Jak měřit NANO Nástroje pro měření a vyhodnocování nanostruktur

Transkript

1 Roman Kubínek Jak měřit NANO Nástroje pro měření a vyhodnocování nanostruktur Projedeme li se nanotechnologickou laboratoří, nalezneme celou řadu přístrojů, které slouží k detailnímu popisu, zpravidla unikátních vlastností, nanostruktur. Nedílné místo mezi nimi zaujímají metody, které vyhodnocují jejich velikost, tedy mikroskopické techniky. Při obvyklých rozměrech ve světě nano do 100 nm alespoň v jednom rozměru však světelná mikroskopie nemá šanci, protože minimální rozlišovací mez je ovlivněna difrakčním limitem světla, který ji omezuje přibližně na polovinu vlnové délky. Proto se pro studium velikosti a morfologie nanočástic používají elektronové mikroskopy a mikroskopické techniky se skenující sondou. Před vlastním základním popisem možností těchto moderních mikroskopických metod si ale uveeme velmi stručně metody, které o velikosti rovněž něco napovídají. KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI Obsah 1. Nemikroskopické metody ke stanovení velikosti nanostruktur 2 2. Elektronová mikroskopie Krátký pohled do historie Transmisní elektronový mikroskop (TEM) Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) Elektronová mikroanalýza Mikroskopie skenující sondou Skenovací tunelovací mikroskopie Mikroskopie atomárních sil Kontakní režim AFM Nekontaktní režim AFM Poklepový režim (tapping mod) Odvozené mikroskopické techniky se skenující sondou Raménka a hroty pro AFM Vybrané aplikace mikroskopu atomárních sil Závěr Doporučená literatura 29 verze z 13. prosince 2010 volně šířitelný text Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky (CZ.1.07/2.2.00/ ).

2 1. Nemikroskopické metody ke stanovení velikosti nanostruktur Dynamický rozptyl světla (DLS) Zařízení pro stanovení distribuce nanočástic metodou dynamického rozptylu světla (obr. 1) měří spojitě intenzitu rozptýleného laserového záření. Rozptyl je důsledkem interakce laserového záření s nanočásticí a změny intenzity závisí na pohyblivosti částic a tedy jejich velikosti. Měřicí rozsah metody je od 1 nm do 6 µm, měří se v kapalném prostředí o známém komplexním indexu lomu a viskozitě. Používá se svazek laseru o dané vlnové délce.... Obrázek 1: DLS 90Plus (Brookhaven Instruments Co.). Měření aktivního povrchu částic (BET) Vlastností povrchů všech pevných látek je tendence přitahovat molekuly okolních plynů, se kterými přichází do kontaktu. Sledováním a řízením tohoto procesu, zvaného adsorpce plynu, lze získat mnoho užitečných informací a charakteristik pevné látky. Uvede-li se tedy za vhodných podmínek, v uzavřeném sledovaném objemu, plyn do styku s tuhou látkou, tlak plynu se zmenší a na povrchu tuhé látky dochází k zhuštění plynu. O molekule plynu, která přilne k povrchu adsorbentu (vzorku) se říká, že je adsorbována. Desorpce je opačný proces odebírání molekul plynu z povrchu. Termín sorpce plynu zahrnuje oba procesy, adsorpci i desorpci. Adsorpce plynů poskytuje velmi důležité informace, jakými jsou například specifická plocha povrchu (plocha vzorku vztažená na jeho hmotnost) v jednotkách m²g 1 a porozita (vnější póry v povrchu vzorku), respektive distribuce šířek pórů a jejich objem. Plocha povrchu vzorku zahrnuje plochu vnějšího a vnitřního povrchu externě přístupných pórů (pro molekuly použitého plynu s ohledem na jejich rozměr). Jestliže je zřejmé, jakou plochu zaujme molekula plynu za daných podmínek v adsorbovaném stavu, a zjistí-li se množství plynu adsorbovaného na známém množství zkoumaného vzorku, lze vypočítat jeho specifický povrch, který není možné u jemně pórovitých látek zjistit jiným způsobem. Využitím tohoto jevu lze vytvořit experimentální křivku, adsorpční izotermu, udávající závislost objemu adsorbovaného plynu na jeho rovnovážném tlaku při konstantní teplotě. Zařízení na obr. 2 využívá adsorbující plyn dusík nebo krypton. Měří specifickou plochu v rozsahu od 0,2 m²/g do 0,005 m²/g (krypton) a objem pórů od 0,0001 cm³/g. Minimální poloměr pórů je dán velikostí molekul použitého plynu u N₂ je to 0,35 nm.... Obrázek 2: BET Sorptomatic 1990 ( ermofinnigan). Rentgenová prášková difrakce (XRD) Analýzou difraktovaného rentgenového záření (Cu Kα) můžeme stanovit některé strukturní charakteristiky. Vzniklý difraktogram svým geometrickým rozložením difrakčních maxim a minim přímo souvisí s prostorovým uspořádáním hmotných částic. Jelikož každá chemická látka má své specifické uspořádání částic, má i svůj specifický difrakční záznam a lze ji dle něj identifikovat. XRD je nenahraditelná při identifikaci polymorfních modifikací oxidů železa (α, β, γ a ε). Využívá se ke kvalitativní a kvantitativní analýze a jejím užitím lze navíc získat informaci o velikosti zkoumaných částic. 2

3 ... Obrázek 3: Přístroj XRD-7 (Seifert) a difrakční záznam nanopráškového materiálu. Jak již však bylo uvedeno, výsadní postavení při stanovení velikosti a morfologie mají metody elektronové mikroskopie a mikroskopie skenující sondou 2. Elektronová mikroskopie Elektronový mikroskop (EM), stejně jako každý mikroskop, slouží k pozorování a zvětšování velmi malých a blízkých předmětů. EM ovšem, narozdíl od SM, využívá k zobrazování předmětů proud elektronů. Vlnová délka de Broglieho vlny elektronu je mnohem menší než vlnová délka světla. Proto je i rozlišovací mez EM až menší než rozlišovací mez SM. V současnosti existuje několik typů elektronových mikroskopů. Základními typy EM jsou: Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop (TEM), v němž je předmět zobrazován prostřednictvím svazku elektronů, které jím procházejí. Skenovací (rastrovací) elektronový mikroskop (SEM, v některé literatuře i REM). SEM se používá především k zobrazení povrchu předmětu. Povrch předmětu je v něm zobrazován postupně, bod po bodu, prostřednictvím úzkého svazku elektronů, které interagují se vzorkem a uvolňují další signály, podílející se na tvorbě obrazu nebo nesou informaci o složení vzorku. Výsledný obraz vzniká složením obrazů jednotlivých bodů předmětu Krátký pohled do historie První konstrukci elektronového mikroskopu nutně předcházela řada dílčích objevů, jejichž závěry byly využity při sestavení tohoto přístroje. První důležitý krok učinil anglický fyzik J. J. THOMPSON, který v r prokázal, že katodové paprsky jsou proudem rychle letících záporně elektricky nabitých částic, které byly později nazvány elektrony. Další důležitý poznatek uveřejnil v r LOUIS DE BROGLIE. Vyslovil totiž hypotézu, že volně se pohybující částici lze přiřadit vlnovou délku. O dva roky později toto potvrdily pokusy, které nezávisle na sobě provedli DAVISSON s GERMEREM a THOMPSON s REIDEM. Při těchto pokusech byla totiž pozorována difrakce elektronů. Důležitou roli na cestě k elektronovému mikroskopu sehrály také práce H. BUSCHE, uveřejněné v roce 1926, které se zabývaly analogií mezi vychylováním paprsku elektronů pomocí magnetických polí solenoidů (cívek) a světla pomocí skleněné čočky. Především díky těmto pokusům se zrodila v r na Vysoké škole technické v Berlíně myšlenka o možnosti zkonstruovat transmisní elektronový mikroskop. O dva roky později byl také na téže škole v kolektivu, který vedli MAX KNOLL a ERNST RUSKA, zkonstruován první transmisní elektronový mikroskop. A již v roce 1932 se objevily první fotografie, které byly tímto přístrojem pořízeny. V roce 1986 získal Ruska za tento objev Nobelovu cenu. První komerčně vyráběné transmisní elektronové mikroskopy se objevily v roce Tyto přístroje měly rozlišovací mez okolo 10 nm. Skenovací elektronový mikroskop jako první sestrojil v roce 1942 tým vedený americkým vědcem VLADIMIREM ZWORIKYNEM. Jeho komerční výroba byla ovšem započata až v r Od doby prvních elektronových mikroskopů se jejich konstrukce značně zdokonalila. Elektronové mikroskopy jsou v současné době nepostradatelnou součástí každé moderní materiálové a biologické laboratoře. Používají se v mnoha různých technických, lékařských a přírodovědných odvětvích a přispěly k mnoha významným objevům. Díky elektronovým mikroskopům se dají s vysokou rozlišovací schopností studovat např. jednotlivé části buněk i pochody, které v nich probíhají, povrch a struktura krystalů řady materiálů, nanokompozity a nanočástice atd. 3

