DIFRAKCE ELEKTRONŮ V KRYSTALECH, ZOBRAZENÍ ATOMŮ

Podobné dokumenty
Difrakce elektronů v krystalech, zobrazení atomů

Difrakce elektronů v krystalech a zobrazení atomů

Elektronová mikroskopie SEM, TEM, AFM

1 Teoretický úvod. 1.2 Braggova rovnice. 1.3 Laueho experiment

Zeemanův jev. Michael Jirásek; Jan Vejmola Gymnázium Český Brod, Vítězná 616 SPŠE V Úžlabině 320, Praha 10

Dualismus vln a částic

2. Difrakce elektronů na krystalu

Proč elektronový mikroskop?

Krystalografie a strukturní analýza

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

Chemie a fyzika pevných látek p2

Elektronová mikroskopie II

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

Chemie a fyzika pevných látek l

Teorie rentgenové difrakce

C Mapy Kikuchiho linií 263. D Bodové difraktogramy 271. E Počítačové simulace pomocí programu JEMS 281. F Literatura pro další studium 289

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

RTG difraktometrie 1.

4 ZKOUŠENÍ A ANALÝZA MIKROSTRUKTURY

Lasery RTG záření Fyzika pevných látek

1. Ze zadané hustoty krystalu fluoridu lithného určete vzdálenost d hlavních atomových rovin.

Přednáška č. 3. Strukturní krystalografie, krystalové mřížky, rentgenografické metody určování minerálů.

Praktikum III - Optika

Techniky mikroskopie povrchů

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

Rentgenografické difrakční určení mřížového parametru známé kubické látky

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Difrakce elektronů v polykrystalické mřížce (Debye-Scherrerova difrakce)

Metody skenovací elektronové mikroskopie SEM a analytické techniky Jiří Němeček

Elektronová Mikroskopie SEM

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

Mikroskopické metody Přednáška č. 3. Základy mikroskopie. Kontrast ve světelném mikroskopu

LEED (Low-Energy Electron Diffraction difrakce elektronů s nízkou energií)

EM, aneb TEM nebo SEM?

Úloha 5: Studium rentgenových spekter Mo a Cu anody

Princip práškové metody Prášková metoda slouží k určení hodnot mřížkových parametrů krystalické mřížky dané krystalické látky.

ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE V TEXTILNÍ METROLOGII

Elektronová mikroskopie v materiálovém výzkumu

Vlnová délka světla je cca 0,4 µm => rozlišovací schopnost cca. 0,2 µm 1000 x víc než oko

27. Vlnové vlastnosti světla

5.3.5 Ohyb světla na překážkách

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

(1 + v ) (5 bodů) Pozor! Je nutné si uvědomit, že v a f mají opačný směr! Síla působí proti pohybu.

Zobrazovací metody v nanotechnologiích

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Praktikum z pevných látek (F6390)

CHARAKTERIZACE MATERIÁLU POMOCÍ DIFRAKČNÍ METODY DEBYEOVA-SCHERREROVA NA ZPĚTNÝ ODRAZ

Úloha 1: Vypočtěte hustotu uhlíku (diamant), křemíku, germania a α-sn (šedý cín) z mřížkové konstanty a hmotnosti jednoho atomu.

Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů. Typy interakcí, základy elektronové difrakce, metody LEED a RHEED

Metody charakterizace

2. Určete frakční objem dendritických částic v eutektické slitině Mg-Cu-Zn. Použijte specializované programové vybavení pro obrazovou analýzu.

ANALYTICKÝ PRŮZKUM / 1 CHEMICKÉ ANALÝZY DROBNÝCH KOVOVÝCH OZDOB Z HROBU KULTURY SE ZVONCOVÝMI POHÁRY Z HODONIC METODOU SEM-EDX

Podpora rozvoje praktické výchovy ve fyzice a chemii

ANALYTICKÝ PRŮZKUM / 1 CHEMICKÉ ANALÝZY ZLATÝCH A STŘÍBRNÝCH KELTSKÝCH MINCÍ Z BRATISLAVSKÉHO HRADU METODOU SEM-EDX. ZPRACOVAL Martin Hložek

Elektromagnetické vlnění

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

Mikroskopie se vzorkovací sondou. Pavel Matějka

METODY ANALÝZY POVRCHŮ

VY_32_INOVACE_FY.12 OPTIKA II

Mikrovlny. K. Kopecká*, J. Vondráček**, T. Pokorný***, O. Skowronek****, O. Jelínek*****

Přednáška 12. Neutronová difrakce a rozptyl neutronů. Martin Kormunda

INTERAKCE IONTŮ S POVRCHY II.

