Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii Łódź, ul.

Transkrypt

1 Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii Łódź, ul. Tamka 12 Andrzej Leniart Akademia Ciekawej Chemii 11 czerwiec 2014 r.

2 Z czego zbudowana jest materia? Demokryt z Abdery (ur. ok. 460 p.n.e., zm. ok. 370 p.n.e.) grecki filozof, naukowiec, znany jako "śmiejący się filozof". Ponad 2400 lat temu zadał pytanie: Czy materię można dzielić na mniejsze i coraz mniejsze kawałki w nieskończoność? - materii nie można dzielić w nieskończoność, - w wyniku dzielenia powstanie tak drobna cząska, której już dalej nie da się podzielić. Nazwał ją "Atomo" co znaczy "niepodzielna, niedająca się ciąć" protony elektrony orbity neutrony jądro atomowe

3 Z czego zbudowana jest materia? Rozmiar atomu 1 Å = m = 0.1 nm atom wielkości pomarańczy pomarańcza wielkości Ziemi

4 Pierwszy udany eksperyment 1981 r. Patent 1982 r. Nagroda Nobla z fizyki 1986 r. Gerd Binnig ( ) Heinrich Rohrer ( )

5 Zjawisko tunelowe (efekt tunelowy) Zaproponowane w 1928 roku przez Georga Gamowa do wyjaśnienia rozpadu jąder. Zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki. Zjawisko tunelowe jest efektem kwantowo - mechanicznym, który nie istnieje w mechanice klasycznej.

6 Przejście elektronu przez barierę o szerokości d i o potencjale V 0 e(m,e) E<V 0 V 0 E d Mechanika klasyczna I II III x 0 x 1 x E e(m,e) E<V 0 V 0 d Mechanika kwantowa I II III x 0 x 1 x 6

7 igła skanująca A I = 0 d Å I T 0 R badana próbka Prąd tunelowy jest skomplikowaną funkcją geometrii powierzchni, stanów elektronowych ostrza igły skanującej i próbki. I T - natężenie prądu tunelowego, V - napięcie, f(v)- funkcja średniej ważonej gęstości stanów elektronowych badanej próbki i igły, Φ - wysokość bariery tunelowej w ev, d - odległość między próbką a ostrzem igły w angstremach. Funkcja ρsa, jak i Φ są wielkościami charakteryzującymi materiały z jakich wykonana jest próbka i igła skanująca. I T V 2 d sa( 0, EF ) e V sa (0, E F ) e d

8 Działanie mikroskopu polega na pomiarze natężenia prądu tunelowego płynącego podczas skanowania pomiędzy cienkim ostrzem (igłą skanującą) a powierzchnią próbki przewodzącą prąd elektryczny (elektrodą badaną) znajdującymi się w odległość od kilku do kilkudziesięciu angstremów. Wykorzystywana jest silna eksponencjalna zależność prądu tunelowego od odległości pomiędzy próbką a ostrzem skanującym.

9 Tryb stałego natężenia prądu tunelowego I T Tryb stałej wysokości Z x I T x

10 Aby zapewnić precyzyjne ruchy igły nad próbką lub próbki pod igłą w odległości kilku Angstremów wykorzystano ceramiczne materiały piezoelektryczne, które pod wpływem przyłożonego napięcia zmieniają swój rozmiar. W roku 1880 Jacques i Pierre Curie odkryli zjawisko piezoelektryczności, które polega na tym, że na powierzchni niektórych kryształów poddanych działaniu zewnętrznych naprężeń mechanicznych indukują się ładunki elektryczne, których wartość jest wprost proporcjonalna do wartości przyłożonych naprężeń. W tym samym roku udowodnili, że istnieje zjawisko piezoelektryczności odwrotne, które polega na deformowaniu się kryształu piezoelektrycznego w zewnętrznym polu elektrycznym.