4 2.2. Transmisní elektronový mikroskop (TEM) Stavba transmisního elektronového mikroskopu je principielně stejná jako stavba světelného mikroskopu. I jednotlivé prvky TEM pracují analogicky jako prvky SM. Základním rozdílem ovšem je, že zobrazovacím vlněním není světlo, ale proud urychlených elektronů. A tomuto rozdílu je vše uzpůsobeno. Zdrojem zobrazujícího vlnění je tzv. elektronová tryska. Zobrazovacím prostředím je vakuum, protože ve vzduchu by docházelo k pohlcování elektronů. K úpravě chodu elektronového svazku se používají tzv. elektromagnetické čočky, což jsou prakticky různé typy cívek. Výsledný obraz nelze pozorovat přímo okem, ale např. prostřednictvím fluorescenčního stínítka či obrazovky, díky nimž lze proud dopadajících elektronů zviditelnit. Pro záznam obrazu se kromě tradičního fotomateriálu dnes využívá speciálních CCD kamer. Vlnová povaha elektronů Na počátku 20. století bylo zjištěno, že elektromagnetické záření má nejen vlnovou, ale i částicovou povahu (proud fotonů). Otázkou tedy bylo, jestli naopak i ty objekty, které do té doby byly považovány za částice, nemají i vlnové vlastnosti. V roce 1925 přišel LOUIS DE BROGLIE s hypotézou, že proud částic lze považovat za vlnění o vlnové délce λ, pro kterou platí λ = h mv, (1) kde h = 6, Js je Planckova konstanta a v je rychlost elektronů. Každou nabitou částici, tedy i elektron, lze urychlit pomocí elektrického pole a tím i zmenšit její vlnovou délku. Ze zákona zachování energie lze pro libovolnou částici o náboji q odvodit vztah λ = h 2meU. (2) Pro elektron tedy platí λ = 1,226 U [nm], (3) kde U je velikost urychlujícího napětí a m = 9, kg je klidová hmotnost elektronu. Je-li urychlovací napětí větší než 100 kv, překročí již velikost rychlosti elektronu hodnotu 0,5c. A proto je nutné v uvedeném vztahu počítat se závěry teorie relativity. Obvykle užívaná hodnota urychlovacího napětí v transmisním elektronovém mikroskopu je přibližně 100 kv. Pro tuto hodnotu urychlovacího napětí je vlnová délka elektronu λ = 0,003 7 nm, což je o 5 řádů méně ve srovnání s vlnovou délkou světla. Srovnáním rozlišovací meze TEM a SM zjistíme, že TEM přinese o 5 řádů podrobnější informace o struktuře vzorku než SM. Ovšem důsledkem vad zobrazení je maximální rozlišovací mez TEM jen asi o 3 řády menší než maximální rozlišovací mez SM (tzn. d min 0,2 nm). Maximální užitečné zvětšení TEM je tedy kolem 10⁶. Speciálními typy TEM lze dosáhnout i menší rozlišovací meze až 0,1 nm. Emise elektronů Každý elektron je v atomu vázán jistou výstupní energií E v. Abychom tento elektron z vazby uvolnili, musíme mu dodat energii, která je větší než E v v. To lze zrealizovat mnoha různými postupy. V elektronové mikroskopii našly své uplatnění především tyto: sekundární emise: studené kovové vlákno bombardujeme urychlenými ionty, které nárazem uvolňují elektrony z povrchu katody. Tento postup se aplikoval u prvních typů TEM, ale dnes se již prakticky nevyužívá. termoemise: zahříváme-li katodu, zvyšujeme její vnitřní energii. Překročí-li teplota katody jistou mezní teplotu, dochází k uvolňování elektronů z jejího povrchu. Tento postup je nejužívanější. autoemise: proti studenému kovovému vláknu odleptanému do hrotu umístíme elektrodu s vysokým kladným napětím. V okolí hrotu vzniká velmi silné elektrické pole, které je schopno vytrhávat velké množství elektronů z povrchu hrotu. Nevýhodou tohoto postupu je potřeba vysokého vakua (10 6 až 10 7 Pa). 4

5 Zdroj elektronů Zdroj elektronů v elektronovém mikroskopu nazýváme elektronová tryska (popř. elektronové dělo). Elektrony jsou emitovány z katody, kterou zpravidla prochází elektrický proud. Tím dochází k jejímu zahřátí a následné termoemisi elektronů z jejího povrchu. Pravděpodobnost úniku elektronů může být ještě zvýšena vytvarováním katody do tvaru písmene V, což usnadní uvolnění elektronů v místě ohybu. Katoda bývá nejčastěji vyrobena z wolframu, protože má nízkou výstupní energii valenčních elektronů (E v = 4,5 ev) a vysoký bod tání (T t = K) a protože pro svůj provoz nevyžaduje vysokou hodnotu vakua. Životnost vlákna katody je nepřímo úměrná teplotě, na kterou bývá vlákno obvykle žhaveno. Vlákno wolframové katody má provozní teplotu přibližně K. Jeho životnost je pak asi 40 hodin (obr. 4a)... Obrázek 4: Používané typy katod. V novějších typech výkonných elektronových mikroskopů se využívá místo wolframové katody katoda z LaB₆ (hexaborid lanthanu). Tento typ katody má asi 10 větší emisi elektronů než wolframová katoda, vyžaduje ovšem mnohem větší hodnotu vakua (minimálně 10 4 Pa). Tato katoda má provozní teplotu cca 1800 K a vydrží asi 250 hodin (obr. 4b). V nejvýkonnějších elektronových mikroskopech bývá zdrojem elektronů autoemisní katoda (FEG), která vydrží až několik let (obr. 4c). Dnes jsou na zdroje elektronů kladeny požadavky, jako je malá velikost zdroje, nízké rozpětí emisní energie elektronů, vysoká intenzita elektronového paprsku na prostorový úhel (A/cm² sr), nízký šum a dlouhodobá stabilita, při jednoduchém ovládání a nízkých nákladech na provoz. Schottkyho katoda (obr. 4d) a studené emisní zdroje vynikají, ve srovnání s termoemisními zdroji, malou velikostí, intenzitou a životností. Jsou mnohem menší a mají 100 krát vyšší intenzitu, než termoemisní zdroje. Elektronovou trysku tvoří katoda, která je obklopena tzv. Wehneltovým válcem, který má proti špičce vlákna katody otvor. Za válcem je umístěna anoda s otvorem uprostřed, která je uzemněna. Wehneltův válec vytváří v okolí vlákna katody elektrické pole, které způsobuje, že se svazek elektronů emitovaných z katody zužuje tak, že těsně před otvorem v anodě vytváří křižiště, tj. nejužší místo svazku. Toto místo lze pak považovat za bodový zdroj urychlených elektronů. Dráha, rychlost a šířka svazku elektronů je poté ještě upravena systémem clonek a čoček, které společně s elektronovou tryskou vytvářejí osvětlovací soustavu elektronového mikroskopu. Pohyb elektronů v magnetickém poli Na náboj elektronu, který se pohybuje v magnetickém poli, působí síla, jejíž velikost a směr lze určit ze vztahu F = e( v B). (4) Jestliže elektron vlétne do homogenního magnetického pole ve směru kolmém k magnetické indukci pole, pak magnetická síla působící na elektron zakřivuje trajektorii elektronu a ten se začne pohybovat po kružnici. Vlétne-li elektron do magnetického pole pod určitým úhlem, rozloží se vektor rychlosti na složku normálovou a tečnou. Výsledným pohybem pak bude šroubovice, která má v průmětu tvar kružnice o poloměru r = m ev Be, (5) kde m e je hmotnost elektronu (obr. 5). Elektromagnetická čočka Působení magnetického pole na tvar trajektorie letícího elektronu lze využít k sestrojení tzv. elektromagnetické čočky, která funguje přibližně stejně jako skleněná čočka v případě 5

6 ... Obrázek 5: Trajektorie elektronu v homogenním magnetickém poli. světla. Nejjednodušší elektromagnetická čočka je podobná solenoidu. Solenoid je cívka s velkým počtem závitů, jejichž průměr je mnohem menší než délka cívky. Uvnitř solenoidu vzniká téměř homogenní magnetické pole (obr. 6).... Obrázek 6: Schematické znázornění elektromagnetické čočky a jejího magnetického pole s vyznačením aberací. Trajektorie elektronu, který vlétne do magnetického pole elektromagnetické čočky, má tvar prostorové spirály. Trajektorie všech elektronů, které procházejí stejným bodem na ose čočky, jsou magnetickým polem čočky ovlivněny tak, že se za čočkou opět protínají ve stejném bodě na ose čočky. Čím větší je proud procházející čočkou, tím větší je magnetická indukce pole v dutině čočky, a tím menší je ohnisková vzdálenost čočky. Pro vyjádření ohniskové vzdálenosti platí vztah 1 f = e 8mU z2 z 1 B 2 z0(z) dz, (6) kde B z0 je magnetická indukce v místě z na ose čočky. Magnetické pole uvnitř reálné elektromagnetické čočky není přesně homogenní. To vede k mnoha vadám, které jsou svou podstatou totožné s vadami optických čoček. Tyto vady negativně ovlivňují obraz vytvořený čočkou, především jeho kontrast, hloubku ostrosti a rozlišovací mez. Zobrazení elektronovým mikroskopem Již bylo zmíněno, že stavba transmisního elektronového mikroskopu je podobná stavbě světelného mikroskopu. Tedy i zobrazení předmětu pomocí TEM probíhá analogicky. Základními stavebními prvky zobrazovací soustavy TEM jsou kondenzor (odpovídá osvětlovací soustavě SM), objektiv a projektiv. Kondenzor fokusuje elektronové paprsky na preparát (promítá křižiště elektronové trysky na preparát a zajišťuje jeho homogenní a intenzivní ozáření). Objektiv je určen k tvorbě obrazu a má faktor zvětšení zhruba 100. Zpravidla je tvořen jednou elektromagnetickou čočkou, zatímco projektiv tvoří až čtyři elektromagnetické čočky. Jeho úkolem je promítnout obraz na stínítko. Součástí zobrazovací soustavy TEM je i systém clonek, které omezují průměr zobrazujícího svazku elektronů. Zobrazovaný předmět je v TEM umístěn v těsné blízkosti objektivu. Objektiv tedy stejně jako v SM vytváří základní obraz předmětu. Objektiv je rovněž nejvýkonnější čočkou mikroskopu a má také nejkratší ohniskovou vzdálenost. Aby se dosáhlo požadované magnetické indukce, má cívka objektivu velký počet závitů, kterými protéká značný proud. Obraz vytvořený objektivem je dále zobrazen čočkami, které tvoří projektiv. Proud procházející čočkami projektivu lze regulovat a tím i měnit výsledné zvětšení elektronového mikroskopu. Maximální zvětšení užívané v elektronovém mikroskopu je 10⁶, což odpovídá velikosti užitečného zvětšení TEM. Příprava vzorků pro TEM Vrstvou o tloušťce 100 nm (biologický preparát o ρ = 10 3 kg.m 3 ) prochází při urychlovacím napětí 50 kv přibližně 50 % elektronů, z čehož vyplývá, že je nutné preparáty pro TEM speciálně připravit. Pro studium povrchů se provádí otisky (repliky) povrchu, pro biologické preparáty se připravují ultratenké řezy s využitím krájecích zařízení, která se nazývají ultramikrotomy. 6

