MIKROSKOPIE A SPEKTROSKOPIE, FSI-TMK GARANT PŘEDMĚTU: Prf. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (ÚFI) VYUČUJÍCÍ PŘEDMĚTU: Prf. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D., Ing. Aneta Křížvá (ÚFI), Ing. Jana Čllákvá (ÚFI), Ing. Zbyněk Dstál (ÚFI), dc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (ÚFI), dc. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (ÚFI), Ing. Petr Bábr, Ph.D. (ÚFI), dc. Mgr. Adam Dubrka, Ph.D. (ÚFKL MU) JAZYK VÝUKY: čeština TYP A ROZSAH VÝUKY: 2 hdiny přednášek a 1 hdina labratrních cvičení týdně ZPŮSOBY HODNOCENÍ: zápčet a (písemná a ústní) zkuška PREREKVIZITY: základní kurz fyziky, kvantvá fyzika, fyzika pevných látek, pvrchy a tenké vrstvy. Gemetrická a vlnvá ptika. VÝSTUPY VÝUKY A KOMPETENCE: Studenti získají vědmsti histrii a mderních technikách a přístupech v bru světelné mikrskpie a částicvé spektrskpie a základní praktické dvednsti při práci s příslušnými přístrji. Mim jiné jim t usnadní rientaci při výběru tématu závěrečné práce (diplmvé či dktrské). ANOTACE: úvd d světelné mikrskpie (histrický přehled dplněný pdstatné pznatky gemetrické a vlnvé ptiky, knstrukce světelnéh mikrskpu, základní techniky světelné mikrskpie a praktické pznatky), teretický ppis zbrazení (vlnvá terie zbrazení vycházející z Abbevy terie), knfkální mikrskpie (princip, knstrukce zařízení, vlastnsti zbrazení), flurescenční mikrskpie (princip, knstrukce zařízení, vlastnsti zbrazení), interferenční a hlgrafická mikrskpie (princip, knstrukce zařízení, vlastnsti zbrazení), rentgenvá ftelektrnvá spektrskpie (XPS, princip, knstrukce zařízení, parametry), hmtvá spektrskpie sekundárních intů (SIMS, princip, knstrukce zařízení, parametry), spektrskpie rzptýlených intů s nízku energií (LEIS, princip, knstrukce zařízení, parametry). V labratřích prbíhají demnstrační a praktická cvičení z ptické mikrskpie a částicvé spektrskpie. PODROBNÝ OBSAH PŘEDMĚTU Lekce I Úvd d mikrskpie vývj světelné mikrskpie (významné histrické kamžiky a sbnsti spjené s významnými pznatky) Alhazen, René Descartes, Antni van Leeuwenhek, Zacharias Janssen, Rbert Hke, Ernst Abbe, Frits Zernike, Marvin Minsky, Mjmír Petráň a Milan Hadravský zvětšení spjné ččky tvrvá vada, Cddingtnva pdmínka, vliv krycíh sklíčka specifikace bjektivu I základní prvky slženéh mikrskpu hraničení svazků, telecentrický chd paprsků, numerická apertura specifikace bjektivu II slžený mikrskp, knjugvané rviny, zvětšení slžený mikrskp s neknečnu tubusvu délku mikrskpy 18. stletí
mikrskpy 19. stletí (achrmatický mikrskp, plarizvané světl, temné ple, invertvaný mikrskp, apchrmatický bjektiv, interferenční mikrskp) barevná vada (Abbev čísl, achrmatický dublet) ptická skla apchrmatický bjektiv kma, aplanatická sustava, Abbeva sinvá pdmínka astigmatismus a Petzvalv sklenutí ple technika temnéh ple difrakčně limitvaná rzlišvací schpnst Ernst Karl Abbe schéma zbrazení zbrazení dvjice štěrbin zbrazení bdu přehled významných technik fázvý kntrast (Frits Zernike) další metdy zvýšení kntrastu (Rheinbergv světlení, Hffmanův mdulační kntrast) mikrskpie s plarizvaným světlem Nmarskéh diferenciální interferenční kntrast (DIC) interferenční mikrskpie knfkální mikrskpie flurescenční mikrskpie superrzlišení (STED, STORM) SHG, THG Lekce II Terie zbrazení Abbeva histrická frmulace limit rzlišení (Lummer, Reiche) schéma zbrazení zbrazení dvjice štěrbin výpčet pmcí Fresnelva prpagátru prpagace kmplexní amplitudy vlny transfrmace tenku ččku schéma zbrazení s aperturní clnu kmplexní amplituda vlny v zadní hniskvé rvině kmplexní amplituda vlny v brazvé rvině výsledné vztahy pmcí Furiervy transfrmace difrakčně nemezený přens pjem prstrvé frekvence přens mezený aperturu příklady zbrazení štěrbiny amplituda a intenzita v brazvé rvině zbrazení dvjice štěrbin kherentní světlení nekherentní světlení funkce přensu kherentní funkce přensu (CTF) ptická funkce přensu (OTF) vliv světlení na přens prstrvých frekvencí
impulsvá dezva sustavy výpčet zbrazení bdvéh bjektu vztah s funkcemi přensu Lekce III Knfkální mikrskpie mtivace pr vývj knfkálníh zbrazvání a histrie M. Minsky, M. Petráň a M. Hadravský, D. Egger a R. Galambs výpčetní technika lasery kmbinace s flurescenční mikrskpií výhdy knfkální mikrskpie princip zbrazvání transmisní a reflexní uspřádání kmbinace s flurescenční mikrskpií vlastnsti knfkálníh zbrazvání zbrazvání bjektu bd p bdu prstrvě invariantní zbrazvání zlepšení laterálníh i svéh rzlišení ptické řezy skenvání psuvem vzrku laservým svazkem svá intenzitní dezva pr rvinu aplikace ptických řezů aplikace v bilgii nastavení veliksti dírkvé clny terie zbrazení bdu knfkální mikrskp s dvjitým řádkváním vlastnsti princip mderní knfkální laservé skenvací mikrskpy mdifikace knfkální theta mikrskpie 4π mikrskpie lightsheet mikrskpie
Lekce IV Flurescenční mikrskpie flurescence definice histrie princip phtbleaching Jablnskéh diagram schéma flurescenčníh mikrskpu princip flurescenčníh barvení FLIM flurescence lifetime imaging FRET flurescence resnance energy transfer FRAP flurescence recvery after phtbleaching FLIP flurescence lss in phtbleaching TIRFM ttal internal reflectin flurescence micrscpy multiphtn micrscpy STED stimulated emissin depletin micrscpy Lekce V Interferenční a hlgrafická mikrskpie histrie interferenční mikrskpie typy interferenčních mikrskpů transmisní reflexní dvuvlnvý interferenční mikrskp význam fázvéh kntrastu výpčet fázvéh kntrastu metda krkvání fáze numerická reknstrukce hlgramů hlgrafická mikrskpie jednvětvvé metdy dvuvětvvé metdy kherencí řízená hlgrafická mikrskpie první generace zařízení druhá generace zařízení význam hlgrafické mikrskpie v bilgii výpčet hmty buňky dynamické fázvé diference zbrazvání přes difuzní prstředí vliv pr bilgické aplikace terie zbrazení hlgrafickým mikrskpem úhlvé spektrum vlny
rzptyl vlny bjektem průchd pticku sustavu, pupilvá funkce kmplexní amplituda v referenční a bjektvé větvi reknstruvaný signál kherentní funkce přensu bdvá rzptylvá funkce ilustrativní aprximace Lekce VI Spektrskpické metdy základní prvky spektrskpů zdrje záření detektry parametry šum temný prud děliče svazků ptická vlákna fkusační elementy parablická zrcadla tridální zrcadla eliptická zrcadla plarizátry prpustnst prpagace elektrmagnetické vlny techniky blízkéh ple: SNOM pzrvání plazmnvých stjatých vln v graphenu Lrentzův scilátr kmplexní plasmvá frekvence kmplexní fáze Gaussův scilátr Prvnání s Lrentzvým scilátrem infračervená absrpční spektra interakce světla s vibrující mlekulu: ramanvská spektrskpie frekvence vibrací pr různé vazby plasmnvé plaritny pvrchvá plasmnvá reznance Kerrův jev Elipsmetrie principy měřené veličiny základní rvnice elipsmetrie elipsmetrie s rtačním analyzátrem infračervená mikr-spektrskpie časvě rzlišená spektrskpie časvě rzlišená luminiscence pump-prbe techniky terahertzvá spektrskpie v časvé dméně Lekce VII Rentgenvá ftelektrnvá spektrskpie (XPS)
úvd d prblematiky chemická, mrflgická a mikrskpická infrmace zkumaném vzrku ftelektrnvé spektrum plha a ntace píků spin-rbitální štěpení hladin chemický psuv, vliv veliksti nančástic a plhy atmů na plhu píku intenzita, tvar a šířka píků, fitvání píků pzadí ve spektru, Tugaardva metda série Augervých čar, jejich ntace ztrátvé a satelitní píky kvantitativní analýza metdu XPS účinný průřez ftemise, úhlvá asymetrie ftemise transmise spektrmetrem hlubkvá distribuční funkce kvantifikace chemickéh slžení transprt elektrnů pevnu látku střední neelastická vlná