11 Skanery piezoelektryczne stosowane w STM konstruowane są aby zapewnić ruch igły skanującej w poszczególnych kierunkach osi X, Y, Z w wyniku rozszerzania i kurczenia się materiałów piezoelektrycznych. Skanery są o różnej konstrukcji: skanery rurkowe, skanery trójramienne (tripod) i skanery oparte na komórkach bimorficznych. Skaner rurkowy skaner trójramienny (tripod) Z+Y Z+X Z-X -X +X -Z +Z Z-Y -Y +Y

12 Materiały na igły skanujące złoto, wolfram, platyna, tal oraz stopy platynowo - irydowe o różnym składzie (Pt90%Ir10%, Pt80%Ir20% lub Pt70%Ir30%). Metody otrzymywania igieł skanujących - cięcie mechaniczne igieł Zalety szybkość przygotowania Wady brak powtarzalności wielokrotne ostrza igły skanującej ostrza są postrzępione, spłaszczone nie nadają się do badań w roztworach elektrolitów

13 - trawienie elektrochemiczne igieł I Etap II Etap III Etap igła lekarska parafina mm drut PtIr apiezon srebrzanka AC Źródło napięcia zmiennego z zakresu 0-10 V AC Elektroda węglowa Roztwór do trawienia Uchwyt mocujący igłę Igła do trawienia Miejsce trawienia Statyw anoda: W + 8OH WO H 2 O + 6e katoda: 4H 2 O + 6e 3H 2 + 6OH Zalety powtarzalność; otrzymywanie pojedynczego ostrza igły skanującej dużą rozdzielczość igły Wady pojawianie się bardzo długich, cienkich ostrzy tzw. wiskerów

14 Środowiska pracy - próżnia (pomiar ex situ) - powietrze (pomiar ex situ) - ciecze (pomiar in situ) - środowisko elektrochemiczne (pomiar in situ) Główne obszary badawcze - badania struktur monokrystalicznych - badania adsorpcji i interkalacji w strukturach monokrystalicznych - badania struktur polikrystalicznych - badania elektroosadzania metali i stopów - badania ognisk korozyjnych - modyfikowanie powierzchni poprzez przyłożenie impulsów napięciowych, - manipulacje pojedynczymi klastrami lub atomami zaadsorbowanymi na powierzchni próbki - badania nanocząstek i samoorganizujących się warstw

15 Mikroskop STM/ECSTM skonstruowany w 1995 r. pod kierownictwem dr Tadeusza Błaszczyka na naszym Wydziale we współpracy z Wydziałem Fizyki UŁ Mikroskop Dimension TM Icon firmy Bruker Nano Surfaces Business głowica skanująca wyświetlac z LCD kamera optyczna głowica skanująca włącznik/wyłącznik próżni do podtrzymywania próbki stolik mikroskopu próbka blok granitowy stolik mikroskopu

16 Topografia powierzchni HOPG (STM pomiar w powietrzu, E T =+0,2 V, I T =1,0 na)

17 Topografia powierzchni po elektrochemicznym osadzaniu Pd (STM pomiar In situ 0.1 M HCl M (NH 4 ) 2 PdCl 4, E T =+0,05 V, I T =1,0 na, E W = 0.38 V) ładunek elektroosadzania C po jednym cyklu woltamperometrycznym ładunek C elektroosadzania Pd przy E w = V ładunek C elektroosadzania Pd przy E w = V

18 Topografia HOPG - rozdzielczość atomowa

19 Topografia HOPG - rozdzielczość atomowa

20 Topografia złota polikrystalicznego po impulsach napięciowych między igłą skanującą a elektrodą (pomiar w powietrzu) (U TP = +4.1 V, 5.1 V, 6.1 V) I T 20

21 Mechanizm osadzania klasteru metalu przy użyciu igły tunelowej Klastery palladu na złocie monokrystalicznym (111) (20x20 Pd)

22 Znak firmowy IBM ułożony z 35. atomów ksenonu przez amerykańskiego fizyka Don Eigler Najmniejszy człowiek świata. Postać zbudowana z cząsteczek tlenku węgla osadzonych na powierzchni platyny

23

24 Podsumowanie - co zapamiętałam/em z wykładu? 1. Co oznacza skrót STM? 2. Jak nazywają się wynalazcy Skaningowego Mikroskopu Tunelowego? 3. Jak nazywał się grecki filozof, który po raz pierwszy użył "atom"? 4. Jakie zjawisko wykorzystywane jest w STM i naczym ono polega? 5. Na czym polega zasada działania STM? 6. Ile wynosi 1Å w metrach? 7. Kto odkrył zjawisko piezoelektryczności? 8. Na czym polega zjawisko piezoelektryczności? 9. Jakimi metodami można otrzymywać igły skanujące STM? 10. Co można badać i robić za pomocą STM?

25 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