7 Ultratenké řezy tkání nebo repliky se umísťují na tenkou, pro elektrony transparentní plastickou nebo uhlíkovou fólii. Ta se potom položí na měděnou síťku o průměru 3 mm s různou velikostí zpravidla čtvercových otvorů (obr. 7). Uhlíková fólie se používá rovněž pro pozorování nanostruktur. Zpravidla je opatřena otvory ( holey carbon ), aby pozorovaná nanostruktura nebyla ovlivněna strukturou uhlíkové vrstvy (obr. 8).... Obrázek 7: Podložní síťka pro preparáty v TEM.... Obrázek 8: Grafenový plát položený na perforované uhlíkové podložní vrstvě. Velikost vzorku lze odečíst pomocí srovnávacího měřítka (zde 1 µm). Síťka se následně vloží do držáku, který je umístěn ve středu objektivu. Držák musí zajistit přesnou a reprodukovatelnou polohu v osách x, y a z a musí zajišťovat snadnou výměnu vzorku. Pozorování a záznam obrazu vytvořeného elektronovým mikroskopem Svazek urychlených elektronů, který nese informaci o zobrazovaném předmětu, nelze přímo vidět okem jako ve světelném mikroskopu. Abychom viděli obraz vytvořený elektronovým mikroskopem, je nutné převést tyto informace do viditelné podoby. K pozorování obrazu se používá stínítko pokryté luminoforem (nejčastěji ZnS), které bývá umístěno na dně tubusu TEM. Luminofor je látka, která je schopna v závislosti na energii a množství dopadajících elektronů emitovat světlo různé intenzity o přibližně stejné vlnové délce. V případě ZnS má vlnová délka vznikajícího světla velikost okolo 550 nm. Na stínítku tedy vzniká obraz z odstínů zelené barvy, který je již možné pozorovat okem. Ve výsledném obrazu tedy nerozeznáme skutečné barvy předmětu. Rozlišení stínítka je omezeno velikostí zrn ZnS, která se pohybuje okolo 50 nm. Kromě velkého stínítka je většina elektronových mikroskopů vybavena ještě malým stínítkem, na kterém je možno detail obrazu ještě zvětšit pomocí binokulárního mikroskopu. Velikost zrn ZnS na malém stínítku se pohybuje kolem 10 nm. V praxi se pořizuje záznam obrazu pozorovaného předmětu na fotografický film nebo v současnosti se obraz zaznamenává v digitální podobě pomocí speciálních CCD kamer. Tzv. slow-scan CCD kamery (SSC) používané v TEM pracují obdobně jako klasické CCD kamery používané v SM. Rozdílem je pouze to, že detektor SSC kamery je schopen zaznamenávat intenzitu a energii zobrazujícího svazku elektronů. Vakuový systém Vnitřní prostor mikroskopu, ve kterém se pohybují elektrony musí být vakuovaný. Základní důvody tohoto požadavku jsou tyto: 1. Dosah elektronového svazku ve vzduchu je maximálně 1 m. 2. Elektronová tryska musí být izolována vakuem, protože vzduch není dostatečně dobrým izolantem. Vzniká nebezpečí ionizace vzduchu a následného elektrického výboje mezi katodou a anodou trysky. 3. Vzduch obsahuje molekuly O₂, N₂, CO₂ a hydrokarbonáty, které způsobují kontaminaci tubusu i pozorovaného předmětu (vzorku). 7

8 Na dosažení pracovního vakua (minimálně 10 3 až 10 5 Pa) musí být mikroskop vybaven dostatečně výkonnými vývěvami mnoha různých typů. Používají se především rotační, difúzní a iontové vývěvy. Kvalitu vakua sleduje několik měrek a celý proces čerpání vzduchu je řízen automaticky. Základní pracovní režimy TEM Podobně jako ve světelném mikroskopu, můžeme i v TEM pracovat ve světlém a tmavém poli (obr. 9). Můžeme však analytické možnosti tohoto přístroje zvýšit použitím elektronové difrakce a můžeme analyzovat i složení vzorku s využitím rentgenového záření, které z látky vystupuje po interakci s primárními elektrony.... Obrázek 9: Obraz světlého a tmavého pole krystalů MnO. V režimu světlého pole se na tvorbě obrazu podílí paprsky přímo procházející preparátem, boční difrakční maxima jsou zachycena aperturní clonou. Vysunutím aperturní clony excentricky mimo osu, necháme procházet preparátem pouze paprsky 1. difrakčního maxima. Tím realizujeme zobrazení v tmavém poli. Můžeme tak zvýšit kontrast pozorovaných detailů. TEM můžeme použít jako difraktograf, který slouží pro identifikaci krystalů a stanovení orientace krystalových rovin v krystalickém materiálu. Difrakční obrazec vzniká v obrazové ohniskové rovině objektivu (podobnost se SM) a projektiv je pro sledování obrazu zaostřen na rovinu obrazu vytvořeného objektivem. Pro studium difraktogramů je nutné přeostřit projektiv na obrazovou ohniskovou rovinu. Každý bod reprezentuje svazek odchýlených elektronů. Pro grafenový list, jehož atomy uhlíku jsou pospojovány v pravidelných hexagonálních útvarech, dostáváme odpovídající difrakční obrazec (obr. 10).... Obrázek 10: Difrakční záznam grafenového listu. Transmisní elektronové mikroskopy s urychlovacím napětím vyšším než 200 kv můžeme považovat za mikroskopy s atomárním rozlišením (HRTEM High Resolution TEM). Ty jsou pro nanotechnologickou laboratoř velmi důležité, pokud chceme studovat krystalické vlastnosti nanostruktur. Na obr. 11 jsou patrné atomární roviny v nanočástici oxidu železitého (obr. 11a) a uspořádání atomů ve stěnách uhlíkové nanotrubičky (obr. 11b) Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) Skenovací elektronový mikroskop je přístroj určený k pozorování povrchů nejrůznějších objektů. Povrch předmětu je tu ovšem skenován (tzn. zobrazován postupně bod po bodu, řádek za řádkem) primárním elektronovým paprskem. Výsledný obraz vzniká složením obrazů jednotlivých bodů předmětu prostřednictvím sekundárních nebo odražených elektronů, které vznikají interakcí primárního elektronového svazku se vzorkem. Velkou předností tohoto režimu je velká hloubka ostrosti obrazu. Další předností těchto mikroskopů je, že v komoře preparátu bývají umístěny detektory mnoha dalších signálů (např. rentgenového záření, Augerových elektronů, katodoluminiscence), které přináší další informace o vzorku. 8

9 ... Obrázek 11: Rozlišení na atomární úrovni. Konstrukce skenovacího elektronového mikroskopu Skenovací elektronový mikroskop se svou stavbou výrazně liší od transmisního. Je to dáno tím, že u SEM se detekují signály, které primární svazek elektronů uvolnil nad povrch preparátu. Proto není třeba soustavy čoček, které u TEM tvoří zobrazovací systém. Místo toho je SEM vybaven detektory sekundárních a odražených elektronů (případně dalších signálů) a elektronikou na zesílení a zpracování signálu a tvorbu obrazu. Zdrojem elektronů, stejně jako u TEM, je elektronová tryska. Primární elektrony, emitované z katody, jsou urychleny napětím mezi katodou a anodou. Otvorem v anodě vlétají do soustavy elektromagnetických čoček. Jejich úloha je co nejvíce zmenšit průměr svazku elektronů, který dopadá na povrch preparátu. Soustava čoček je obvykle tvořena jednou nebo dvěma kondenzorovými čočkami a objektivovou čočkou. Proud procházející objektivem je možné regulovat, a tím měnit šířku procházejícího elektronového svazku. Důležitou součástí elektron-optického systému SEM je tzv. stigmátor, což je soustava (většinou 8) cívek, vytvářejících slabé magnetické pole, umístěná v objektivu. Pomocí stigmátoru se koriguje astigmatismus elektromagnetických čoček. Tato vada čoček hraje při práci se SEM významnou roli a má velký vliv na konečnou kvalitu obrazu. Elektromagnetickými čočkami koncentrovaný paprsek primárních elektronů je před dopadem na povrch preparátů vychylován vychylovacími cívkami tak, že postupně skenuje (rastruje) povrch preparátu. V dolní části tubusu se nachází preparátová komora, která je ve srovnání s TEM velmi rozměrná. V ní je umístěn goniometrický stolek, na který se upevňují pozorované vzorky. Stolek umožňuje se vzorkem pohybovat, otáčet ho i naklánět. Tato manipulace se stolkem bývá v současné době zajišťována pomocí motorků řízených počítačem, aby byla zajištěna reprodukovatelná pozice detailu povrchu. V blízkosti preparátu jsou ještě umístěny detektory jednotlivých signálů (sekundárních, odražených elektronů, rentgenového záření, Augerových elektronů, apod.).... Obrázek 12: Řez tubusem SEM. Interakce elektronového svazku s hmotou Vlastním zdrojem obrazu v elektronovém mikroskopu jsou interakce mezi elektrony ze zdroje (primární elektrony PE) a hmotou zobrazovaného předmětu (preparátu), na nějž elektrony dopadají. Tyto interakce lze zjednodušeně rozdělit do dvou skupin: 1. Pružný (elastický) rozptyl pokud urychlený elektron prolétá elektronovým obalem atomu preparátu, bývá vychýlen pod úhlem, který je tím větší, čím blíže tento elektron míjí jádro, a čím větší je počet protonů jádra tohoto atomu. Tento úhel může přesáhnout i 90 a elektron je pak zpětně odražen. Při tomto ději se energie primárních elektronů nemění. Část elektronů vychýlených preparátem o příliš velký úhel je zachycena objektivovou clonou a tím vyřazena z tvorby obrazu 9

10 preparátu. Odražené elektrony (BSE) se podílejí na tvorbě obrazu v REM a tvoří tzv. materiálový kontrast. 2. Nepružný rozptyl Dochází k němu při srážkách primárních elektronů s elektrony atomu preparátu. Jedná se o srážku dvou částic stejné hmotnosti. Proto při těchto srážkách primární elektrony ztrácejí část své energie, neodchylují se od původního směru, a tudíž se všechny mohou podílet na tvorbě obrazu. Změna energie a rychlosti těchto elektronů přispívá ke změně jejich vlnové délky. Proto jsou tyto elektrony jedním ze zdrojů vad zobrazení. Jejich nepříznivý vliv roste s klesajícím urychlovacím napětím. Při nepružném rozptylu mohou být z atomů preparátu vyraženy tzv. sekundární elektrony (SE), které společně s odraženými elektrony vytvářejí obraz v REM. Realizují tzv. topografický kontrast. Současně se uvolňuje při interakci rentgenové záření (brzdné i charakteristické), Augerovy elektrony, katodoluminiscence, které nesou mnoho dalších informací o preparátu. Tvorba obrazu v skenovacím elektronovém mikroskopu Interakce primárních elektronů se vzorkem přinášejí informace o fyzikálních a chemických vlastnostech zkoumaného objektu. Energie primárních elektronů, daná použitým urychlovacím napětím, ovlivňuje tvar oblasti pod povrchem preparátu, ve které se uvolňují jednotlivé signály (tzv. excitační objem obr. 13). Tato oblast se s klesající hodnotou urychlovacího napětí stává mělčí (menší co do hloubky a větší co do šířky). Zvětšení šířky této oblasti je pak příčinou snížení rozlišovací schopnosti mikroskopu. Na hloubku průniku primárních elektronů do objemu vzorku má dále samozřejmě vliv i složení vzorku. Je-li vzorek tvořený těžšími prvky (s vyšším protonovým číslem), bude produkovat více odražených elektronů než preparát tvořený lehkými prvky a hloubka průniku primárních elektronů bude menší.... Obrázek 13: Excitační objem a signály uvolněné z preparátu po dopadu primárních elektronů. K zobrazení povrchu preparátu se v SEM využívají sekundární nebo odražené elektrony. Sekundární elektrony mají energii přibližně 50 ev a vystupují z hloubky řádově desítek nm. Kopírují tedy povrch a přináší informace o jeho topografii. Odražené elektrony, na rozdíl od nich, vystupují z větší hloubky a reagují citlivě na změnu složení (průměrné protonové číslo v daném místě). Detekce těchto elektronů probíhá různými způsoby. V elektronových mikroskopech je stále používán detekční systém podle konstruktérů EVERHARTA a THORNLEYHO, složený ze scintilátoru a fotonásobiče (obr. 14). Stále více se však používají speciální polovodičové detektory.... Obrázek 14: Everhat- ornleyho detektor (scintilátor fotonásobič). 10