dráha, útlumvá délka elastický rzptyl elektrnů určení tlušťky vrstvy pmcí XPS instrumentace schéma zařízení vakuvý systém vznik rentgenvéh záření, zdrj rentgenvéh záření, mnchrmátr elektrnvý spektrmetr, hemisférický analyzátr, pass energy zbrazvací spektrmetr magnetická ččka neutralizátr nábje hlubkvé prfilvání, intvé zdrje příbuzné metdy UPS, AES XAS, NEXAFS, XMCD, reznanční ftemise příklady aplikací Systém Cu/SiO2/Si Systém Au/SiO2/Si Lekce VIII Hmtnstní spektrskpie sekundárních intů (SIMS) Interakce intů s pevnu látku, prdukty a jejich využití Rzptyl intů Odprašvání Emise elektrnů Emise ftnů Adsrpce Implantace Analýza pmcí dprášených intů (SIMS) Keficient dprašvání Inizační účinnst Odprašvací rvnice Brzdný účinek Simulace průniku intů d pevné látky Mlekulární dynamika
Klizní kaskády Mixvání atmů Způsby analýzy sekundárních intů principy, knstrukce magnetický sektr analyzátr dby letu (elektrstatické zrcadl, rtgnální analyzátr) kvadrupólvá analyzátr Praktické příklady analýzy sekundárních intů hlubkvé prfilvání 2D a 3D analýza laterální a hlubkvé rzlišení infrmační bjem a citlivst Lekce IX Spektrskpie rzptýlených intů s nízku energií (LEIS) becný úvd histrie rzptylu (103 let d publikvání výsledků Rutherfrdem) interakce na úrvni atmů a mlekul binární klize kvalitativní analýza zákny zachvání při rzptylu zákn zachvání mechanické energie zákn zachvání hybnsti teretický ppis rzptylu kvantitativní analýza culmbvský dpudivý interakční ptenciál jader rzptyl na nehybném jádru rzptyl na phybujícím se jádru zákn zachvání mmentu hybnsti diferenciální účinný průřez pr vyské energie diferenciální účinný průřez pr nízké energie stínící funkce numerické aprximace stínící funkce experimentální vybavení elektrstatické analyzátry energivý analyzátr vycházející z dby letu rzptýlené částice příklady knkrétních aplikací LEIS in situ mnitrvání depsice C na SiO 2 hlubkvé prfilvání M Si vrstev Labratrní cvičení 1. téma: základní mikrskpvé techniky I 2. téma: základní mikrskpvé techniky II 3. téma: laservý rastrvací knfkální mikrskp 4. téma: pzrvání flurescenčně barvených vzrků 5. téma: kherencí řízený hlgrafický mikrskp 6. téma: ptické spektrskpické metdy 7. téma: XPS 8. téma: SIMS 9. téma: LEIS
ZÁKLADNÍ LITERATURA: D. B. MURPHY: Fundamentals f light micrscpy and electrnic imaging. Wiley-Liss, Hbken 2001. A. R. HIBBS: Cnfcal Micrscpy fr Bilgists. Springer, 2004. H. KUZMANY: Slid-state spectrscpy. Springer, 2009. H. FRIEDRICH: Scattering Thery. Springer, Heidelberg, New Yrk, Drdrecht, Lndn 2013. J. ČECHAL: Analýza pvrchu a tenkých vrstev využitím ftelektrnvé spektrskpie. Dizertační práce, VUT v Brně, 2006. R. G. WILSON, F. A. STEVIE, AND C. W. MAGEE: Secndary In Mass Spectrmetry a practical handbk fr depth prfiling and bulk analysis. Jhn Wiley, 1989. R. Chmelík: Materiály d praktika předmětu Mikrskpie a spektrskpie. Elektrnický studijní text, Brn, 2014. DALŠÍ DOPORUČENÁ LITERATURA A ZDROJE: M. CH. BARSHICK, D. C. DUCKWORTH, D. H. SMITH: Inrganic mass spectrmetry - fundamentals and applicatins. Marcel Dekker, NY, 2000. A. BENINGHOVEN: Secndary in mass spectrmetry - basics cncepts, instrumental aspects, applicatins and trends. Jhn Wiley, NY, vlume 86, 1987. D. BRIGGS, M. P. SEAH (EDS.): Practical Surface Analysis, vl. 1: Auger and X-ray Phtelectrn Spectrscpy, sec. ed., Jhn Wiley, Chichester, UK, 1993. D. BRIGGS AND J. T. GRANT (EDS.): Surface Analysis by Auger and X-ray Phtelectrn Spectrscpy. IM publicatins, Chichester, UK, 2003. ENGELBERT KEPRT: Terie ptických přístrjů 2, Terie a knstrukce mikrskpu, SPN, Praha 1966. http://micr.magnet.fsu.edu/primer http://micrscpyu.cm Předmět je invván s pdpru prjektu Invace mezibrvéh studia přírdních věd a inženýrství (CZ.1.07/2.2.00/28.0250).