Optická a elektronová mikroskopie stručné shrnutí Mikroskopie skenovací sondou

Transkript

1 Optická a elektronová mikroskopie stručné shrnutí Mikroskopie skenovací sondou TEM, SEM viz výše STM AFM Optická skenovací mikroskopie (SNOM) Konfokální mikroskopie

2 Srovnání mikroskopů

3

4 SEM SEM SE topografický kontrast BSE materiálový kontrast SE - Křídlo mouchy

5 SEM - BSE BSE - Aspirin

6 SEM BE + SE Rekrystalizace vlákna žárovky

7 Mikroskopie skenovací sondou Mikroskopie skenující (rastrující) sondou (Scanning Probe Microscopy) je soubor experimentálních metod určených ke stanovování struktury povrchu se subatomárním rozlišením ve směru kolmém k povrchu. První v řadě těchto technik byla skenující tunelovací mikroskopie (STM). Její teoretický popis je založen na kvantové fyzice, konkrétně na tunelovém jevu. Byla vyvinuta v laboratořích IBM pracovníky Binnigem a Rohrerem roku 1981, kterým za jejich objev byla v roce 1986 udělena Nobelova cena. Je to jedna z mála metod, která je schopna poskytnout až atomární rozlišení, přičemž je zároveň vcelku jednoduchá. Oproti ostatním metodám (transmisní elektronová mikroskopie, autoemisní iontová mikroskopie) nevyžaduje náročnou přípravu vzorku, ale poskytuje jen informace o povrchu. Její nevýhodou je, že neposkytuje okamžitý a vizuální obraz, ale snímání je postupné a je nutno pro zobrazení využít počítače. Historie metod v blízkém poli sahá do roku 1928, kdy Synge poprvé zavedl princip skenování ostrým skleněným hrotem velmi blízko hrotu. Tehdejší stav technologií však neumožňoval realizaci měření. První přístroj z této kategorii začal pracovat roku 1972, když R. Young sestrojil svůj Topografiner, zařízení schopné mapování povrchu ve vzdálenosti 100 nm. Atomárního rozlišení však zde nebylo dosaženo z důvodu značné nestability vzdálenosti hrotu od povrchu.

8 Skenovací tunelovací mikroskop STM Tato metoda je přímo založena na pravděpodobnosti průchodu částice energetickou bariérou. Energetická bariéra je vytvářena prostorem, v němž dochází k částečnému překrytí vlnových funkcí atomů hrotu a povrchu. Elektrony v kovu mají menší energii než elektrony ve vakuu mezi nimi, čímž se vytvoří bariéra. Jsou-li oba kovy shodné, je bariéra naprosto symetrická, oběma směry přecházejí elektrony a celkový proud je nulový. Přiložíme-li napětí, symetrie zmizí a celkový proud bude nenulový. Velikost proudu je ovlivňována i přítomností prázdných hladin v jednom kovu a obsazených v druhém (tj. tvarem vlnových funkcí). Z toho plynou dva poznatky: 1. není určována přímo topografie povrchu vzorku, ale jen rozložení vlnové funkce atomu (resp. metoda je citlivá na obsazení energetických hladin v blízkosti Fermiho energie, přičemž citlivý energetický rozsah určuje přiložené napětí), 2. pravděpodobnost přechodu (a tím velikost proudu) lze ovlivnit oddálením či přiblížením hrotu k povrchu.

9 Tunelový jev Tunelový jev (též kvantové tunelování) je kvantový jev známý z kvantové mechaniky, při němž částice porušuje principy klasické fyziky tím, že prochází potenciálovou bariérou, která je vyšší než energie částice. Například vezměme že, máme několik kuliček a házíme jimi na zeď. Ze zákonů Newtonovské mechaniky je jasné, že se kuličky budou od zdi odrážet a za zeď se nemohou žádným mechanismem dostat. Přesto by se malá část kuliček, pokud by se chovaly jako mikroskopické částice s uplatněním kvantových efektů, objevila na druhé straně zdi. Kuličky tedy mají malou pravděpodobnost výskytu za bariérou. Protože, pokud je energie částice menší než výška bariéry, pak by se podle klasické mechaniky měla částice od takové bariéry odrazit zpět. Klasická mechanika neumožňuje průchod takové částice skrz bariéru. Kvantová mechanika však částici umožňuje, aby s určitou pravděpodobností prošla skrz potenciálovou bariéru (odtud také pochází označení tunelování).