11 Sekundární elektrony jsou nejdříve elektrickým polem odsáty z povrchu vzorku. Poté dopadají na scintilátor, v němž vyvolávají luminiscenci (emisi fotonů). Fotony o nízké intenzitě jsou pak snímány fotonásobičem, který zesiluje jejich intenzitu. Protože sekundární elektrony mají oproti odraženým elektronům mnohem menší energii i rychlost, musejí být ještě před dopadem na scintilátor urychleny napětím přivedeným na scintilátor. Odražené elektrony musejí být tímto napětím naopak bržděny. Detekce obou druhů elektronů probíhá samostatně. Proto si můžeme vybrat, zda chceme měřit v režimu odražených elektronů či v režimu sekundárních elektronů. Díky nízké energii sekundárních elektronů se z nakloněných ploch na povrchu preparátu dostane do detektoru více sekundárních elektronů než z těch, které jsou položeny kolmo k dopadajícímu svazku elektronů. Výsledkem je proto vyšší intenzita signálu přicházejícího z detektoru. Proto je možno v režimu sekundárních elektronů lépe rozpoznat topografii povrchu vzorku. Světlá místa na obrazovce odpovídají větším sklonům či zakřivením.... Obrázek 15: Spory zobrazené v režimu sekundárních elektronů.... Obrázek 16: Odlišení oblasti materiálu na řezu krystalu v režimu zpětně odražených elektronů (BSE). Produkce odražených elektronů závisí především na středním protonovém čísle vzorku. Z toho plyne, že v režimu odražených elektronů se na obrazovce SEM budou jevit místa tvořená těžšími prvky jako světlé oblasti. Naopak oblasti tvořené lehkými prvky se budou jevit jako tmavá místa. Obraz v odražených elektronech je tedy schopen odlišit oblasti s různým prvkovým složením (viz obr. 16). Parametry zobrazení v SEM Obraz vzniká v SEM bod po bodu rastrováním povrchu vzorku. Zvětšení obrazu je proto rovno podílu velikosti L hrany obrazovky a velikosti L ' zobrazovaného povrchu vzorku. Platí tedy vztah Z = L L. (7) Rozsah zvětšení používaných v SEM se pohybuje v rozmezí od 5 až po Maximální hodnota zvětšení SEM je současně rovna velikosti jeho užitečného zvětšení. 11

12 Rozlišovací mez SEM závisí především na průměru stopy fokusovaného elektronového svazku na povrchu preparátu. U nejběžnějších přístrojů s wolframovou přímo žhavenou katodou se rozlišovací mez pohybuje v rozmezí 10 až 15 nm. V novějších typech výkonných SEM se používají autoemisní elektronové trysky, které mají mnohem menší průměr katody. Tyto typy SEM pak umožňují dosáhnout rozlišovací meze menší než 5 nm. Rozlišovací mez SEM je (stejně jako v TEM) dále ovlivněna mnoha vadami zobrazení (chromatická vada, otvorová vada, astigmatismus, aj.). Tyto vady lze minimalizovat clonkami a speciálními druhy elektromagnetických čoček, které jsou umístěny v elektron-optické soustavě SEM. Pro hloubkou ostrosti L obrazu vytvořeného pomocí SEM platí vztah L = d 0 Zα, (8) kde d 0 je rozlišovací mez oka (0,2 mm), α aperturní úhel (v rad) a Z zvětšení SEM. Z uvedeného vztahu je zřejmé, že s rostoucím zvětšením SEM klesá hloubka ostrosti vzniklého obrazu. Proto musíme při zobrazování pomocí SEM volit kompromis mezi zvětšením a hloubkou ostrosti obrazu tak, abychom dosáhli optimální hloubky ostrosti v zobrazených detailech povrchu preparátu. Pozorování a záznam obrazu získaného pomocí SEM Výsledný obraz se v SEM vytváří složením signálů jednotlivých obrazových bodů pomocí počítače. Proto jej můžeme přímo pozorovat na monitoru a současně i zaznamenat v digitální podobě. Digitální obraz pak nabízí řadu možností jeho úpravy (např. vyrovnání kontrastu, vybarvení obrazu pomocí tzv. pseudobarev, aj.). Někdy se využívá i fotografického záznamu obrazu vytvořeného pomocí SEM. Pro tento případ jsou některé skenovací elektronové mikroskopy vybaveny kromě pozorovací obrazovky i fotomonitorem, který je pokrytý luminoforem s jemnějšími zrny. K fotomonitoru je připojen ještě fotoaparát. Při této technice dopadají na fotografický film fotony emitované na stínítku fotomonitoru, takže lze použít zcela normální černobílý fotografický materiál. Vakuový systém Celý vnitřní prostor tubusu a preparátové komory je (stejně jako v TEM) i v SEM vyčerpán na hodnotu vakua, která závisí na typu použitého elektronového zdroje. V případě přímo žhavené wolframové katody to znamená 10 3 až 10 6 Pa. V posledních letech se, zejména pro biologické aplikace, používají tzv. environmentální skenovací elektronové mikroskopy (esem). V tomto typu mikroskopu je možné měnit tlak v preparátové komoře (tzn. měnit hodnotu vakua). Proto také bývají označovány jako mikroskopy s volitelným vakuem. Trojný bod vody odpovídá tlaku 613,3 Pa. Při tlaku menším než je tato hodnota, lze tedy pozorovat vodu pouze v pevném a plynném skupenství. Proto nelze v klasických elektronových mikroskopech, v nichž je tlak v preparátové komoře mnohem menší než 613,3 Pa, pozorovat vzorky s větším obsahem vody bez předchozí přípravy vzorku. Tato příprava ovšem často vede ke vzniku mnoha artefaktů (vad zobrazení). Nespornou výhodou esem tedy je možnost pozorovat živé mikroorganismy a jiné vzorky až se 100 % obsahem vody bez předchozí přípravy (obr. 17). Cenou za tuto možnost je ovšem snížená rozlišovací schopnost.... Obrázek 17: Obraz krystalků sněhové vločky v esem. Součinnost všech systémů každého současného moderního elektronového mikroskopu zabezpečuje elektronický systém řízený počítačem se speciálním softwarem. Díky tomu je provoz mikroskopu velmi stabilizovaný a jeho ovládání je přístupné i nezkušeným uživatelům. 12

13 Příprava preparátů pro SEM SEM má uplatnění v řadě vědních a průmyslových oborů. Zejména jde o biologii a lékařské vědy (anatomie, histologie, patologie, ), botaniku, zoologii. S úspěchem se využívá v geologii, metalografii, mikroelektronice, strojírenství, gumárenském průmyslu apod. V SEM je možné pozorovat malé i objemné preparáty. Jejich velikost je limitována velikostí preparátové komory. Vodivé materiály (kovy, polovodiče) není třeba zvlášť připravovat, ale biologické preparáty vyžadují speciální přípravu, pokud nepoužijeme environmentální SEM. Proto se jí věnujme podrobněji. Příprava biologických preparátů Pro tvrdé tkáně (kosti, vlasy, zuby, kutikulární vrstvy u hmyzu) je nutné zajistit zvýšení vodivosti povrchu. U měkkých tkání je postup složitější. Je třeba preparát fixovat, odvodnit, vysušit a pokovit. Biologický materiál je materiál dielektrický a tudíž náchylný k poškození elektronovým paprskem. V důsledku špatného odvádění elektronů z povrchu, vznikají na povrchu oblasti s velkým povrchovým nábojem a hovoříme o tzv. nabíjení povrchu. Tím se výrazně sníží kvalita obrazu.... Obrázek 18: Dielektrické krystaly bez efektu a s efektem nabíjení povrchu. Nabízí se několik řešení. Jedna z možností je snížit urychlovací napětí k hodnotám jednotek kv. Lze též použít systém s volitelným vakuem, případně je nutné na povrch naprášit tenkou vrstvičku vodivého materiálu. Nanáší se těžké kovy, nejčastěji Au nebo slitiny Au-Pd, přičemž celková tloušťka nepřesáhne 10 nm. Větší tloušťky by snížily rozlišení detailů povrchu. Čím má naprašovaný kov vyšší Z (protonové číslo), tím lepší kontrast v režimu SE poskytuje. K nanášení vodivých vrstev se používají metody katodového naprašování iontovým svazkem, diodové naprašování stejnosměrným proudem nebo diodové naprášení s regulací teploty držáku vzorku. Ve všech případech jde o výboj ve zředěném plynu.... Obrázek 19: Zařízení pro naprašování tenkých vodivých vrstev Sputtering Coater Device (SCD). Princip spočívá v tom, že argonové ionty jsou přitahovány záporným nábojem katody, vyráží atomy kovu (nabité záporným potenciálem katody), které ve formě plazmy obklopují preparát na stolku, který tvoří anodu a zajišťují jeho rovnoměrné naprášení. Magnetické pole hlavy (katody) soustřeďuje ionty směrem na stolek na němž je položen preparát. Rostlinná pletiva a buňky, případně živočišné tkáně a buňky podléhají ve vakuu rychlému vysušování a deformaci, viz obr Obrázek 20: Vysušení rostlinného pletiva ve vakuu. 13

14 Zabránění této nežádoucí deformace se provádí buď použitím SEM s volitelným vakuem (environmentální SEM) nebo volbou standardního postupu přípravy, a to fixace, odvodnění, sušení (a pokovení). K vysušení dehydratačního činidla (aceton, etanol ) se používá nečastěji metoda obejití kritického bodu (obr. 21).... Obrázek 21: Fázový diagram s vyznačeným procesem změny tlaku a teploty (A výchozí stav; B konečný stav). Metoda je založena na jevu, že nad kritickým bodem (K), daným p K a T K mizí fázové rozhraní mezi kapalnou a plynnou fází. Pro vodu jsou hodnoty obtížně dosažitelné p K = 21,8 MPa, T K = 647 K (374 C). Pro CO₂ jsou hodnoty p K = 7,3 MPa a T K = 304 K (31 C) snáze dosažitelné. Jako vysoušecí činidlo se tedy volí CO₂. Proces je automatizován v zařízeních Critical Point Dryer (CPD) Elektronová mikroanalýza Analytické možnosti elektronových mikroskopů se výrazně zvýší, pokud je k elektronovému mikroskopu připojen systém pro analýzu rentgenového záření, které vystupuje ze vzorku po interakci elektronů s látkou. Proto se tato metoda označuje někdy jako rentgenová mikroanalýza nebo jako elektronová mikroanalýza (rentgenové záření je vybuzeno dopadajícími elektrony). Informaci o chemickém složení, případně struktuře vzorku, poskytují při interakci s elektrony charakteristické rentgenové záření, zpětně rozptýlené elektrony, případně katodoluminiscence, přičemž chemická analýza je prováděna v objemu několik µm³ (proto mikroanalýza). Objem interakce souvisí se složením vzorku (Z) a urychlovacím napětím (simulace objemu pomocí Monte Carlo metod, modelujících rozptylu elektronů v látce). Existují dva způsoby analýzy: 1. kvalitativní analýza s určením zastoupení chemických prvků ve vzorku a s možností rentgenového mapování a 2. kvantitativní analýza založená na porovnání spekter vzorku se spektry standardních vzorků o známém složení. Elektronová mikroanalýza zahrnuje dva způsoby jak získat informaci o složení a struktuře vzorku. A to využitím: 1. WDS (Wavelength Dispersive Spectrometer) rozkladu záření podle vlnových délek. 2. EDS (Energy Dispersive Spectrometer) rozkladu podle energie rentgenového záření. EDS vyhodnocuje celé spektrum rentgenového záření emitovaného ze vzorku. Detektor EDS je pevnolátkový (podle energie rentgenového záření generuje dvojice elektron díra). Signál z detektoru je veden do multikanálového analyzátoru. WDS z úzkých svazků rentgenových paprsků dopadajících na krystalový detektor, vyhodnotí s využitím Braggova vztahu (při známém d), jejich vlnovou délku λ, tedy energii.... Obrázek 22: Vznik charakteristického rentgenového záření. Při rozkladu rentgenového záření podle jeho energie (EDS) vznikají, při interakcí fotonů rentgenového záření s atomy polovodičového detektoru, páry elektron-díra a jejich množství je úměrné energii fotonu. 14

