Mikroskopie rastrovací sondou I Základní techniky

HTML
DOWNLOAD

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Mikroskopie rastrovací sondou I Základní techniky"

Radek Staněk
před 6 lety
Počet zobrazení:

1 Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského, AVČR v.v.i. Dolejškova 3, Praha 8 Mikroskopie rastrovací sondou I Základní techniky Pavel Janda Laboratoř mikroskopie rastrovací sondou Odd. elektrochemických materiálů pavel.janda@jh-inst.cas.cz

elektron.rastr.mikroskopie HRTEM: transmisní el.

2 Rozdělení mikroskopických metod podle rozlišení OPT: optická mikroskopie SNOM: mikroskopie blízkého pole SEM: elektron.rastr.mikroskopie HRTEM: transmisní el.mikroskopie STM,AFM: Tunelová mikroskopie, mikroskopie atomárních sil

3 Mikroskopie rastrovací sondou Scanning Probe Microscopy

Rozdělení SPM podle druhu přenášené informace Přenos náboje Elektrony - tunelová mikroskopie STM/ECSTM Ionty - elektrochemická mikroskopie (S)ECM Silové interakce - mikroskopie atomárních

4 Rozdělení SPM podle druhu přenášené informace Přenos náboje Elektrony - tunelová mikroskopie STM/ECSTM Ionty - elektrochemická mikroskopie (S)ECM Silové interakce - mikroskopie atomárních sil AFM/ECAFM Přenos elektromagnetického záření -IČ - Termální mikroskopie ThM -UV/Vis/IČ - optická mikroskopie/spektr. blízkého pole SNOM - Hrotem zesílená optická mikroskopie/spektr. TERS/TEFS

5 Tunelová mikroskopie a spektroskopie Scanning Tunneling Microscopy, Scanning Tunneling Spectroscopy

Tunelová mikroskopie Binning, Rohrer, IBM, 1981,

I T (V B ) daná e-strukturou hrotu a vzorku, z.

6 Tunelová mikroskopie Binning, Rohrer, IBM, 1981, Nobelova cena 1986 Aproximace tunelového proudu I T ~ V B f mts (V B ) exp [-2z (2mΦ ST /ħ 2 )] ħ = h/2π, f mts (V B )...redukovaná Planck.konst. I T (V B ) daná e-strukturou hrotu a vzorku, z...vzdálenost hrot-vzorek (~ 10-1 nm), V B do ±1-2 V, I T ~na-pa Au(111)

7 Tunelová spektroskopie barierová (distanční) pro nízké V B = konst. : (di T /dz)/i T ~ (2 2m e )/ħ (Φ S + Φ T ) Φ S, Φ T lokální výstupní práce, I T tunelový proud, Z vzdálenost hrotu od vzorku, m e hmota e- Provedení: modulace VVVVV Z-pieza a záznam di T /dz => Φ S,T Pro Φ T konst., laterální variace v měřené výšce bariéry ~ lokální Φ S Si-povrch, W-hrot/UHV [D.A. Bonnel: Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy VCH 1993]

8 Tunelová spektroskopie napěťová V B < výst. práce hrotu a vzorku (~10 mv), výraz di T /dv B lokální povrchová hustota stavů (skutečných nebo pocházejících z uspořádání vnitřní pásové struktury vzorku) Provedení: Modulace VVVVV V B, záznam I T -V B křivky, výstup: obvykle d(log I T )/d(logv B ) vs V B Poskytuje: mapu povrchových stavů (v UHV) používá se k zobrazení zaplnění stavů, adatomů a volných vazeb (dangling bonds)... I T -V B křivky na monokryst Si (UHV) při průchodu hrotu nad defektem [B. Persson, A. Baratoff, Phys.Rev.Lett. 59, 339] [Frank, L. - Král, J., Ed.), : Metody analýzy povrchů. Iontové, sondové a speciální metody Academia, Praha 2002]

9 Elektrochemická tunelová mikroskopie EC STM Electrochemical Scanning Tunneling Microscopy

10 EC STM: Detekce tunelových proudů při EC experimentu

11 Vodivý hrot SPM v elektrolytu

12 Hrot sondy EC STM

13 Nanoprint : nanočástice d 8 nm, z < 1 nm

14 EC STM: Self-Assembled Monolayers Aq. 0.1M Na 2 HPO 4, ph 6 SAM molecular adlayer: mercaptopropionic acid (MPA) on Au111, U B = 300 mv/i T = 100 pa V. Climent et al: J. Phys. Chem. C 2014, 118,