10 Ve fyzice mikrosvěta si zeď představujeme jako potenciálový val pro částici pohybující se v prostoru (například v blízkosti jádra). Uvažujme pro jednoduchost jednorozměrný model, rozšiřitelný v praxi na mnoho sféricky symetrických problémů. Čím vyšší je směrnice křivky U(x), tím větší síla na částici působí (podle 3. Newtonova zákona působí i částice na zdroj pole, ten ale považujeme za mnohokrát hmotnější než částici, takže se toto působení neprojeví). V oblasti potenciálového valu se navíc částice podle klasické fyziky vyskytovat nemůže. Potenciálová křivka v místě valu totiž značí velikost potenciální energie částice a na přímce E vidíme celkovou mechanickou energii částice, která je daná součtem potenciální a kinetické podle vzorce E = U + T.

11 Jelikož má být U > E, musí být kinetická energie T < 0, což není možné. Situaci ukazuje obrázek:

12 Řešení Schrodingerovy rovnice Vlnová funkce ψ je řešením Schrodingerovy rovnice, pro praktické použití je lépe hovořit o ψ 2, které vyjadřuje pravděpodobnost výskytu částice částice v daném místě a čase. Pro potencilálovou bariéru vypadá popis a řešení takto: A Schrodingerovu rovnice lze psát takto:

13 Kde vlnové vektory jsou A řešení v z < 0 Vz>L V0<z<L

14 A koeficient prostupnosti bariéry lze vyjádřit jako Závislost T je exponenciální, koeficient je velmi citlivý na změnu proměnných: hmotnosti m, rozdílu (U(x) - E) a tloušťky bariéry l.

15 Tunelování na povrchu kovu Vyšetřujeme-li tunelování elektronů při povrchu reálného kovu zjistíme, že se dle Sommerfeldova modelu vyskytují pod hladinou Fermiho energie (E) podle určité rozdělovací funkce a k tunelování nedochází (obrázek a). Pokud však ke kovu přiložíme například homogenní elektrické pole, získá rázem povrchová bariéra vůči vakuu konečnou délku a elektrony mohou z hladiny E tunelovat (obrázek b).

16 Nyní si představme, že k takovému povrchu přiblížíme jiný atom. Nutně tím změníme průběh potenciálu a tím i ovlivníme pravděpodobnost tunelování elektronů z povrchu. Právě tohoto efektu využívá STM. Přiblížíme hrot na takovou vzdálenost, že dojde k praktickému překryvu elektronových orbitalů. Tím se dramaticky zvyšuje pravděpodobnost tunelování a můžeme pozorovat tok tunelového elektrického proudu. Názornou představu o tomto mechanizmu si můžeme udělat z následujícího obrázku:

17 Vlastní měření probíhá tak, že nejprve se provede hrubý posuv vzorku k hrotu ve směru z (hrot je zde tvořen zaostřeným drátkem, např. wolframovým), tento může být čistě mechanický. Poté dojde k přiložení napětí mezi hrot a vzorek, aby mohl procházet proud (je tedy zapotřebí vodivý vzorek) a nyní se jemným posuvem (pomocí piezokeramiky) přiblíží vzorek ke hrotu tak, aby procházející proud nabyl měřitelných hodnot, pak se přibližování zastaví. Získání obrazu (skenování) se provádí skokovým posuvem ve dvou rozměrech (x, y) po příslušné matici měřicích bodů, zpravidla se pohybuje po řádcích a v jednom směru (zpětný pohyb je tedy prázdný). Výstupem měření je matice aij, jejíž indexy označují polohu bodu a příslušná hodnota je velikost měronosného signálu. Tento signál může být dvojího druhu, v závislosti na režimu měření:

18 STM - schematicky

19 Piezoelektrické látky U některých speciálních pevných látek, které nemají strukturu se středem souměrnosti, může docházet k piezoelektrickému jevu. Podstata tohoto jevu je následující: v klidovém stavu jsou polohy kladných a záporných nábojů po vystředění přes objem buňky shodné a materiál nevykazuje elektrické projevy. Je-li však mechanicky stlačen, polohy nábojů se rozposunou a na krajích látky se objeví náboj - látka se začne chovat elektricky. Pro SPM je však důležitější chování opačné, tedy změna rozměrů po přiložení elektrického napětí. Právě tato délková změna umožňuje využití piezoelektrik jako polohových manipulátorů. Důležitým rysem obou jevů je závislost efektu na vzájemné poloze krystalografických os látky a směru přiloženého pole (elektrického či mechanického). Mezi nejznámější látky s piezoelektrickým chováním patří křemen, LiNbO3 a LiTaO3, PZT a je tvořen tuhým roztokem PbZrO3 a PbTiO3).

