Sexton, R.St.C. Smart, Springer, Surface analysis J.C. Vickerman, John Wiley & Sons, Modern Spectroscopy J. M. Hollas, John Wiley & Sons, (Wiele prezentowanych w czasie tego wykładu rysunków i zdjęć zastało wykonanych na podstawie materiału zawartego w powyższych książkach.)