15 Polovodičový detektor bývá z čistého Si nebo Ge. Případné nečistoty v detektoru působí jako pasti pro elektrony uvolněné fotoefektem, proto se do něj zabudovávají atomy Li, které nasytí akceptorovou vazbu nečistoty, a ta se stane elektricky neutrální. Polovodič má pak jen vlastní vodivost. Pro snížení temného proudu (šumu detektoru) na A je nutné chladit detektor LN₂ v Dewarově nádobě. Mezi detektorem a komorou je umístěno beriliové okénko, které zabraňuje kondenzaci nečistot na detektoru. Odsunutím okénka je možno měřit na nižších energiích.... Obrázek 23: Průběh typického spektra energií charakteristického rentgenového záření, získaného metodou EDS.... Obrázek 24: Mapování ve zvoleném prvku. Metoda WDS je určená zejména k přesnému určení chemického složení mikroobjemů (µm³).... Obrázek 25: Princip detekce charakteristického rentgenového záření u WDS. Na základě Braggovy podmínky platí pro difrakční maximum 2d sin θ = nλ. Lze tedy při známém parametru krystalu d, určit λ a z ní energii charakteristického rentgenového záření. Jako detektor se používá syntetický krystal (případně systém krystalů) s velkou d pro analýzu lehkých prvků Be, B, C, O, N. Energie dopadajícího svazku elektronů musí být 2 až 2,5krát větší než je excitační energie (energie absorpční hrany) pro daný prvek. Oproti EDS má WDS mnohem větší rozlišení energií (WDS 5 ev oproti 150 ev u EDS). 15

16 ... Obrázek 26: K odvození platnosti Braggova vztahu. WDS EDS Vysoké spektrální rozlišení (2 6 ev) Nízké spektrální rozlišení ( ev) Nižší účinnost při nabírání spektra (pomalejší) Vysoká účinnost při nabírání spektra (rychlejší) Vyšší citlivost na změnu geometrie vzorku Nižší citlivost na změnu geometrie vzorku Řídké artefakty ve spektru Časté artefakty ve spektru Nevyžaduje LN₂ Vyžaduje LN₂ Dochází k pohybu mechanických částí Nedochází k pohybu mechanických částí Je nutná relativně vysoká energie svazku Nízká energie svazku není problémem Nákladné zařízení Méně nákladné zařízení... Tabulka 1: Porovnání WDS a EDS mikroanalytických metod 3. Mikroskopie skenující sondou Mikroskopie využívající skenující sondu (SPM Scanning Probe Microscopy) je soubor experimentálních metod určených ke studiu struktury povrchu s atomárním rozlišením s možností stanovení trojrozměrných (3D) obrazů povrchu a jejich parametrů v souřadnicích x, y, z. Tato unikátní mikroskopická technika zaznamenala bouřlivý rozvoj po objevení metody skenovací tunelové mikroskopie, která je mezi odbornou veřejností známá pod zkratkou STM (Scanning Tunneling Microscopy). Počátek metody STM je datován roku 1981, kdy u jejího zrodu stáli GERD BINNIG a HEINRICH ROHRER z laboratoří IBM v Curychu. O pět let později získali za svůj objev Nobelovu cenu. Přístroje STM byly první, které vytvářely obraz povrchu s rozlišením na atomární úrovni. Teoretický popis metody vychází z poznatků kvantové fyziky, konkrétně tunelového jevu. STM je jedna z mála metod, která je schopna poskytnout tak vysoké rozlišení při rutinním měření. Oproti ostatním metodám, např. elektronové mikroskopii nevyžaduje náročnou přípravu vzorků. Na druhou stranu ale poskytuje jen informace o povrchu. Nevýhodou rovněž je, že neposkytuje okamžitý a vizuální obraz, ale snímání je postupné a je nutno pro zobrazení využít počítače. Obecné vlastnosti metod SPM Rozlišení, jehož hodnota je nezávislá na vlnové délce objektu zprostředkovávajícího interakci, ale pouze na parametrech sondy. Rozlišení může u vybraných metod dosáhnout atomární úrovně. Hodnota měřené veličiny silně klesá se vzdáleností (exponenciálně či mocninně uplatňuje se vliv poklesu interakce i zakřivení sondy), jde o metodu v blízkém poli, využívající zpětné vazby k polohování sondy. Trojrozměrný obraz v (téměř) reálném čase umožňuje studium dynamických procesů. Aplikace v různých prostředích (vzduch, vakuum, voda, elektrolyty) vhodné pro zobrazování nativních biologických vzorků. Mnohdy není třeba speciálních úprav vzorku (fixace, odvodnění, vysoušení, nutnost nanesení vodivé vrstvy, apod.) jak to zpravidla vyžadují některé metody elektronové mikroskopie. Vzhledem k malé velikosti lze vestavět do zařízení pro jiné typy mikroskopických technik (světelný a elektronový mikroskop). Pouze lokální interakce. Většina ostatních metod měří veličiny středované přes plochu, která je velká vzhledem k velikosti atomu. Blízkost operace se může projevit v nežádoucí interakci s povrchem v podobě jeho modifikace. Velký rozsah zvětšení. Nicméně při velkých zvětšeních nese obraz informaci pouze o místě těsně pod hrotem (u jiných technik se při menším zvětšení roztáhne plocha, z níž se informace snímá). Obraz neobsahuje informaci o zbytku povrchu. V důsledku omezené analyzované lokality nelze závěry zjištěné z lokálně vyskytujícího se jevu rozšířit na celý vzorek. Vyšší citlivost k vibracím a teplotním driftům. Metody SPM jsou citlivé pouze na jednu povrchovou vrstvu, případně u speciálních metod na blízké povrchové vrstvy. 16

17 Velké množství artefaktů: 1. Zejména v případě metod, kdy si hrot se vzorkem mohou vyměnit roli (v STM není principiální rozdíl mezi hrotem a vzorkem, měří se vždy jejich společný vliv a oba se v něm podílejí stejnou měrou). 2. Vliv adsorbované vody na povrchu vzorku na tvorbu obrazu (zkreslení povrchu, změna přitažlivých sil či vodivosti). 3. STM může být necitlivá k některým typům adsorbátů na povrchu (nemají-li vhodné energetické hladiny). 4. Metoda registruje změnu nějaké vlastnosti (např. oblasti konstantní hustoty náboje), která ovšem klesá se vzdáleností od povrchu. Obtížnost opětovného zobrazení téhož místa na vzorku, došlo-li mezitím k vyzvednutí hrotu či odebrání vzorku z mikroskopu (obejít lze jen vyrytím orientační značky do vzorku). SPM není obecně citlivá na chemickou podstatu atomů. Určit typ atomu lze jen z doplňujících metod a úvah. Pokud se Vám z uvedeného výčtu obecných vlastností metod SPM zdá, že je zde více negativních než pozitivních faktorů, nenechte se zmást. V dalším textu se Vás budeme snažit přesvědčit o unikátních možnostech SPM metod, které není možné dosáhnout tradičními mikroskopickými metodami. Po uvedení základní metody STM došlo k mohutnému rozvoji této techniky. Objevila se celá řada variací, vhodných pro studium různých typů a vlastností povrchů. Vývoj rovněž směřoval ke zjednodušení konstrukce. Byly vyvíjeny algoritmy na zpracování získaných obrazů, sestavován odpovídající teoretický popis a v neposlední řadě byly hledány vhodné materiály a technologie pro vytváření ramének, hrotů a pohybových zařízení. Jednotlivé klony už nejsou většinou založeny na tunelovém jevu, ale všechny využívají princip přesného polohování a velmi těsného přiblížení sondy k povrchu vzorku. Mnohdy jsou tyto metody sdruženy v jednom přístroji a umožňují i současný sběr více druhů signálů. Základní uspořádání Schematický nákres uspořádání mikroskopu SPM je vidět na obr. 27, kde jsou znázorněny jeho hlavní funkční části. Mikroskop je sestaven z mechanické části, která zajišťuje mechanickou stabilitu a polohování ve třech rozměrech, z raménka s hrotem (konkrétní typ raménka a hrotu závisí na použité metodě) a z elektronické části, která zajišťuje napájení, součinnost všech částí, zpětnou vazbu, ovládání a sběr naměřených dat. Důležitou vnější částí mikroskopu je vybavení k tlumení mechanických vibrací, a to jak šířících se budovou, tak vzduchem. Mikroskop může být dále vybaven dalším pomocným vybavením, jako je např. vakuová komora, kryostat apod., popřípadě zařízením pro úpravu vzorku (čištění, relaxace, ). Další uspořádání mikroskopu a vlastnosti používaných součástí se mění podle toho, pro jakou konkrétní odnož mikroskopie SPM je daný mikroskop určen.... Obrázek 27: Princip metod SPM Skenovací tunelovací mikroskopie STM užívá ostrý vodivý hrot se spádem napětí mezi hrotem a povrchem vzorku. Pokud je hrot umístěn do vzdálenosti 1 nm od povrchu vzorku, jsou elektrony tunelovány přes tuto mezeru z hrotu k povrchu a obráceně, a to v závislosti na polaritě a velikosti napětí, viz obr. 28. Výsledný tunelový proud závisí na vzdálenosti mezi hrotem a povrchem a je nositelem signálu, který se podílí na vzniku STM obrazu. Tunelování se uskuteční jen v případě, kdy hrot i vzorek jsou z vodivého materiálu, případně polovodiče. 17