20 Jednoduché STM

21 STM grafit 5 nm x 5 nm STM image of graphite.

22 STM - režim s konstantní výškou při němž se udržuje jednou nastavená hodnota z0 a měří se velikost tunelového proudu. Tento režim umožňuje rychlé snímání obrazu, protože není nutno pohybovat vzorkem, ale je méně přesný, neboť při velkých vzdálenostech hrotu od povrchu se proud dostává pod dobře měřitelnou úroveň.

23 STM - režim s konstantním proudem při němž se pomocí zpětné vazby udržuje konstantní úroveň proudu. Měronosnou veličinou je napětí přikládané k piezokeramickým pohybovým prvkům. Tento režim je pomalejší, umožňuje sledovat větší změny profilu povrchu, je však závislý na převodním vztahu přiloženého napětí a změně rozměru piezoprvku. Tato závislost může být odstraněna vnějším měřičem polohy, např. laserovým. Další nevýhodou může být poškození povrchu, přejde-li hrot nad oblast s výrazně odlišnými elektrickými vlastnostmi (např. zoxidovaná místa) - aby byl udržen nastavený proud, dojde k velkému snížení (přiblížení) hrotu.

24 Atomic Force Microscopy -AFM Mikroskopie AFM je založena na mapování rozložení atomárních sil na povrchu vzorku. Tyto síly jsou mapovány těsným přiblížením hrotu k povrchu, čímž vzniká přitažlivá nebo odpudivá síla, která způsobí ohnutí nosníku, na němž je upevněn hrot. Toto ohnutí je snímáno citlivým, zpravidla laserovým snímačem a vytváří měronosnou veličinu. Zřejmou výhodou této metody je možnost studovat jak nevodivé, tak i vodivé vzorky. Detektor ohnutí je tvořen laserovou diodou, která vytváří skvrnu konečné velikosti, která dopadá na špičku nosníku a od něj se odráží. Odražené světlo dopadá na světelný detektor, který je rozdělen na dvě citlivé části. Před vlastním měřením se systém mechanicky vyváží tak, aby energie svazku dopadající do obou částí (duantů) byla stejná. Při měření se ohyb projeví posunem odrazu, takže energie v jednotlivých duantech už nebudou stejné a z jejich poměrů je možno určit vychýlení nosníku. V současné době se zpravidla využívá kvadrantní detektor, který je rozdělen na čtyři části a umožňuje detekovat pohyb skvrny v dalším kolmém směru - tedy zkrut nosníku.

25 Síly ohýbající nosník mohou být různé fyzikální podstaty, především se však uplatňuje přitažlivá van der Waalsova síla působící mezi dvěma atomy na větší vzdálenosti a odpudivá síla plynoucí z Pauliho principu, která působí na menších vzdálenostech. Celková síla může být jak odpudivá, tak i přitažlivá v závislosti na vzdálenosti hrotu. Z tohoto "rozdělení" je možno odvodit následující režimy činnosti:

26 The error signal: 1) 2) The static cantilever deflection in contact mode, The amplitude of vibrations in a semicontact mode Lazer A B Photodiode (2 or 4 sectioned) O. Wolter et al; JVST B9 (1991), Cantilever d Sample Scanner Feedback loop F =k d