15 Mikroskopie atomárních sil Atomic Force Microscopy

16 AFM Silové interakce Dlouhého dosahu magnetické, kulombické nekontaktní režim Středního dosahu van der Waals (dipol-dipol, indukce dipol-nepolární m.) semikontaktní režim Krátkého dosahu vazebné interakce (atraktivní), repulzívní (deformační) Kontaktní a semikontaktní režim Vodivostní AFM EC AFM + měření vodivosti, tunelování + reakce přenosu náboje/záznam Farad.proudů, + tip-assisted elektro-lithografické techniky + detekce SECM

17 AFM: Funkce

18 AFM silová křivka F Hertz ~ (-h) 3/2 k konst.pružiny 0,01-1 N/m (cantilever) F VdW ~ -1/h 2 F = -kz Hook Režim: kontaktní semikontaktní nekontaktní (F VW N)

19 AFM: hrot a pružina (cantilever) měřítko 5 µm materiál hrotu a pružiny: Si, Si 3 N 4

20 AFM v oblasti repulsivních sil: Kontaktní režim

21 Krystaly zeolitu AFM zobrazení: Kontaktní režim

22 AFM zobrazení: kontaktní režim grafit slída Orientované molekuly Teflonu

23 Vodivostní AFM

24 AFM: artefakty

25 AFM: artefakty

26 zobrazení hrotu

27 AFM: Přitažlivé síly- adhese, vazebné interakce

28 AFM adhesivních sil: laterální (LFM) Teflon na skle: AFM -topografie -rozložení frikčních sil

29 AFM Dynamická silová spektroskopie (DFS) Disipace energie: útlum, elasticita, plasticita Y M Hrot v kontaktu, f drive, A drive /A response

30 AFM-DFS materiálová analýza povrchu Zr/ZrO 2 gel amorfní DFS LFS Topography dw

31 AFM materiálová analýza povrchu Zr/Nb/ZrO 2 gel gel DFS LFS gel Topography d

sp (~ 20 nm) f rep > f 0 výstupní parametry A, Δf, Δθ, d (deflexe) f attr < f

32 Semikontaktní režim (tapping) Akustic./mgt. buzení mechanický oscilátor kmitající v rezonanci vstupní parametry: f rez A sp (~ 20 nm) f rep > f 0 výstupní parametry A, Δf, Δθ, d (deflexe) f attr < f 0 md 2 z/dt 2 = -kz (mω 0 /Q)dz/dt + F ts + F d cosωt Hook disipace e. Tip-Surf. interakce piezo (drive) ω 0 = k/m

33 Semikontaktní režim (tapping)

Semikontaktní režim: Chemická identifikace

křivka normalizovaná na maximum interakce

silová spektroskopie sil blízkého dosahu

34 Semikontaktní režim: Chemická identifikace atomů (UHV) silová křivka před normalizací křivka normalizovaná na maximum interakce substrát-hrot Dynamic Force Spectroscopy silová spektroskopie sil blízkého dosahu chemické interakce Yoshiaki Sugimoto, Pablo Pou, Masayuki Abe, Pavel Jelinek, Rubén Pérez, Seizo Morita & Óscar Custance: Nature Letters Vol. 446 March 2007

35 AFM adhesivních sil axiální F ts (Z) (Si/SiO 2 )/vzduch in situ (voda)

36 Adsorpce proteinů na zubní sklovině N. Schwender, M. Mondon, K. Huber, M. Hannig, C. Ziegler Department of Physics, University of Kaiserslautern, Department of Operative Dentistry and Periodontology, Saarland University

37 AFM s modifikovaným hrotem semikontaktní režim (tapping): vazebné interakce Monoklonální antigen 1RK2 k A-řetězci ricinu (hrot-igg1). Viditelná je Y-struktura antigenu. AFM-semikontaktní režim na vzduchu. [Veeco]