18 ... Obrázek 28: Schematické znázornění interakce mezi hrotem a vzorkem. Tunelový jev Abychom pochopili princip metody STM, je třeba zabrousit do oblasti fyziky, která je standardně středoškolákům utajena, a to fyziky kvantové. Jedním ze základních přínosů kvantové fyziky je popis tunelového jevu. Dochází k němu v případech, kdy částice (elektron) nemá dostatečnou energii na proniknutí bariérou, a tedy by měla podle klasické fyziky zůstat uvnitř oblasti ohraničené bariérou. V kvantové fyzice, kde je částice popisována vlnovou funkcí, tato funkce v oblasti bariéry (s konečnou energií) pouze exponenciálně klesá a v případě dostatečně tenké bariéry je i po průchodu bariérou nenulová. Vzhledem k tomu, že pravděpodobnost výskytu částice v daném místě je dána druhou mocninou velikosti vlnové funkce v daném bodě, existuje nenulová pravděpodobnost proniknutí částice přes bariéru. Tato pravděpodobnost je ovšem velmi malá a přibližně se dá vyjádřit vztahem [ P exp 2 h l 0 2m[E V (x)] dx ], (9) kde V (x) je potenciální energie (tvar bariéry), E energie částice, m hmotnost částice a l šířka bariéry. U bariéry pravidelného tvaru lze vždy vyjádřit integrál jako součin efektivní výšky a šířky bariéry. Ze vztahu je patrné, že s narůstající šířkou bariéry pravděpodobnost přechodu exponenciálně klesá a právě tato vlastnost je základem tunelové mikroskopie. Tunelový jev byl experimentálně pozorován nejprve na PN přechodu, poté na struktuře kov izolant kov (MIM) a struktuře kov vakuum kov. Všechny lokální metody tunelování před SPM mohly pracovat pouze s pevným bodovým kontaktem, tedy v jednom bodě. Při tunelování elektronů bariérou se měří tunelový proud, jehož velikost souvisí s atomární strukturou povrchu vzorku Typický příklad aplikace STM je na obr Obrázek 29: STM obraz vrstevnaté struktury arsenidu galia (GaAs). Nahoře krystalická mřížka a dole odpovídající obraz atomů v STM Mikroskopie atomárních sil Mikroskopie AFM je založena na mapování atomárních sil na povrchu vzorku. Poprvé byla uskutečněna roku Dnešní metoda AFM využívá sondu, která rastruje povrch vzorku ostrým hrotem. 18

19 Parametry hrotu představují několik mikrometrů v jeho délce, s průměrem špičky hrotu okolo 10 nm. Hrot je umístěn na volném konci raménka (cantileveru), které je dlouhé 100 až 200 µm. Vzájemné silové působení mezi hrotem a povrchem vzorku způsobuje ohyb a odklon raménka. Na počátku této mikroskopické techniky byl poznatek z STM, že ke správnému měření je nutno započítat i síly, které mění vzájemnou polohu hrotu a vzorku. K tomu přistupoval i požadavek na zobrazování i nevodivých vzorků (pokrytí izolantu vodivým filmem není vhodné, protože snižuje rozlišení). Povrchové síly jsou mapovány těsným přiblížením hrotu k povrchu, přičemž přitažlivé nebo odpudivé síly ohýbají raménko. Toto ohnutí je snímáno citlivým, zpravidla laserovým snímačem a vytváří měronosnou veličinu, jejímž prostřednictvím je počítačem generována povrchová topografie vzorku. Podstatné pro další aplikace je to, že tyto síly působí u jakéhokoliv vzorku nezávisle na jeho vodivosti. Další výhodu poskytuje AFM v elektrochemii, protože je možno použít nevodivý hrot. Narozdíl od STM, mohou být tedy AFM přístroje použity ke studiu izolantů a polovodičových materiálů (samozřejmě i ke studiu vodičů). Některé síly přispívají zásadním způsobem k výchylce AFM raménka. Síly ohýbající raménko mohou být různé fyzikální podstaty, především se však uplatňuje van der Waalsova přitažlivá síla působící mezi dvěma atomy (dipól dipólová interakce) a síla odpudivá, plynoucí z Pauliho principu, je-li vzájemná vzdálenost menší než součet atomových poloměrů. Jejich výsledný průběh je ukázán na obr Obrázek 30: Závislost meziatomových sil na vzdálenosti hrotu od povrchu vzorku. Přehled působících sil Z obr. 30 je vidět, že v závislosti na vzdálenosti hrotu může být působící síla jak odpudivá, tak i přitažlivá. Matematicky lze van der Waalsovy síly popsat závislostí F r 7 pro dva atomy a F r 2 pro sílu mezi atomem a rovinou. Vzhledem k pozvolnému spádu těchto sil nelze očekávat, že by bylo možno zanedbávat strukturu hrotu, jak to bylo možné u STM. Dále se mohou uplatňovat síly elektrostatické, které u nevodivých vzorků, u nichž nelze odvést náboj, způsobují horší rozlišení. Při malých vzdálenostech se začnou uplatňovat lokální interakce nejbližších atomů např. charakteru chemické vazby či překrytí dvou elektronových oblaků, které vede k nedokonalému odstínění jader a coulombickému odpuzování. Pro korektní vyšetřování sil mezi hrotem a vzorkem nestačí znát pouze interakce mezi dvěma molekulami, ale interakci mezi tělesy. Ta je zpravidla dána integrací (sumací) předchozí interakce, přičemž mnohdy se musí započítat i vícečásticové interakce, vliv prostředí (permitivita) či vazba mezi hrotem a vzorkem. Rovněž je nutno si uvědomit, že skenování je dynamický proces, vznikají třecí síly, apod. 1. Van der Waalsovy síly jsou nejvýznamnější v intervalu od desetin nm do desítek nm. Umožňují rozlišení několik nm, ale dosažení atomárního rozlišení je diskutabilní, protože síly v důsledku svého původu způsobují rozmazání již na atomární škále. 2. Kapilární síly hrot poblíž vzorku vytváří mikrokontakt, působící jako zárodek kondenzace kapaliny. Je-li poloměr hrotu menší než kritický, dojde k vytvoření menisku. Maximální hodnota síly pro vodu a hrot s R = 100 nm je 9, N, tedy poměrně dost velká. 3. Síly krátkého dosahu (zpravidla označované jako Pauliho) obecně vzato, při atomárních velikostech je třeba mít na paměti následující jevy: Pauliho a iontové odpuzování, fyzikální sorpci a 19

20 chemosorpci (vazba mezi hrotem a vzorkem), kovovou adhezi (při těsném přiblížení dvou kovů dojde k přesunu elektronů a vzniku přitažlivé síly), tření, elasticitu (hlavně u vrstevnatých materiálů), plastickou deformaci (změna tvaru hrotu apod.). V grafu na obr. 30 jsou tučně vyznačeny dva režimy lišící se vzdáleností kontaktní a nekontaktní režim. V kontaktním režimu udržuje hrot raménka od povrchu vzorku vzdálenost menší než několik desetin nm a síla mezi atomy přicházejícími do interakce (mezi hrotem a povrchem) je odpudivá. V nekontaktním režimu je hrot udržován ve vzdálenosti řádově jednotek až desítek nm od povrchu vzorku, kdy je již síla mezi atomy vzorku a hrotu přitažlivá. Oba režimy detailněji rozebereme v dalších kapitolách Kontakní režim AFM V kontaktním (odpudivém) režimu udržuje AFM hrot jemný mechanický kontakt se vzorkem. Hrot je připojen ke konci raménka, které má tuhost nižší než je vazebná síla mezi atomy vzorku. Kontaktní síly způsobují během skenování hrotu po povrchu vzorku ohyb a výchylky raménka v korespondenci se změnami topografie povrchu vzorku. Odpudivé síly eliminují síly usilující o přitlačení atomů blíže k sobě. V AFM to znamená, že když raménko tlačí hrot proti povrchu vzorku, dochází spíše k ohybu raménka než k posuvu atomů vzorku a hrotu. Pouze v případě užití tuhého raménka s hrotem se projeví síla mezi hrotem a povrchem vzorku, což pravděpodobně způsobí deformaci povrchu. Toho může využít například nanolitografie. Kromě odpudivé síly (vyplývající zejména z Pauliho principu), vznikají v průběhu kontaktního AFM režimu další dvě síly: síla kapilární (vlivem povrchového napětí), uplatňující se v tenkých vrstvách kapaliny a obvykle daná okolním prostředím a síla vytvářející se v raménku samotném. Kapilární síly vycházejí z přítomnosti vody v okolí hrotu. Při silách, které udržují hrot v kontaktu s povrchem (okolo 10 8 N), závisí velikost kapilární síly na vzdálenosti hrotu od povrchu vzorku. Síly vycházející z vlastního raménka souvisí s tuhostí raménka a jeho ohybem. Velikost výsledné síly hrotu na vzorek kolísá od 10 8 N (např. je li při tažení raménka přes vzorek hrot přitahován vodou) do obvyklejších operačních mezí 10 7 až 10 6 N. Kontaktní režim lze provozovat ve dvou modifikacích, a to sice: 1. s konstantní výškou, při němž je udržována určená hodnota výšky z 0 a měří se ohnutí raménka. Správně jsou zde zobrazeny struktury s časovou frekvencí (závisí na rychlosti skenování) menší než je frekvence raménka, 2. s konstantní silou, kdy se udržuje konstantní ohnutí raménka 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 raménka. Je ovšem pomalejší. Při dotykovém měření se zpravidla projevuje hystereze. Při přibližování k povrchu je nejprve síla konstantní, při určité vzdálenosti d 1 prudce vzroste a přitáhne hrot skokově k povrchu. Teprve potom zvolna narůstá odpudivá síla. Při oddalování nejprve klesá odpudivá síla, zvolna přechází v rostoucí sílu přitažlivou a v jisté vzdálenosti d 2 > d 1 prudce klesne a raménko odskočí. Těchto nelinearit využívá AFM spektroskopie. Na hysterezi může mít vliv i povrchové napětí zkondenzované vody, pokud je nutno hrot z ní vytahovat. Na obr. 31 je zřetelná struktura stop na CD zaznamenaných laserovým paprskem do podkladového materiálu. Tato struktura byla zobrazena v kontaktním režimu AFM Explorer (AFM mikroskop instalovaný na PřF UP).... Obrázek 31: Stopy na CD zobrazené v AFM. Skenovaný rozsah µm². 20