Základní pojmy a vztahy: Vlnová délka (λ): vzdálenost dvou nejbližších bodů vlnění kmitajících ve stejné fázi

Elektronová mikroskopie a mikroanalýza-2

Neživá příroda I. Optické vlastnosti minerálů

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Testování nanovlákenných materiálů

Typy světelných mikroskopů

Optika pro mikroskopii materiálů I

Lupa a mikroskop příručka pro učitele

ÚSTAV FYZIKÁLNÍ BIOLOGIE JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

Skupenské stavy látek. Mezimolekulární síly

1. Millerovy indexy, reciproká mřížka

Fourierovské metody v teorii difrakce a ve strukturní analýze

MIKROSKOPIE JAKO NÁSTROJ STUDIA MIKROORGANISMŮ

Fyzika pro chemiky II

Youngův dvouštěrbinový experiment

M I K R O S K O P I E

Základní pojmy Zobrazení zrcadlem, Zobrazení čočkou Lidské oko, Optické přístroje

Úloha 10: Interference a ohyb světla

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

Digitální učební materiál

Praktikum školních pokusů 2

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

Optická konfokální mikroskopie a mikrospektroskopie. Pavel Matějka

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

SKENOVACÍ (RASTROVACÍ) ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE

TRANSMISNÍ ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

TRANSMISNÍ ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE

MŘÍŽKY A VADY. Vnitřní stavba materiálu

Mřížkové parametry a chvála nomogramů

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Optika OPTIKA. June 04, VY_32_INOVACE_113.notebook

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

Úloha č. 1: CD spektroskopie

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

(Umělé) osvětlování pro analýzu obrazu

Transkript:

DIFRAKCE ELEKTRONŮ V KRYSTALECH, ZOBRAZENÍ ATOMŮ T. Jeřábková Gymnázium, Brno, Vídeňská 47 ter.jer@seznam.cz V. Košař Gymnázium, Brno, Vídeňská 47 vlastik9a@atlas.cz G. Malenová Gymnázium Třebíč malena.vy@quick.cz A. Podolník Gymnázium Brno, tř. Kpt. Jaroše 14 big.alda@seznam.cz Abstrakt: Při studiu struktury materiálů se v současné době využívá elektronové mikroskopie, která výrazně přesahuje možnosti optické mikroskopie. Dosahovaná zvětšení jsou až 800000. Podstatou zobrazení je interakce emitovaného svazku elektronů s atomy v krystalové mřížce. Přes náročnost přípravy vzorků a částečně destruktivní character metody nachází elektronová mikroskopie široké uplatnění v mnoha vědních oborech. 1. Úvod Se zvyšujícími se požadavky na nové materiály vyvstal před vědci problém, jak se dostat hlouběji do nitra hmoty. Ačkoli je dnes optická mikroskopie rozvinutým odvětvím, má svoje omezení. Nehodí se ke zkoumání na atomární úrovni, protože můžeme pozorovat pouze objekty větší než je vlnová délka světla. Velký význam pro rozvoj yziky měl objev rentgenového záření. Jeho vlnová délka je sice srovnatelná s meziatomovými vzdálenostmi, ale nedovoluje přímé zobrazení krystalové mřížky. K vynálezu elektronového mikroskopu přispěly významnou měrou dva objevy: magnetická čočka a akt, že elektron s dostatečně

velkou energií má vlnovou délku ekvivalentní vzdálenosti atomů, lze ho tedy použít k jejich zkoumání. 2. Elektrony a dirakce Elektronový mikroskop Prozařovací elektronový mikroskop (TEM) využívá k zobrazení preparátu zaostřený svazek elektronů. Ten je emitován z wolramové katody a urychlován vysokým napětím. Dále je zaostřován magnetickými čočkami a velkou rychlostí dopadá na vzorek. Při urychlovacím Obr 1. Schéma elektronového mikroskopu napětí 200 kv je rychlost elektronů až 0,7c a při konstrukci čoček se tak musí počítat i s relativistickými eekty. Magnetické čočky mají stejné druhy vad jako čočky optické, ale nedají se kompenzovat. Svazek tak musí mít malý průměr. Po průchodu elektronů vzorkem je obraz pozorován na luminiscenční stínítko nebo snímán CCD kamerou. Aby nedocházelo k interakcím elektronů s atmosérou, je v elektronovém mikroskopu udržováno vakuum. Vzorek v tomto typu mikroskopu musí být dostatečně tenký, aby jím elektrony prošly(10 500nm) [3].