27 Dotykový (kontaktní) měření zde je vzdálenost hrotu a povrchu tak malá, že výsledná síla je odpudivá a snaží se ohýbat nosník od povrchu. Bude-li jeho tuhost menší než efektivní tuhost držící pohromadě atomy povrchu, lze ohnutí nosníku použít k měření sil. V opačném případě se nosník neohne, ale může způsobit poškození vzorku. Do ohnutí nosníku se však ještě promítají i jiné síly, které brání kvalitnímu zobrazení. Jde především o kapilární síly vznikající v kapičkách vody zkondenzované na povrchu vzorku z okolní vlhkosti. Další působící veličinou může být vlastní pružnost nosníku. V této oblasti působí na vzorek zpravidla síla řádově 10-7 N. Tento režim lze rovněž provozovat ve dvou modifikacích, a to sice: a.s konstantní výškou, při níž je udržována určená hodnota výšky z0 a měří se ohnutí nosníku; b.s konstantní silou, kdy se udržuje konstantní ohnutí nosníku a posunuje se vzorkem (či hrotem) ve směru osy z. Tato modifikace je častěji používaná, protože se vyvarujeme závislosti prohnutí na kapilárních silách a pružnosti nosníku, je ovšem pomalejší (potřeba pohybu vzorku, závisí na odezvě zpětné vazby). Při dotykovém měření se zpravidla projevuje hystereze. Při přibližování k povrchu je nejprve síla konstantní, při určité vzdálenosti d1 prudce vzroste a přitáhne hrot skokově k povrchu, pak zvolna narůstá odpudivá síla. Při oddalování nejprve klesá odpudivá síla, zvolna přechází v rostoucí přitažlivou a v jisté vzdálenosti d2> d1 prudce klesne a nosník odskočí.

28 Pro dosažení požadované přesnosti musí pružný element i hrot splňovat několik principiálních podmínek. Hrot musí být dostatečně ostrý, obvyklé poloměry zaoblení měřícího konce hrotu jsou 10 20nm. Také musí být hrot dostatečně dlouhý, aby dosáhl na dna nerovností měřeného vzorku. A v neposlední řadě musí být odolný, aby vydržel přímý kontakt s měřeným povrchem. Z toho plyne, že pro různé vzorky je vhodné použít různé hroty podle předpokládaných parametrů povrchu. Také si je třeba uvědomit, že ostřejší hrot vytváří větší tlak na měřený povrch a tím zvyšuje riziko poškození (vzorku i hrotu) a následně výskyt artefaktů ve výsledné topologické mapě. To může být velmi problematické zvláště u biologických vzorů.

29 Pružný element musí zajišťovat dostatečnou měkkost, tak aby byl schopen reagovat na změny působících sil od povrchu. Popišme si hrot rovnicí F = k z, kde F je působící síla, z polohová změna a k konstanta pružnosti elementu. Pro pružný element tvaru kvádru lze přibližně psát, k ~ Ewt3l-3, kde E je Youngův modul pružnosti, w,t,l jsou šířka, tloušťka a délka pružného elementu. Pokud dosadíme typické hodnoty pro hliníkový pružný element o velikosti w,t,l = 1mm,10µm,4mm, pak k ~ 1Nm-1. Vypočtenou tuhost pružného elementu můžeme srovnat s tuhostí jednotlivých meziatomárních vazeb k(c-c) ~ 500 Nm-1 a k(c-c-h bend) ~ 50Nm-1. Porovnáním je zřejmé, že uvažovaný pružný element bude reagovat na působící meziaromární síly bez zásadního ovlivnění povrchu analyzovaného vzorku.

30 Nicméně vhodná tuhost pružného elementu není jediným požadavkem nutným k dosažení dobrých výsledků. Element také musí odolávat vibracím z vnějších zdrojů, které na něj budou během měření působit. To je dostatečně splněno, pokud frekvence vlastních kmitů soustavy pružného elementu je mnohem vyšší než frekvence externích (rušivých) vibrací. Pro pružný element tvaru kvádru platí, že frekvence vlastních kmitů je úměrná f0 = (k/m)1/2. kde k je konstanta pružnosti elementu a m je hmotnost. Z rovnice je zřejmé, že hmotnost pružného elementu musí být minimalizována. Pokud tedy vyrobíme pružný element pomocí mikrolitografických metod z Si nebo Si3N4 o rozměrech w,t,l = 40µm, 1.5µm, 140µm. Pak k ~ 0,7Nm-1 a f0 ~ 60kHz, což jsou dostatečné parametry. Tedy lze vyrobit pružný element s parametry vhodnými pro měření meziatomárních sil.