21 Nekontaktní režim AFM Nekontaktní režim představuje další z aplikací AFM. Spočívá v tom, že raménko s hrotem vibruje v blízkosti povrchu vzorku. Rozestup mezi hrotem a vzorkem u nekontaktního režimu je v řádu jednotek až desítek nm. Stejně jako kontaktní režim, i nekontaktní režim AFM může být využit k měření povrchu izolantů, polovodičů i elektrických vodičů. Celková síla mezi hrotem a vzorkem v nekontaktním režimu je velmi malá a pohybuje se okolo N. Tato malá síla je výhodou při studiu měkkých nebo pružných povrchů. Další výhoda je, že povrch vzorku (např. typu křemíkových destiček) není kontaminován dotykem hrotu. Protože síla mezi hrotem a vzorkem v nekontaktním AFM režimu je ve srovnání s kontaktním režimem malá, je měření obtížnější. Hrot je ke vzorku u bezkontaktní metody přitahován, a proto musí být raménko tuhé tak, aby nedošlo k poškození vzorku. Zároveň však na něj v této vzdálenosti působí malé síly a ohnutí raménka je tedy velmi malé. Z tohoto důvodu je i měřicí signál velmi malý (je špatný poměr signál/šum). Proto se převážně používá střídavého měření. V nekontaktním AFM režimu raménko s hrotem kmitá poblíž rezonanční frekvence, která je u tuhého raménka zpravidla od 100 do 400 khz, s amplitudou několika nm. Detekovány jsou změny v rezonanční frekvenci nebo amplitudě kmitů raménka při přibližování či vzdalování hrotu od povrchu. Metoda je tak citlivá, že poskytuje nanometrová vertikální rozlišení v obrazu, podobně jako kontaktní AFM. Vzdálenost mezi hrotem a vzorkem je udržována v strmé části vzestupné závislosti působících sil (velikost řádově N). Vztah mezi rezonanční frekvencí raménka a změnami topografie vzorku mohou být vysvětleny následovně. Rezonanční frekvence raménka se mění s druhou odmocninou jeho tuhosti. Navíc se tuhost raménka mění s narůstající silou a gradient síly, který je odvozen z křivky závislosti síly na vzdálenosti hrotu (obr. 30) se mění se vzdáleností hrotu od vzorku. Změny v rezonanční frekvenci raménka mohou být tedy použity k detekci změn gradientu síly, který odráží změny vzdálenosti hrotu a vzorku, potažmo topografii povrchu vzorku. V bezdotykovém případě se interakce zúčastní velké množství atomů, ale charakter sil je v této oblasti vcelku dobře znám. Vlivem velkého počtu atomů vstupujících do interakce však nelze očekávat dosažení velkého rozlišení. Tato metoda je vhodná k měření drsných povrchů, či biologických (obecně měkkých) vzorků. Metoda kontaktní a nekontaktní 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). U bezdotykového hrozí nebezpečí, že bude náhodně vtažen do vrstvy vody a nebude mít energii na uvolnění, viz obr Obrázek 32: Schematické znázornění vzniku topografie povrchu u kontaktního a nekontaktního režimu AFM. V bezkontaktním režimu systém monitoruje rezonanční frekvenci (amplitudu kmitů) raménka pomocí zpětné vazby. Zpětnovazebním členem je zajištěn pohyb skeneru nahoru a dolů a rezonanční frekvence se udržuje na konstantní hodnotě. Udržováním konstantní rezonanční frekvence nebo konstantní amplitudy 21

22 je zajištěna stálá průměrná vzdálenost mezi hrotem a vzorkem. Podobně jako kontaktní AFM režim (v režimu konstantní síly), pohyb skeneru generuje soubor dat potřebných k rekonstrukci obrazu. V bezkontaktním AFM režimu se hrot neopotřebovává (tedy ani se neporušuje povrch vzorku), jak je to běžné po několika analýzách v kontaktním režimu. Zejména u zobrazení biologických preparátů může dojít k jeho ušpinění. Hrot je křehčí a bezkontaktní režim je obecně náchylnější k okolním rušivým vlivům. Jak bylo uvedeno dříve, je tento režim upřednostňován před kontaktním AFM zejména při měření měkkých vzorků. V případě tuhých, nepoddajných materiálů, mohou obrazy povrchů vypadat stejně. Nicméně, jestliže na povrchu tuhého vzorku kondenzuje několik tenkých vrstev vody, obrazy se budou určitě lišit, viz předchozí obr. 32. Trojrozměrný obraz povrchu pořízený v bezkontaktním režimu (AFM Explorer) je na obr. 33. Je něm patrná pórovitá stavba měkké kontaktní čočky z hydrofilního gelu, který by byl v případě kontaktního režimu poškrábán. Vzorek je navíc ponořen do kapaliny, která zabraňuje vysušení gelu, který obsahuje víc než 60 % vody.... Obrázek 33: Povrch kontaktní čočky z pórovitého hydrofilního gelu (rozměr skenované oblasti je µm²) Poklepový režim (tapping mod) Je velmi podobný předchozímu, jen rozkmit je tak velký, že dochází k občasnému dotyku hrotu s povrchem (vibrující raménko je v těsnější blízkosti povrchu vzorku a ve spodní části své dráhy občas lehce udeří klepe do povrchu vzorku). Povrch je zde opět mapován ze změny rezonanční frekvence. 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. Tento režim se používá zejména v případě biologických vzorků. Na obr. 34 je vidět rozdíl v obraze endoteliálních buněk pořízeném v kontaktním režimu (a) a poklepovém režimu (b). Zde je důležité připomenout, že buňky byly ponořeny do živného média a pozorovány in vivo.... Obrázek 34: Endoteliální buňky zobrazené v AFM v kontaktním režimu (a) a poklepovém tapping módu (b). Detekce pozice raménka nad vzorkem Většina stávajících AFM přístrojů dostupných na trhu, detekuje pozici raménka s hrotem optickou cestou. Nejběžnější schéma je na obr. 35. Laserový svazek se odráží od raménka na fotodetektor, který je schopen registrovat změny pozice dopadajícího laserového svazku. Jakmile se raménko odkloní, pozice stopy laserového paprsku na detektoru se změní. Citlivé fotodetektory mohou registrovat změny posunutí menší než 1 nm. Poměr optické dráhy mezi raménkem a detektorem k délce samotného raménka vytváří geometrické zesílení. Výsledkem je, že systém detekuje (sub)nanometrové vertikální posuny hrotu raménka. 22

23 ... Obrázek 35: Detekce pozice raménka s hrotem. Jiné metody detekce ohybu raménka jsou založeny na interferenci světla. Jedna z dílčích elegantních technik je konstrukce raménka z piezoelektrického materiálu, který detekuje ohyb raménka na základě změny elektrického napětí. V tomto případě laser a fotodetektor není nutný Odvozené mikroskopické techniky se skenující sondou V této kapitole budou uvedeny méně rozšířené metody skenovací sondové mikroskopie. Většina těchto metod je používána s některým standardním typem přístroje SPM. Metody nejsou řazeny ani chronologicky ani podle využitelnosti či jiných kritérií. Mikroskopie elektrostatických sil (Electrostatic Force Microscopy EFM) vychází z pohybu nabitého hrotu nad povrchem vzorku tvořeného oblastmi s různým nábojem. K reakci raménka dojde, když se pohybuje nad místem s kladným nebo záporným plošným nábojem, jak je patrné z obr Obrázek 36: Schematické znázornění principu EFM. EFM tedy mapuje lokální změny nabitých oblastí (domén) na povrchu vzorku. Podobně je tomu u MFM (zde se však detekují magnetické domény v magnetických materiálech, viz následující kapitola). Velikost výchylky raménka s hrotem je úměrná hustotě náboje a může být měřena standardním detekčním systémem užívajícím laserový svazek. EFM se požívá především ke studiu prostorových změn hustoty povrchového náboje. Tímto způsobem může být mapováno např. elektrostatické pole elektronických obvodů při zapnutí a vypnutí přístrojů. Tato technika, známá jako napěťová sonda je cenným nástrojem pro testování aktivních mikroprocesorových čipů v submikronových mezích nebo v nanotechnologických aplikacích, viz obr Obrázek 37: Barium titanátové nanovlákno a rozložení elektrického pole podél jeho délky v různých případech (šipky vyznačují směr polarizace). 23

24 Mikroskopie magnetické síly (Magnetic Force Microscopy MFM) umožňuje prostorově zobrazit změny magnetické (Lorentzovy) síly ve vzorcích z magnetických materiálů. Pro MFM je třeba hrot potáhnout tenkou feromagnetickou vrstvou. Systém pracuje v nekontaktním režimu a detekuje změny rezonanční frekvence raménka způsobené magnetickým polem vzorku v závislosti na vzdálenosti hrotu od povrchu, viz obr. 38. MFM může být použit ke zobrazení povrchu přírodních magnetických materiálů, případně laboratorně připravených (doménových struktur) magnetických materiálů.... Obrázek 38: MFM mapování domén v magnetických materiálech. Obraz získaný s použitím speciálního magnetického hrotu obsahuje informaci nejen o topografii, ale také o magnetických vlastnostech povrchu. Která informace bude dominující, to závisí na vzdálenosti mezi hrotem a povrchem. Magnetické síly se uplatňují i ve větších vzdálenostech hrotu od povrchu vzorku, než je vzdálenost kde působí van der Waalsova síla. Pokud je hrot blíže povrchu, tj. v oblasti, kterou standardně využívá nekontaktní AFM režim, bude převládat topografický kontrast. Zvýšíme-li vzdálenost mezi hrotem a vzorkem, bude převládat efekt magnetické síly a získáme obraz s magnetickým kontrastem. Pořízením série obrazů při různých výškách nad povrchem, je počítačově možné oba efekty oddělit. Na obr. 39 je obraz povrchu harddisku pořízeného v režimu MFM.... Obrázek 39: MFM obraz znázorňující zakódovanou informaci v paměťovém magnetickém médiu (skenovaná oblast µm²). Mikroskopie laterálních sil (Lateral Force Microscopy LFM) vychází z vyhodnocení příčného ohybu (krutu) raménka, ke kterému dochází v důsledku rozložení sil na raménku umístěném rovnoběžně k rovině povrchu vzorku. LFM je užitečný pro zobrazení změn, vyplývajících z nehomogenit povrchu (změna koeficientu tření), a také pro získání obrazu povrchů tvořených stupňovitými nerovnostmi (hranami).... Obrázek 40: Znázornění příčin vzniku laterální síly třením (nahoře) a sklonem (dole). Jak je naznačeno na obr. 40, laterální ohyb raménka obvykle vyplývá ze dvou příčin: změny tření a změny náklonu. 24

