Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů. Nanoindentace. Pavel Matějka

Transkript

1 Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů Nanoindentace Pavel Matějka

2 Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů 1. Optická mikroskopie blízkého pole 1. Princip metody 2. Instrumentace 2. Optická spektroskopie blízkého pole 1. UV-vis absorpční a fluorescenční 1. Instrumentace 2. Příklady využití 2. Infračervená NIR a MIR 1. Instrumentace 2. Příklady využití 3. Ramanova 1. Instrumentace 2. Srovnání s TERS

3 Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů

4 Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů Brief History of NSOM Ideas started in mid-1980 s; D.W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz, Appl. Phys. Lett.44, (1984). A. Lewis, M. Isaacson, A. Harootunian, and A. Murray, Ultramicroscopy 13, 227 (1984); Technology developed in 1990 s; Eric Betzig, et al. Science, 262, (1993). Eric Betzig, et al. Nature, 2369, (1994). Prototype commercial available since 2000 s

5 Mikroskopie rastrovací sondou Rastrování povrchu

6 Optická nanospektroskopie Techniky blízkého pole sonda v blízkosti povrchu ( blízké pole ) Mikroskopie blízkého pole Spektroskopie blízkého pole (near-field spectroscopy) SNOM scanning near-field optical microscopy UV-vis, IR (IR-SNOM), Ramanova spektroskopie absorpce, fotoluminiscence, fluorescence, fotoindukovaný přenos náboje rozlišení lepší než 50 nm spektroskopie jedné molekuly

7 Optická nanospektroskopie vzdálenost sondy 10 nm apertura sondy optické spřažení mezi špičkou sondy a vzorkem sonda reaguje na změny dielektrické funkce v jejím okolí režimy snímání transmisní (jen transparentní vzorky) reflexní ostrá sonda vysílač, přijímač

8 SNOM - úvod Transmisní režim lze použít jen pro studium transparentních látek Záření prošlé vzorkem sbíráno inverzním mikroskopem V reflexním módu je měřena intenzita světla odraženého od povrchu

9 SNOM - úvod

10 SNOM - součásti Optické Zdroje světla, optická vlákna, zrcadla, čočky, objektivy, fotodetektory, difrakční mřížky/filtry, hrotová SONDA Mechanické Polohování vzorku Polohování sondy Antivibrační optická lavice Elektrické Zpětnovazebný systém pro polohování svisle, laterálně Zesilovače, zpracování signálu Řízení experimentu

11 SNOM - úvod Příprava optických vláken: chemické leptání nebo zahřátí vlákna a natažení Tažená vlákna: zužuje se nejen vlákno ale i jádro, není nutné pokovení, výhodou je hladký povrch, nevýhodou je malý světelný výkon a snadné poškození Leptaná vlákna: jádro se nezužuje, je nezbytné pokovení hliníkem. Apertura se vytvoří jemným přitlačením hrotu k povrchu vzorku. Výhodou je lepší světelný výkon, lepší potlačení ztrát v dalekém poli, větší odolnost Snadnost poškození a obtížnost výroby jsou hlavními důvody finanční náročnost práce v oblasti SNOM

12

13 Luminiscenční nanospektroskopie

14 Luminiscenční nanospektroskopie

15 Infračervená nanospektroskopie

16 Infračervená nanospektroskopie Techniky pro MIR oblast optická vlákna a sonda z chalkogenidů propustnost v MIR křehké, omezená životnost, omezený spektrální rozsah sonda skenuje povrch bod po bodu kritická je apertura sondy a její vzdálenost od povrchu

17 Výhody a problémy SNOM VÝHODY překonání difrakční limity nanorozlišení nedestruktivní metoda flexibilní režimy snímání PROBLÉMY technologické nároky na konstrukci SNOM sondy nízká intenzita detekovaného záření nároky na citlivost detektoru

18 Výhody IR SNOM kombinace SNOM a IR záření prostorové rozlišení SNOM jednotky nanometrů chemické rozlišení - chemická specificita IR spekter chemická charakterizace nanomateriálů nanodomény

19 Příklady použití organické nanokompozitní materiály domény polystyren Poly-2-vinylpyridin kontrast při 2950 cm -1

20 Příklady použití domény polystyren poly-2-vinylpyridin organické nanokompozitní materiály

21 Příklady použití 20 x 20 μm IR SNOM obrazy 1515 cm -1 buněčné kultury 1440 cm -1

22 Příklady použití NIR SNOM

23 Příklady použití NIR SNOM

24 Raman - NSOM

25 Raman - NSOM vzdálenost sondy do 10 nm apertura sondy režimy snímání kolmá či šikmá laserová excitace

26 NANOINDENTACE Měření mikro-/nano- mechanických vlastností - tvrdost? - zatlačování miniaturního hrotu (většinou diamantu) do materiálu na úrovni nm-µm Tvary hrotu: - sférický - pyramidální (Berkowich) - jehlan (Vickers) - jiné

27 NANOINDENTACE Z pracovního diagramu Síla-hloubka Např.. -z odtěžovací větve elasticita -z fáze držení zatížení viskózní vlastnosti

28 NANOINDENTACE Z pracovního diagramu Síla-hloubka Např.. -z odtěžovací větve elasticita -z fáze držení zatížení viskózní vlastnosti

29 NANOINDENTACE

30 NANOINDENTACE - tvary hrotů

31 NANOINDENTACE AFM sonda na průhybovém nosníku Maximální síla 100 µn Tuhá sonda Široký silový rozsah 100 nn až 10 N

32 NANOINDENTACE

33 NANOINDENTACE Nanoindenter Nanotest (Micro Materials, UK) Jednoduchá teplotní a vlhkostní komora Sférická indentace Pyramidální indentace (Berkowich) Horizontální pozice vzorku Zoom mikroskop 5x,10x, 20x, 40x High-load N a low-load head mn Vysokoteplotní pec (500 C)

34 NANOINDENTACE CSM-Instrument Nanohardness tester Špičková klimatická komora Pyramidální indentace (Berkowich) Optický mikroskop 5x,100x -Nikon (4000x CCD kamera) Měřící rozsah mn Rozlišení hloubky 0.5 nm Reference-ring system Cyklické zatěžování Statické and dynamické testy

35 NANOINDENTACE

36