NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Beata Grabowska, pok. 84A, Ip http://home.agh.edu.pl/~graboska/
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
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 = 400-800 nm Transmisyjny mikroskop elektronowy Wiązka elektronów, λ = 0,004 nm Skaningowy mikroskop elektronowy Wiązka elektronów Maksymalne 2-2000 x 200-2M x 20-0.1M 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
SPRZĘT NanoScope MultiMode SPM System Mikroskop MultiMode SPM = STM +AFM AFM Atomic Force Microscopy Mikroskop Sił Atomowych STM Scanning Tunneling Microscop Skaningowy Mikroskop Tunelowy
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
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Typ wiązania Energia dysocjacji (kcal/mol) kowalencyjne 400 wiązania wodorowe 12 16 dipol dipol 0.5 2 oddziaływania Londona <1 + - + -
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości 100-200 μm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem. https://pl.wikipedia.org/wiki/mikroskop_sił_atomowych#/media topografia powierzchni próbki
SPRZĘT Tipy igły skanujące Wygląd uchwytu i tipów ostrze uchwyt dźwignia Grzegorz Trykowski [5]
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
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia powierzchniowego).
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
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
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
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
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
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 ~100-200μm
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych 2. Tryb bezkontaktowy obraz w trybie bezkontaktowym o odległość ostrza od próbki ~10 100 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
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych 3. Tryb z przerywanym kontaktem (Tapping Mode) OSTRZA oscylująca dźwignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej (f ~ 50 500 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
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 = 20 80 N/m.) wysoka częstotliwość rezonansowa (f = 200 400 khz) Nowoczesne Techniki Badawcze w Inżynierii Materiałowej, dr hab. Beata Grabowska, WO AGH
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
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
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 http://userhome.brooklyn.cuny.edu/mlnakarmi/facility/afm.html
PRZYKŁADOWE BADANIA
POLIMERY (SEM) Problem: degradacja polimerów Metody badań mikroskopowych - Skaningowy Mikroskop Elektronowy - Mikroskop Sond Skanujących - Mikroanaliza Rentgenowska
Biodegradacja w glebie Mikroorganizmy Beata Grabowska, badania własne
POLIMERY (SEM) Grzegorz Trykowski [5]
PRZYKŁADOWE BADANIA Węgle aktywne WĘGLE AKTYWNE GRANULKA Metody badań mikroskopowych - Skaningowy Mikroskop Elektronowy - Mikroskop Sond Skanujących - Mikroanaliza Rentgenowska
WĘGLE AKTYWNE AFM Grzegorz Trykowski [5]
WĘGLE AKTYWNE (SEM) C Ag Grzegorz Trykowski [5]
WĘGLE AKTYWNE (SEM) C Ag Grzegorz Trykowski [5]
Podsumowanie
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
Źródła 1. Kęcki Z.: Podstawy spektroskopii molekularnej, PWN, Warszawa 2013. 2. Cygański A.: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej, WNT, Warszawa 2009. 3. Silverstein R. M. i inni: Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN Warszawa 2007. 4. Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998. 5. Grzegorz Trykowski, Wydział Chemii UMK, Prezentacja: www.chem.umk.pl/pages-pl/files/pai/ files/afm/afm_stm.ppt 6. chemistry.bd.psu.edu/justik/...212/.../chem%20210%20ir%202010.ppt 7. http://biomechanicalregulation-lab.org/afm/