38 AFM: bezkontaktní režim

39 Bezkontaktní AFM: Mikroskopie magnetických sil Magnetic Force Microscopy

40 Mikroskopie atomárních sil (AFM) v kapalinách

41 AFM v kapalině

42 AFM adhesivních sil - axiální (semikontaktní režim in situ) Break-up adhesivní síly na povrchu buněčné membrány Saccharomyces cerevisiae při změně ph

43 Nanobubliny na mezifází kapalina/pevná látka 10 % pokrytí 70 %

44 A Nanobubliny na mezifází kapalina/pevná látka D B B A C C AFM silová křivka D [A. Carambassis, L. C. Jonker, P. Attard, and M. W. Rutland, Phys. Rev. Lett. 80, (1998)] [Holmberg et al.: Langmuir, Vol. 19, No. 25, 2003]

45 Nanobubliny na mezifází kapalina/pevná látka Topografie Prohnutí cantileveru P. Janda, O. Frank, Z. Bastl, M. klementová, H. Tarábková, L. Kavan : Nanotechnology 21 (2010)

46 AFM in vivo: Scanning Force Endoscope

47 AFM v elektrochemických aplikacích

48 AFM v průběhu EC experimentu: zobrazení in situ

49 Hrot-cantilever v režimu SECM Dependence of surface tension γ, surface stress f and surface energy u on the electrode potential Φ (Φ = E - E 0 (zero charge)), calculated for different double layer capacities. Lippmann: dγ/de = -q, q = C 0 (E - E 0 ), γ - γ 0 = 0.5q 2 /C 0 (E 0 pzc)

50 AFM-SECM-elektroda izolovaná elektroforetickým lakem, hrot R ~130 nm AFM-SECM v objemu

nm Parylene. LSV: SECM AFM tip in 10 mm Ru(NH3)/0.5 M KCl soln; 100 mv/s.

51 Vodivý hrot AFM-ECM pro práci v tenké vrstvě kapalin integrovaná sub-mikroelektroda h = 300 nm Cantilever with 100 nm Au insulated with 700 nm Parylene. LSV: SECM AFM tip in 10 mm Ru(NH3)/0.5 M KCl soln; 100 mv/s. ---LSV at contact mode LSV at tapping Appl. Phys. Lett., Vol. 82, No. 10, 10 March 2003

52 ECAFM: hrotem zprostředkovaná elektrodepozice kovu (nano-vrstva) v kapce Au elektrodepozice konverzí Au(III) (inkoust) => Au(0) 2-elektrodový systém

ECAFM: hrotem indukované elektrochemické

menisku na hydrofilním a hydrofobním substrátu Pole 10 7

53 ECAFM: hrotem indukované elektrochemické vytváření/rozpouštění oxidu (nano-vrstvy) Formování vodního menisku na hydrofilním a hydrofobním substrátu Pole 10 7 V/cm => disociace H 2 O => OH - + H + 2-elektrodový systém TSENG, Ampere A. Tip-Based Nanofabrication Fundamentals and Applications. Springer New York Dordrecht Heidelberg London ISBN

54 SPM nanomanipulace & nanolithografie

55 Interakce sonda-povrch vzorku

56 Manipulace na molekulární úrovni

57 Mikroskop s rastrovací mikropipetou

58 Nanolithografie AFM s rastrovací mikropipetou

59 Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského, AVČR v.v.i. Dolejškova 3, Praha 8 Laboratoř mikroskopie rastrovací sondou AFM/STM Nanoscope IIIa Multimode (Bruker) Pro práci v kapalinách a plynech Rozlišení ~ 0,1 nm AFM/STM TopoMetrix TMX 2010 Pro práci v kapalinách a plynech Rozlišení ~ 0,1 nm AFM Dimension Icon (Bruker) pro práci v kapalinách a plynech pavel.janda@jh-inst.cas.cz

Podobné dokumenty

Moderní mikroskopické techniky: Elektronová mikroskopie a mikroskopie rastrovací sondou. Pavel Janda. pavel.janda@jh-inst.cas.cz

Moderní mikroskopické techniky: Elektronová mikroskopie a mikroskopie rastrovací sondou Pavel Janda pavel.janda@jh-inst.cas.cz Laboratoř mikroskopie rastrovací sondou Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského,