Martin Kormunda
● Optická a elektronová mikroskopie – stručné shrnutí
● Mikroskopie skenovací sondou● TEM, SEM viz výše● STM● AFM● Optická skenovací mikroskopie (SNOM)● Konfokální mikroskopie
Martin Kormunda
Srovnání mikroskopů
http://www.paru.cas.cz/lem/book/Podkap/Pic/7.1/1.gif
Martin Kormunda
Martin Kormunda
SEMSEM
SE – topografický kontrastBSE – materiálový kontrast
SE - Křídlo mouchy
Martin Kormunda
SEM - BSEBSE - Aspirin
Martin Kormunda
SEM BE + SE - Rekrystalizace vlákna žárovky
Martin Kormunda
Mikroskopie skenovací sondou● Mikroskopie skenující (rastrující) sondou (Scanning Probe Microscopy) je soubor
experimentálních metod určených ke stanovování struktury povrchu se subatomárním rozlišením ve směru kolmém k povrchu.
● První v řadě těchto technik byla skenující tunelovací mikroskopie (STM). Její teoretický popis je založen na kvantové fyzice, konkrétně na tunelovém jevu. Byla vyvinuta v laboratořích IBM pracovníky Binnigem a Rohrerem roku 1981, kterým za jejich objev byla v roce 1986 udělena Nobelova cena. Je to jedna z mála metod, která je schopna poskytnout až atomární rozlišení, přičemž je zároveň vcelku jednoduchá. Oproti ostatním metodám (transmisní elektronová mikroskopie, autoemisní iontová mikroskopie) nevyžaduje náročnou přípravu vzorku, ale poskytuje jen informace o povrchu. Její nevýhodou je, že neposkytuje okamžitý a vizuální obraz, ale snímání je postupné a je nutno pro zobrazení využít počítače.
● Historie metod v blízkém poli sahá do roku 1928, kdy Synge poprvé zavedl princip skenování ostrým skleněným hrotem velmi blízko hrotu. Tehdejší stav technologií však neumožňoval realizaci měření. První přístroj z této kategorii začal pracovat roku 1972, když R. Young sestrojil svůj Topografiner, zařízení schopné mapování povrchu ve vzdálenosti 100 nm. Atomárního rozlišení však zde nebylo dosaženo z důvodu značné nestability vzdálenosti hrotu od povrchu.
Martin Kormunda
Skenovací tunelovací mikroskop - STM
● Tato metoda je přímo založena na pravděpodobnosti průchodu částice energetickou bariérou. Energetická bariéra je vytvářena prostorem, v němž dochází k částečnému překrytí vlnových funkcí atomů hrotu a povrchu.
● Elektrony v kovu mají menší energii než elektrony ve vakuu mezi nimi, čímž se vytvoří bariéra. Jsou-li oba kovy shodné, je bariéra naprosto symetrická, oběma směry přecházejí elektrony a celkový proud je nulový. Přiložíme-li napětí, symetrie zmizí a celkový proud bude nenulový.
● Velikost proudu je ovlivňována i přítomností prázdných hladin v jednom kovu a obsazených v druhém (tj. tvarem vlnových funkcí). Z toho plynou dva poznatky:
● 1. není určována přímo topografie povrchu vzorku, ale jen rozložení vlnové funkce atomu (resp. metoda je citlivá na obsazení energetických hladin v blízkosti Fermiho energie, přičemž citlivý energetický rozsah určuje přiložené napětí),
● 2. pravděpodobnost přechodu (a tím velikost proudu) lze ovlivnit oddálením či přiblížením hrotu k povrchu.
Martin Kormunda
Tunelový jev● Tunelový jev (též kvantové tunelování) je kvantový jev známý z kvantové mechaniky,
při němž částice porušuje principy klasické fyziky tím, že prochází potenciálovou bariérou, která je vyšší než energie částice.
● Například vezměme že, máme několik kuliček a házíme jimi na zeď. Ze zákonů Newtonovské mechaniky je jasné, že se kuličky budou od zdi odrážet a za zeď se nemohou žádným mechanismem dostat. Přesto by se malá část kuliček, pokud by se chovaly jako mikroskopické částice s uplatněním kvantových efektů, objevila na druhé straně zdi. Kuličky tedy mají malou pravděpodobnost výskytu za bariérou.
● Protože, pokud je energie částice menší než výška bariéry, pak by se podle klasické mechaniky měla částice od takové bariéry odrazit zpět. Klasická mechanika neumožňuje průchod takové částice skrz bariéru. Kvantová mechanika však částici umožňuje, aby s určitou pravděpodobností prošla skrz potenciálovou bariéru (odtud také pochází označení tunelování).
Martin Kormunda
● Ve fyzice mikrosvěta si zeď představujeme jako potenciálový val pro částici pohybující se v prostoru (například v blízkosti jádra).
● Uvažujme pro jednoduchost jednorozměrný model, rozšiřitelný v praxi na mnoho sféricky symetrických problémů. Čím vyšší je směrnice křivky U(x) , tím větší síla na částici působí (podle 3. Newtonova zákona působí i částice na zdroj pole, ten ale považujeme za mnohokrát hmotnější než částici, takže se toto působení neprojeví). V oblasti potenciálového valu se navíc částice podle klasické fyziky vyskytovat nemůže.
● Potenciálová křivka v místě valu totiž značí velikost potenciální energie částice a na přímce E vidíme celkovou mechanickou energii částice, která je daná součtem potenciální a kinetické podle vzorce E = U + T .
Martin Kormunda
● Jelikož má být U > E , musí být kinetická energie T < 0 , což není možné. Situaci ukazuje obrázek:
Martin Kormunda
|Řešení Schrodingerovy rovniceVlnová funkce ψ je řešením Schrodingerovy rovnice, pro praktické použití je lépe hovořit o |ψ|2, které vyjadřuje pravděpodobnost výskytu částice částice v daném místě a čase.
Pro potencilálovou bariéru vypadá popis a řešení takto:
A Schrodingerovu rovnice lze
psát takto:
Martin Kormunda
● Kde vlnové vektory jsou
● A řešení v z < 0
● V z > L
● V 0 < z < L
Martin Kormunda
● A koeficient prostupnosti bariéry lze vyjádřit jako
Závislost T je exponenciální, koeficient je velmi citlivý na změnu proměnných: hmotnosti m , rozdílu (U(x) - E) a tloušťky bariéry l .
Martin Kormunda
Tunelování na povrchu kovuVyšetřujeme-li tunelování elektronů při povrchu reálného kovu zjistíme, že se dle Sommerfeldova modelu vyskytují pod hladinou Fermiho energie (E) podle určité rozdělovací funkce a k tunelování nedochází (obrázek a).
Pokud však ke kovu přiložíme například homogenní elektrické pole, získá rázem povrchová bariéra vůči vakuu konečnou délku a elektrony mohou z hladiny E tunelovat (obrázek b).
Martin Kormunda
● Nyní si představme, že k takovému povrchu přiblížíme jiný atom. Nutně tím změníme průběh potenciálu a tím i ovlivníme pravděpodobnost tunelování elektronů z povrchu. Právě tohoto efektu využívá STM . Přiblížíme hrot na takovou vzdálenost, že dojde k praktickému překryvu elektronových orbitalů. Tím se dramaticky zvyšuje pravděpodobnost tunelování a můžeme pozorovat tok tunelového elektrického proudu. Názornou představu o tomto mechanizmu si můžeme udělat z následujícího obrázku:
Martin Kormunda
● Vlastní měření probíhá tak, že nejprve se provede hrubý posuv vzorku k hrotu ve směru z (hrot je zde tvořen zaostřeným drátkem, např. wolframovým), tento může být čistě mechanický.
● Poté dojde k přiložení napětí mezi hrot a vzorek, aby mohl procházet proud (je tedy zapotřebí vodivý vzorek) a nyní se jemným posuvem (pomocí piezokeramiky) přiblíží vzorek ke hrotu tak, aby procházející proud nabyl měřitelných hodnot, pak se přibližování zastaví.
● Získání obrazu (skenování) se provádí skokovým posuvem ve dvou rozměrech (x, y) po příslušné matici měřicích bodů, zpravidla se pohybuje po řádcích a v jednom směru (zpětný pohyb je tedy prázdný).
● Výstupem měření je matice aij, jejíž indexy označují polohu bodu a
příslušná hodnota je velikost měronosného signálu. Tento signál může být dvojího druhu, v závislosti na režimu měření:
Martin Kormunda
STM - schematicky
Martin Kormunda
Piezoelektrické látkyU některých speciálních pevných látek, které nemají strukturu se středem souměrnosti, může docházet k piezoelektrickému jevu. Podstata tohoto jevu je následující: v klidovém stavu jsou polohy kladných a záporných nábojů po vystředění přes objem buňky shodné a materiál nevykazuje elektrické projevy. Je-li však mechanicky stlačen, polohy nábojů se rozposunou a na krajích látky se objeví náboj - látka se začne chovat elektricky. Pro SPM je však důležitější chování opačné, tedy změna rozměrů po přiložení elektrického napětí. Právě tato délková změna umožňuje využití piezoelektrik jako polohových manipulátorů. Důležitým rysem obou jevů je závislost efektu na vzájemné poloze krystalografických os látky a směru přiloženého pole (elektrického či mechanického).
Mezi nejznámější látky s piezoelektrickým chováním patří křemen, LiNbO3 a LiTaO3, PZT a je tvořen tuhým roztokem PbZrO3 a PbTiO3).
Martin Kormunda
Jednoduché STM
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stmsample.jpg
Martin Kormunda
STM grafit
5 nm x 5 nm STM image of graphite.
http://www.analytik.ethz.ch/praktika/analytisch/stm/STM_of_HOPG.pdf
Martin Kormunda
STM - režim s konstantní výškou● při němž se udržuje jednou nastavená hodnota
z0 a měří se velikost tunelového proudu. ● Tento režim umožňuje rychlé snímání obrazu,
protože není nutno pohybovat vzorkem, ale je méně přesný, neboť při velkých vzdálenostech hrotu od povrchu se proud dostává pod dobře měřitelnou úroveň.
●
Martin Kormunda
STM - režim s konstantním proudem ● při němž se pomocí zpětné vazby udržuje konstantní úroveň
proudu. ● Měronosnou veličinou je napětí přikládané k piezokeramickým
pohybovým prvkům. ● Tento režim je pomalejší, umožňuje sledovat větší změny profilu
povrchu, je však závislý na převodním vztahu přiloženého napětí a změně rozměru piezoprvku. Tato závislost může být odstraněna vnějším měřičem polohy, např. laserovým.
● Další nevýhodou může být poškození povrchu, přejde-li hrot nad oblast s výrazně odlišnými elektrickými vlastnostmi (např. zoxidovaná místa) - aby byl udržen nastavený proud, dojde k velkému snížení (přiblížení) hrotu.
Martin Kormunda
Atomic Force Microscopy -AFM● Mikroskopie AFM je založena na mapování rozložení atomárních sil na povrchu
vzorku. Tyto síly jsou mapovány těsným přiblížením hrotu k povrchu, čímž vzniká přitažlivá nebo odpudivá síla, která způsobí ohnutí nosníku, na němž je upevněn hrot. Toto ohnutí je snímáno citlivým, zpravidla laserovým snímačem a vytváří měronosnou veličinu. Zřejmou výhodou této metody je možnost studovat jak nevodivé, tak i vodivé vzorky.
● Detektor ohnutí je tvořen laserovou diodou, která vytváří skvrnu konečné velikosti, která dopadá na špičku nosníku a od něj se odráží. Odražené světlo dopadá na světelný detektor, který je rozdělen na dvě citlivé části. Před vlastním měřením se systém mechanicky vyváží tak, aby energie svazku dopadající do obou částí (duantů) byla stejná. Při měření se ohyb projeví posunem odrazu, takže energie v jednotlivých duantech už nebudou stejné a z jejich poměrů je možno určit vychýlení nosníku. V současné době se zpravidla využívá kvadrantní detektor, který je rozdělen na čtyři části a umožňuje detekovat pohyb skvrny v dalším kolmém směru - tedy zkrut nosníku.
Martin Kormunda
● Síly ohýbající nosník mohou být různé fyzikální podstaty, především se však uplatňuje přitažlivá van der Waalsova síla působící mezi dvěma atomy na větší vzdálenosti a odpudivá síla plynoucí z Pauliho principu, která působí na menších vzdálenostech. Celková síla může být jak odpudivá, tak i přitažlivá v závislosti na vzdálenosti hrotu. Z tohoto "rozdělení" je možno odvodit následující režimy činnosti:
●
●
Martin Kormunda
AB
ScannerScanner
CantileverCantilever
LazerLazer
Photodiode (2 or4 sectioned)Photodiode (2 or4 sectioned)
Sample
Feedback loop
The error signal:The error signal:1) The static cantilever deflection in contact mode, 2) The amplitude of vibrations – in a semicontactmode
dd
F = k d
O. Wolter et al; JVST B9 (1991), 1353.
Martin Kormunda
Dotykový (kontaktní) měření● zde je vzdálenost hrotu a povrchu tak malá, že výsledná síla je odpudivá a snaží se
ohýbat nosník od povrchu. Bude-li jeho tuhost menší než efektivní tuhost držící pohromadě atomy povrchu, lze ohnutí nosníku použít k měření sil. V opačném případě se nosník neohne, ale může způsobit poškození vzorku. Do ohnutí nosníku se však ještě promítají i jiné síly, které brání kvalitnímu zobrazení. Jde především o kapilární síly vznikající v kapičkách vody zkondenzované na povrchu vzorku z okolní vlhkosti. Další působící veličinou může být vlastní pružnost nosníku. V této oblasti působí na vzorek zpravidla síla řádově 10-7 N. Tento režim lze rovněž provozovat ve dvou modifikacích, a to sice:
● a.s konstantní výškou, při níž je udržována určená hodnota výšky z0 a měří se ohnutí nosníku;
● b.s konstantní silou, kdy se udržuje konstantní ohnutí nosníku a posunuje se vzorkem (či hrotem) ve směru osy z. Tato modifikace je častěji používaná, protože se vyvarujeme závislosti prohnutí na kapilárních silách a pružnosti nosníku, je ovšem pomalejší (potřeba pohybu vzorku, závisí na odezvě zpětné vazby).
● Při dotykovém měření se zpravidla projevuje hystereze. Při přibližování k povrchu je nejprve síla konstantní, při určité vzdálenosti d1 prudce vzroste a přitáhne hrot skokově k povrchu, pak zvolna narůstá odpudivá síla. Při oddalování nejprve klesá odpudivá síla, zvolna přechází v rostoucí přitažlivou a v jisté vzdálenosti d2> d1 prudce klesne a nosník odskočí.
Martin Kormunda
● Pro dosažení požadované přesnosti musí pružný element i hrot splňovat několik principiálních podmínek.
● Hrot musí být dostatečně ostrý, obvyklé poloměry zaoblení měřícího konce hrotu jsou 10 – 20nm. Také musí být hrot dostatečně dlouhý, aby dosáhl na dna nerovností měřeného vzorku. A v neposlední řadě musí být odolný, aby vydržel přímý kontakt s měřeným povrchem. Z toho plyne, že pro různé vzorky je vhodné použít různé hroty podle předpokládaných parametrů povrchu. Také si je třeba uvědomit, že ostřejší hrot vytváří větší tlak na měřený povrch a tím zvyšuje riziko poškození (vzorku i hrotu) a následně výskyt artefaktů ve výsledné topologické mapě. To může být velmi problematické zvláště u biologických vzorů.