31 Topologie povrchu Excimer laser-treated Polymer blend thin film

32 Pokud se podíváme blíže na běžné měření AFM v kontaktním režimu na vzduchu, pak si uvědomíme, že každý povrch je za běžných podmínek na povrchu silně kontaminován kapalnou vrstvou tvořenou adsorbovanou vodou, uhlíkem a podobně. Typicky je taková vrstva na všech površích za normálních podmínek tlustá několik nanometrů. Pokud tedy nyní přiblížíme hrot k reálnému kontaminovanému povrchu, tak v okamžiku kontaktu hrotu s povrchem kapalné vrstvy kapilární síly začnou působit na hrot (přitahovat ho k povrchu) a vytvoří se meniskus. Případný elektrostatický náboj povrchu vzorku může ještě přidat dodatečné silové působení na hrot. Tyto přídavné přitažlivé síly mohou zkreslit měřená data a nebo společně s laterálními silami vznikajícími při pohybu měřeným vzorkem posouvat částmi povrchu. Pro některé vzorky může být řešení měření AFM provádět přímo v kapalině, kdy je celková síla působící mezi měřeným povrchem a hrotem menší. Nicméně to přináší další problémy.

33 AFM kontaktní mód Limit vertikálního rozlišení pro tupý hrot R = r

34 AFM kontaktní mód Limit vertikálního rozlišení pro ostrý hrot

35 AFM kontaktní mód Limit horizontálního rozlišení d

36 AFM grafit

37 Bezdotykové měření je vibrační technika, při níž je vzdálenost mezi hrotem a vzorkem udržována v strmé části vzestupné závislosti van der Waalsových sil (mají velikost řádově N, desítky až stovky nm). Výhodou této metody je měření bez mechanického kontaktu, což umožňuje měřit i měkké a elastické vzorky a zabraňuje možnému znečištění. Protože je v této metodě hrot ke vzorku přitahován, musí být dostatečně tuhý, aby nedošlo k přiskočení ke vzorku a jejich poškození. Zároveň však na něj v této vzdálenosti působí malé síly a je tedy ohnutí velmi malé, tudíž i měřicí signál je velmi malý. Z tohoto důvodu se často používá střídavého měření. Celý nosník je rozkmitáván blízko své rezonanční frekvence s rozkmitem jednotek nm a může být měřena změna rezonanční frekvence při přiblížení k povrchu. Obě metody se výrazně liší v případech, kdy je zkoumaný povrch částečně pokryt zkondenzovanou vodou. Bezdotyková metoda bude snímat reliéf odpovídající povrchu vodní kapky, ale dotyková metoda bude sledovat povrch vzorku (samozřejmě se zde může nepříznivě projevit vliv kapilarity).

38 Matematický popis Hooke s force, k the cantilever spring constant md2z/dt2 = -kz (mω0/q)dz/dt + Fts + Fd cosωt Energy dissipation term (mainly due to the friction of the cantilever beam in air), Q cantilever quality factor The driving (d) piezoelement term Fts- the force between the tip and the sample. It is this force that determines the cantilever dynamics and phase contrast ω0 = k/m Resonance frequency of free (undamped, i.e. Q= ) cantilever Q - quality factor describing the number of oscillation cycles after which the damped oscillation amplitude decays to 1/e of the initial amplitude with no external excitation (Fd=0)

39 Amplituda a fáze volných kmitů Řešení bez vzorku : Fts= 0 Na nosníku hrotu je umístění piezo element a amplitudou kmitů A d o frekvenci ω. Obecné řešení diferencální rovnice je lineární kombinací dvou režimů: Steady-state (ss): zss(t) = Asscos(ωt+φss) (konstantní amplituda) Transient (t): zt(t) = Atexp(-ω0t/2Q)*sin(ω0t+φt) (tlumené kmity) Q - jakostní faktor, počet oscilací po kterých se aplituda sníží na 1/e z původní amplitudy bez vnější síly (Fd=0).

40 1 Q = 25 1/e x = ω/ω x (exp(-0,04x)) cos(6,28x) 50

41 Amplituda a fáze volných kmitů ω0 * = ω0 1-1/(2Q2 ) Známý vztah pro steady state solution zss(t) amplitudy a fáze kmitů v závislosti na frekvenci vnější budící síly : Ass = Q Ad /[x2+q2(1-x2)2]1/2 φss = arctan [x/q(1-x2)] Ass Δω/ω0 = 1/Q x = ω/ω0 x = ω/ω0 Tlumení dz/dt způsobuje posun frekvence oscilací z ω 0 na ω 0* v závislosti na Q. Největší změna amplitudy a fáze je v úzké oblasti frekvencí Δω/ω0 = 1/Q kolem ω0* Poznámka! Rezonanční frekvence oscilací na pevném a volném konci se liší právě o 90 о π φ ss π/2 0 x = ω/ω0

42 Amplituda a fáze v přitažlivém poli Rezonanční pík volné oscilace Rezonanční pík v přitažlivém poli k* = k +<dfattr/dz>, k* < k, fattr < f0 Rezonanční frekvence se posouvá doleva. Fáze roste.

43 Amplituda a fáze v odpudivém poli Rezonanční pík v odpudivém poli Rezonanční pík volné oscilace k* = k +<dfattr/dz>, k* > k, frep > f0 Rezonanční frekvence se posouvá doleva, amplituda klesá. Fáze klesá.

44 K čemu to je dobré? Výška Fáze Poly(cyclohexylmethacrylate-co-methylmethacrylate-b-isooctylacrylate-bcyclohexylmethacrylate-co-methylmethacrylate) Kuličky v matici (φ = 17±2nm, d = 38±2nm)

45 Poklepové (Tapping) měření je velmi podobný předchozím, jen rozkmit - cca 20nm ve volném prostoru, je tak velký, že dochází k dotyku hrotu s povrchem Povrch je zde opět mapován ze změny rezonanční frekvence (50kHz 500kHz). Tato modifikace je výhodnější než dotyková v případech, kde by hrozilo poškození povrchu třením nebo tažením a je rovněž vhodnější než bezdotyková, je-li nutno snímat větší plochy zahrnující větší rozpětí v ose z.

46 Tapping režim lze používat i při měření v kapalinách, jen je obvykle redukována frekvence oscilací. Tapping režim měření je zvláště vhodný pro měkké a křehké vzorky jako jsou polymery, nevytvrzený fotorezist, DNA. Mimo jiné při frekvencích kontaktů od 50kHz do 500kHz vykazuje mnoho materiálů vizkoelastické chování, tedy jejich poškození se tím dále minimalizuje.

47 Příklad - Epitaxial Si film Kontaktní mod 1 μm scans Tapping mod

48

49 Fáze a Tapping mod Fáze je úměrná Vizkoelastickým vlastnostem Frikci Adhezi atd.

50 Fáze má lepší kontrast

51 Měření frikčního koeficientu pomocí AFM Pokud v kontaktním režimu s vzorkem posouváme ve směru kolmém na delší osu pružného elementu s hrotem, viz obrázek. Pak pomocí čtyř zónového detektoru výchylky laseru můžeme měřit torzní natočení hrotu a tím určit lokální frikční koeficient jako signál z oblastí (A+C) (B+D), vyhodnocení frikčního koeficientu je zřejmé, větší natočení, silnější signál vyšší tření. Pro úplnost můžeme zároveň určit i topologii povrchu jako výsledek (A+B) (C+D) operací s intenzitou signálu.

52 Frikční koeficient Měření provádíme v režimu konstantní síly.

53 Nano-kompozit PEO-CNT LF H 5 um PEO lamellae H topografie LF laterální síly

54 Chemické mapy pomocí AFM Můžeme ale změřit i síly chemické vazby působící mezi reaktanty? Pokud se nám podaří nějakým pevných (chemickou vazbou) připojit na měřici hrot molekuly obsahující jeden z reaktantů a na povrchu vzorku máme distribuován druhý reaktant, pak lze měřit chemickou interakci mezi reaktanty jako sílu působící na hrot AFM.

55 Funkcionalizovaný hrot Patrick Boisseau, Philippe Houdy, Marcel Lahmani, Nanoscience: Nanobiotechnology and Nanobiology, Springer, 2009

56 Magnetické vlastnosti Stejně jako u chemické mapy postupu lze snadno použít magnetický hrot a měřit mapu magnetický vlastností na povrchu vzorku.