Dirakce v krystalech Dirakce, neboli rozptyl elektronů v krystalu, vzniká tehdy, když odkloněné elektrony spolu konstruktivně intererují [2]. A to nastane právě tehdy, když platí Braggův zákon (1), obr. 2: 2 d sin Θ = nλ (1) Obr 2. Braggův zákon Při průchodu elektronového svazku vzorkem jsou elektrony ovlivňovány jednotlivými atomy v krystalové mřížce. Při vhodném nastavení systému tak můžeme na stínítku pozorovat dirakční obrazce, ze kterých se potom dá určit typ krystalové struktury materiálu. Při průchodu paprsku monokrystalem dirakční obrazce vytváří síť bodů, při průchodu polykrystalem to jsou soustředné kružnice. Strukturní aktor K vyhodnocení dirakce je potřeba znát strukturní aktor F hkl krystalu. Strukturní aktor je součet amplitud vln rozptýlených jednotlivými atomy: F hkl = N n= 1 n e 2πi( hu+ kv+ lw) (2) Každá krystalová struktura má jiný strukturní aktor: BCC (kubická prostorově centrovaná): F hkl = 1 + 2 e πi( h+ k+ l ) Pokud h+k+l=2n+1, pak se jedná o destruktivní intererenci vln a intenzita svazku je nulová. Pro h+k+l=2n jde o konstruktivní intererenci a intenzita svazku je maximální. FCC (plošně centrovaná): F hkl = πi( h+ k ) πi( k+ l ) πi( h+ l ) [ 1 + e + e + e ] Konstruktivní intererence vznikne pouze tehdy, když koeicienty h, k, l jsou všechny sudé nebo všechny liché.

Pozn.: Koeicienty h, k, l určují krystalovou rovinu (hkl): Obr. 3: Příklady krystalových rovin Určování typu krystalové mřížky Ze snímků získaných mikroskopem na MFF UK jsme určovali: a) směr dopadajícího elektronového svazku na monokrystal zlata [1] b) typ krystalové struktury různých polykrystalů Ad a) [001] [113] [114]

Ad b) TlCl (sc primitivní) Al (cc kubická plošně centrovaná) Ni (cc kubická plošně centrovaná) α-fe (bcc kubická prostorově centrovaná) Popisky u jednotlivých kroužků odpovídají různým indexům rovin. Zjistili jsme je pomocí měření průměrů kroužků, dále s pomocí vzorců (3) a (4) a tabulky rovin (hkl= 100, 110, 111, 200, 210, 211, 220, 221, 222, 300, 311, 321, 400, 331) a = (3) 2 l d hkl 2 2 h + k + Rd hkl = λ L = konst. (4) Zobrazení atomů Intererence elektronových vln se dá také využít pro zobrazení jednotlivých atomů v krystalu, pokud mikroskop bude dostatečně stabilní a elektronový svazek koherentní. Vzorek také musí být velmi tenký (30 až 50 nm) [3]. Při splnění těchto podmínek můžeme dosáhnout zvětšení 600 000-800 000.

Obr. 4 Vrstva křemíku a SiO 2 3. Shrnutí Elektronová mikroskopie se uplatňuje v řadě vědních oborů od chemie až po yziku. Používá se pro studium vnitřní krystalické struktury materiálů (v případě vysokorozlišovací elektronové mikroskopie i ke studiu atomární struktury materiálů). Výzkum nových materiálů by byl bez elektronové mikroskopie ztížen. Dalším významným oborem v němž je využívána je studium poruch materiálů a tím přispívá ke zvýšení bezpečnosti mnoha strojů a staveb. Poděkování Děkujeme Vojtovi Svobodovi a FJFI za organizaci FYZTYDu, RNDr. Dr. Miroslavu Karlíkovi za předvedení elektronového mikroskopu a přípravu materiálů, Kubovi za náhradu supervizora, sobě a nakonec panu Einsteinovi za rok yziky. Reerence: [1] SMOLA, B.: Transmisní elektronová mikroskopie ve yzice pevných látek Státní pedagogické nakladatelství Praha, 1983, Tabulka IV 158-159. [2] KITTEL, CH.: Úvod do yziky pevných látek Academia, 1985, 21, 73 [3] KARLÍK, M.: Rozhledy matematicko-yzikální Jednota českých matematiků a yziků, 1995, Pohled na atomy: vysokorozlišovací elektronová mikroskopie 215-222.