25 V prvním případě (obr. 40 nahoře) hrot prochází přes oblasti z odlišných materiálů, charakterizovaných různými koeficienty tření. Ve druhém případě (obr. 40 dole) se může raménko zkroutit v důsledku kontaktu se strmým náklonem. Pro oddělení obou efektů by měl být obraz v LFM a AFM režimech pořizován současně. LFM užívá k detekci ohybu raménka pozičně-citlivý fotodetektor, podobně jako AFM. Rozdíl je v tom, že u LFM je detektor schopen registrovat i zkroucení raménka, tedy změnu příčné síly. Obr. 41 znázorňuje rozdíly mezi oběma způsoby detekce u obou metod (vertikální změny AFM, příčné LFM). Systémy na odpovídající úrovni jsou schopny snímat současně signály generované oběma metodami (AFM a LFM).... Obrázek 41: Principy detekce v AFM s detekcí LFM (dole). Působící třecí síly jsou vlastně vedlejším projevem v AFM. Zkrut raménka při tažení hrotu po povrchu můžeme využít jako mikroskopickou techniku, protože tyto torzní síly jsou závislé jak na mechanických vlastnostech povrchu, tak na tvaru povrchu (úhel mezi hrotem a povrchem). Úhlovou závislost lze využít k zobrazování bočních stěn a výstupků. Důležitou vlastností je ortogonalita sil třecích a přitažlivých (v AFM), což umožňuje současný sběr obou signálů z jednoho raménka a jedním upraveným detektorem (např. polohově citlivým). Při analýze dat získaných LFM je nutno rozlišit kontrast plynoucí z rozdílných materiálových vlastností (změna třecího koeficientu) a z topografie (korelují s oblastmi změny spádu povrchu). Teplotní skenovací mikroskopie (Scanning ermal Microscopy S M) je metoda, která slouží k mapování teploty či teplotní vodivosti. Při měření se nad povrchem pohybuje mikrotermočlánek, který je tvořen spojením dvou kovů (např. W a Ni). Jeden z kovů je nosný a tvoří vnitřek hrotu. Na něm je nanesena izolační vrstva, která hrot pokrývá s výjimkou špičky. Přes tuto vrstvu je nanesen druhý kov, takže ke spojení obou kovů dochází jen na vrcholku hrotu. Termočlánek je ohříván průchodem stejnosměrného proudu a provádí skenování v blízkosti povrchu. Protože okolní vzduch má značně menší tepelnou vodivost než vzorek, nastane při přiblížení k povrchu značný pokles termoelektrického napětí. Změna termoelektrického napětí podél povrchu odpovídá změnám v tepelné vodivosti. Aby se zabránilo teplotním driftům a vlivu okolní teploty, kmitá hrot ve směru kolmém k povrchu. Tím dochází ke změně tepelného odporu a změně ochlazování, takže při stejnosměrném vyhřívání dostáváme střídavý signál. Tato metoda poskytuje rozlišení asi 30 nm, reakční doba je 1 µs a citlivost na změnu teploty 1 mk. Druhou variantou této metody je vytvoření raménka ze dvou tepelně dilatujících pásků, přičemž koeficienty jejich roztažností jsou různé. Změna okolní teploty způsobí prohnutí nosníku, které lze detekovat opticky. Materiály ramének reagují na změny tepelné vodivosti různě a způsobují ohyb raménka. Zobrazovací systém vytváří S M obraz, který je tepelnou mapou, reprezentující místa s různou teplotou nebo tepelnou vodivostí. Topografický kontrast přitom může být oddělen od obrazu lokálních teplotních změn, a oba signály mohou být snímány současně. Mikrotermální analýza Vizualizace povrchu a jeho teplotní charakteristika je spojena v mikrotermální analýze (Micro ermal Analysis µta). Ta sdružuje submikronové mapování teploty povrchu a lokální kalorimetrická měření. Pro tato studia je sonda upravena do podoby Wollastonova drátku a působí jako aktivní tepelný zdroj (obr. 42). Odpor sondy je úměrný její teplotě. Změny proudu vyžadované k udržení sondy na konstantní teplotě vedou ke vzniku teplotních map. Rovněž změny elektrického odporu sondy při konstantním proudu vedou ke generaci teplotních map. Navíc se může u sondy měnit teplota. Sonda může být umístěna do různých bodů, ve kterých se provádí termální analýza. Teplota narůstá lineárně a současně se přidává střídavá teplotní modulace. Zdroj přizpůsobený ke sledování tohoto teplotního režimu poskytuje možnosti některých kalorimetrických měření, jako je např. mikrodiferenciální 25

26 ... Obrázek 42: Schematické znázornění µta uspořádání. termální analýza (µdta). Současně jsou měřeny ohyb sondy a křivka změny teploty. Je možné sledovat roztažnost, tloušťku vrstvy, teplotu fázových přechodů, změny tvrdosti, včetně popisu procesů tání, tuhnutí, měknutí apod Raménka a hroty pro AFM V počátcích AFM byl hrot a raménko AFM tvořeno zahnutým W drátkem. Později se začal používat Au pásek, na jehož konci byl upevněn diamantový hrot. V současné době se hroty i raménka vyrábějí litograficky nebo jinou technologií. Raménko v AFM slouží jako senzor působící síly. Jsou na něj kladeny požadavky vysoké rezonanční frekvence (ovlivňuje dobu měření a vliv tepelných driftů) a malé setrvačnosti. Oba požadavky lze splnit zmenšením hmotnosti. Při vlastním měření se rezonanční frekvence zvětší, protože konec raménka už není volný. Kvalita odezvy na náhlé změny však je stále určována hmotností a tuhostí a závisí tedy na původní rezonanční frekvenci. Aby byl senzor dostatečně citlivý na malé síly, musí být raménko snadno ohebné a musí tedy mít malou tuhost. Její minimální hodnota je však omezena stabilitou měření (aby se hrot nepřilepil k povrchu). Protože v dotykovém režimu působí velké boční síly, musí být raménko odolné proti zkroucení, nejvhodnější se jeví tvar V a X, viz obr Obrázek 43: Snímek ramének s hrotem. Hrot by vždy měl být nejnižším místem celého raménka. Vlastnosti raménka závisí na jeho použití. Pro dotykové režimy se používají pružná, pro bezdotykové naopak tvrdá raménka. Hrot ani raménko AFM obecně nemusí být vodivé, ale raménko musí být vhodně upraveno k detekci (odrazná či vodivá strana odvrácená od vzorku). Velikost litografií vyrobeného raménka bývá v rozmezí µm délka, šířka µm a tloušťka do 2 µm. Výroba ramének s hroty pro AFM AFM hroty jsou vyráběny obvykle z křemíku nebo nitridu křemíku. Způsob přípravy je pro oba druhy materiálu odlišný. Tvar hrotu je pro každý materiál závislý na výrobním procesu, stejně jako na vlastnostech materiálu, ze kterého je hrot vyroben. Křemíkové kuželové hroty jsou vyráběny odleptáním křemíku kolem čepičky z oxidu křemičitého. Vysoký průřezový poměr kuželových hrotů umožňuje jejich použití při zobrazení hlubokých ostrých prohlubní. Jsou ale bohužel náchylnější ke zlomení než hroty s pyramidální nebo tetraedrální geometrií. Výhoda křemíku spočívá v tom, že může být doplněn příměsemi, což je výhodné v případě elektrických aplikací AFM (měření vodivosti). Vodivé hroty jsou užitečné pro řízení toku mezi hrotem a vzorkem, případně k prevenci proti nežádoucímu náboji na hrotu. Nejnázornější příklad výroby pyramidálního hrotu je výroba hrotu z nitridu křemíku (Si₃N₄) naneseného nad odleptanou pyramidální prohlubní v krystalické křemíkové desce, jak je patrné z obr. 44. Tato metoda se používá pro přípravu hrotů s pyramidální a tetraedrální geometrií. Pro drsné povrchy je nutno vyrobit raménko i s hrotem. V případě Si₃N₄ se nejprve do Si s orientací (100) vyleptá pyramidální prohlubeň. Povrch se pokryje SiO₂, odkryje se čtvercové nebo kruhové okno, anizotropně se Si vyleptá a odstraní se zbylý oxid. Na křemík se nanese nitrid, vyžíhá se a litograficky se vytvaruje. Hrot však nyní 26

27 směřuje do materiálu, musíme jej tedy přenést na jiný substrát. Průřezový poměr hrotů z nitridu křemíku je limitován krystalografickou strukturou odleptaného materiálu (křemíku). Pyramidální hroty jsou širší než kuželové, takže z důvodu jejich robustnosti jsou méně vhodné pro zobrazování hlubokých a ostřejších povrchových struktur. Nitrid křemíku je tvrdší materiál než křemík, a tak vytváří hroty trvanlivější než křemíkové.... Obrázek 44: Postup výroby hrotu z nitridu křemíku. Vrstva nitridu křemíku nicméně obsahuje zbytková pnutí a ta mohou vést k pozdější deformaci. Pro aplikace, které vyžadují tenčí raménka nebo raménka s vyšší rezonanční frekvencí se z tohoto důvodu používá křemík. Tloušťka ramének z nitridu křemíku může být menší než 1 µm, zatímco křemíková raménka mají tloušťku několik µm. Speciální typy hrotů Speciálnější typy ramének mají hroty narostlé pod kontrolou ve skenovacím elektronovém mikroskopu. Některé hroty jsou dokonce připravené obráběním existujícího hrotu fokusovaným iontovým svazkem. Skenovací elektronový mikroskop může být použit pro jiný netradiční postup výroby, který využívá usazování nečistot v tubusu EM. Hroty tak nejsou připraveny z objemného bloku. Rostou na konci raménka a mají výhodu v tom, že mohou mít prakticky neomezený průřezový poměr. Jsou však nepravidelně zaostřené, ohýbají se a jsou křehké. Někdy se rovněž vytváří tzv. superhroty, které jsou vytvořeny elektronovým svazkem v SEM na běžném pyramidálním hrotu pro AFM. Jsou vytvořeny z uhlíkatého materiálu a dosahují poloměrů až 10 nm. Jeden ze způsobů přípravy hrotu, pro změnu pro MFM (magnetickou) mikroskopii, je na obr Obrázek 45: Příprava hrotu pro MFM Vybrané aplikace mikroskopu atomárních sil Měření nanostruktur pomocí AFM vyžaduje zkušenost obsluhy. Řada obrázků, které se objeví na monitoru nemusí být obrazem skutečnosti. Nejčastějším artefaktem v obraze je důsledek konvoluce hrotu a jemných nerovností na povrchu, kdy se nezobrazí struktura příslušného detailu, ale obraz hrotu. Proto je důležité správně vyhodnotit analyzovaný vzorek a použít dostatečně štíhlý hrot. Na obr. 46 vlevo je vysvětlení, jak dojde ke zobrazení pyramidálního hrotu na úzkém výrůstku na povrchu a jeho skutečná podoba, jak ji vidí operátor na monitoru počítače. Následující obr. 47 vypadá věrohodně, ale při bližším prozkoumání je patrné charakteristické zdvojení obrazu nanočástic v jednom směru. Vinu na tom má porušený hrot, který nemá jen jednu, ale dvě špičky vzniklé např. odštípnutím části hrotu. Dobře zobrazené nanočástice jsou na následujícím obr. 48. Jedná se o poměrně velké útvary, které však svým rozměrem cca 25 nm splňují zařazení do kategorie nanočástic. 27

28 Největší předností AFM mikroskopu je přesné měření ve vertikální dimenzi. Tento rozměr je téměř nezkreslený a je přesně vyhodnocen nástrojem pro analýzu obrazu, jak je patrné z měření tloušťky grafenového plátu, jehož teoretický rozměr je 0,34 nm. Z měření vyplývá, že jsou zobrazeny 2 vrstvy o tloušťce přibližně dvojnásobné, viz obr Obrázek 46: Vliv konvoluce hrotu a povrchu.... Obrázek 47: Zdvojení obrazu jednotlivých nanočástic.... Obrázek 48: Správně zobrazené nanočástice oxidu železitého.... Obrázek 49: Tloušťka grafenu měřená pomocí AFM. 28