57

58 Další možnosti AFM Force Modulation Microscopy (FMM) Nanoindenting/Scratching Magnetic Force Microscopy (MFM) Lze provádět i AFM manipulace a nanolitografii

59 SEM - AFM Fe:SnO2 sloupečky SEM a AFM

60 Scanning near-field optical microscopy - SNOM Optická skenovací mikroskopie v blízkém poli, je mikroskopická technika pro pozorovaní v oblasti nanočástic, která překonává rozlišovací limit pomocí vlastností tlumených vln. Základem této techniky je umístění detektoru velmi blízko k povrchu vzorku, pro představu méně než je vlnová délka světla. Používá se v optické mikroskopii, pro její schopnost zvýšit kontrast nanočástic, může být snadno použita studiu různých vlastností látek, Kormunda jako je index lomu, Martin chemická struktura a mechanická deformace.

61 Zařízení se skládá například z optického vlákna leptaného do špičky, které je u této špičky pokoveno. Vláknem prochází modulované elektromagnetické záření (laser), které dopadá na vzorek ve vzdálenosti menší než je jeho vlnová délka, tzv. oblast blízkého pole. V tomto poli nedochází k výraznému odchylování fotonů ze směru kolmém na vzorek, a proto je interpretace výsledků snadnější. Světlo se vzorkem interaguje a to, které se odrazí nebo rozptýlí je detekováno fotonásobiči a převedeno na elektrický signál, a pak na monitor. SNOM je vlastně spojení optické mikroskopie s mikroskopií se skenující sondou (SPM). Tím dochází k lepšímu rozlišení než u klasické mikroskopie.

62 SNOM

63 SNOM Evanescentní vlna, je uspořádání elektromagnetické vlny na rozhraní při totální reflexi v prostředí opticky řidším. V tomto prostředí exponenciálně ubývá její amplitudy. Je ukázáno, že hloubka vniku dp evanescentního pole do opticky řidšího prostředí při totální reflexi je vyjádřena vztahem: λ dp = [4π (n 1 Kde: 2 sin Θ n2 2 ) 2 1/ 2 λ - vlnová délka n1 index lomu jádra n2 index lomu obalu Θ úhel dopadu Evanescentní vlny - nepropagativní vlny vyznačující se exponenciálním poklesem ve směru kolmém k rozhraní. ]

64 SNOM metody Existuje mnoho metod nejběžnější jsou A transmisní mod osvětlení B transitní mod sběru signálu C netransparentní vzorky na odraz

65 SNOM hrot Dutý hliníkový hrot průměr apertury 100 nm. SNOM je obvykle částí AFM

66 (Laserový) Konfokální mikroskop Patentovaný Marvin Minsky 1957 neměl ale vhodný zdroj světla Srovnání A: nekonfokální mikroskop B: konfokální mikroskop

67 Výhody a nevýhody + Potlačení mlhavého pozadí obrazu + Optická tomografie (3D rekonstrukce) + Překročení Reyleighova critéria - Statistický šum

68 Princip U optické mikroskopie je kvalita zobrazení nepříznivě ovlivňována překrýváním obrazu roviny do níž je mikroskop zaostřený, s neostrými obrazy rovin pod ní a nad ní. To zde není díky cloně. Clona má průměr rovnající se právě rozlišovací schopnosti objektivu. Informace o intenzitě světla se měří fotodetektorem. Signál z detektoru je odeslán do počítače, který zároveň dostává informaci o souřadnicích snímaného bodu. Tímto způsobem je bod po bodu proskenován celý objekt v různých optických rovinách. Toto skenování je automatizováno a ovládáno řídícím počítačem. Z nashromážděných informací počítač sestaví celkový obraz.

69 Princip čárkovaně: paprsky jdoucí z mimoohniskových rovin, zachycené clonou.

70 Rastrování rozmítáním laserového paprsku příčným posouváním vzorku před objektivem posouváním objektivu nad vzorkem Počítačové zpracování:

71

72 Popis celého systému

73 Počítačové zpracování Rastrovací algoritmizace Prostorová rekonstrukce Tvorba stereoskopických párů Fluorescence v reálných barvách pomocí tří fotonásobičů (RGB)

74 Vytvořený 3D model

75 Software for free

76 Roberto Lazzaroni, Principles of Atomic Force Microscopy, LAMINATE short course on Scanning Probes Microscopies, Mons, Sept Veeco Olympus

77 1. (a) What are the sample requirements for a STM experiment? (b) What property of the sample is measured in a STM experiment?