●
Martin Kormunda
Pružný element musí zajišťovat dostatečnou měkkost, tak aby byl schopen reagovat na změny působících sil od povrchu. Popišme si hrot rovnicí F = k ∆z, kde F je působící síla, ∆z polohová změna a k konstanta pružnosti elementu. Pro pružný element tvaru kvádru lze přibližně psát, k ~ Ewt3l-3 , kde E je Youngův modul pružnosti, w,t,l jsou šířka, tloušťka a délka pružného elementu. Pokud dosadíme typické hodnoty pro hliníkový pružný element o velikosti w,t,l = 1mm,10µm,4mm, pak k ~ 1Nm-1. Vypočtenou tuhost pružného elementu můžeme srovnat s tuhostí jednotlivých meziatomárních vazeb k(C-C) ~ 500 Nm-1 a k(C-C-H bend) ~ 50Nm-1. Porovnáním je zřejmé, že uvažovaný pružný element bude reagovat na působící meziaromární síly bez zásadního ovlivnění povrchu analyzovaného vzorku.
Martin Kormunda
Nicméně vhodná tuhost pružného elementu není jediným požadavkem nutným k dosažení dobrých výsledků. Element také musí odolávat vibracím z vnějších zdrojů, které na něj budou během měření působit. To je dostatečně splněno, pokud frekvence vlastních kmitů soustavy pružného elementu je mnohem vyšší než frekvence externích (rušivých) vibrací.
Pro pružný element tvaru kvádru platí, že frekvence vlastních kmitů je úměrná f0 = (k/m)1/2. kde k je konstanta pružnosti elementu a m je hmotnost. Z rovnice je zřejmé, že hmotnost pružného elementu musí být minimalizována. Pokud tedy vyrobíme pružný element pomocí mikrolitografických metod z Si nebo Si3N4 o rozměrech w,t,l = 40µm, 1.5µm, 140µm.
Pak k ~ 0,7Nm-1 a f0 ~ 60kHz, což jsou dostatečné parametry. Tedy lze vyrobit pružný element s parametry vhodnými pro měření meziatomárních sil.
Martin Kormunda
Topologie povrchu
Excimer laser-treatedPolymer blend thin film
Martin Kormunda
Pokud se podíváme blíže na běžné měření AFM v kontaktním režimu na vzduchu, pak si uvědomíme, že každý povrch je za běžných podmínek na povrchu silně kontaminován „kapalnou“ vrstvou tvořenou adsorbovanou vodou, uhlíkem a podobně. Typicky je taková vrstva na všech površích za normálních podmínek tlustá několik nanometrů. Pokud tedy nyní přiblížíme hrot k reálnému kontaminovanému povrchu, tak v okamžiku kontaktu hrotu s povrchem „kapalné“ vrstvy kapilární síly začnou působit na hrot (přitahovat ho k povrchu) a vytvoří se meniskus. Případný elektrostatický náboj povrchu vzorku může ještě přidat dodatečné silové působení na hrot. Tyto přídavné přitažlivé síly mohou zkreslit měřená data a nebo společně s laterálními silami vznikajícími při pohybu měřeným vzorkem posouvat částmi povrchu. Pro některé vzorky může být řešení měření AFM provádět přímo v kapalině, kdy je celková síla působící mezi měřeným povrchem a hrotem menší. Nicméně to přináší další problémy.
Martin Kormunda
AFM kontaktní mód● Limit vertikálního rozlišení pro tupý hrot R = r●
Martin Kormunda
AFM kontaktní mód● Limit vertikálního rozlišení pro ostrý hrot
Martin Kormunda
AFM kontaktní mód● Limit horizontálního rozlišení d●
Martin Kormunda
AFM grafit
http://www.polymermicroscopy.com/eng_afm_graphit.htm
Martin Kormunda
Bezdotykové měření● je vibrační technika, při níž je vzdálenost mezi hrotem a vzorkem udržována v strmé
části vzestupné závislosti van der Waalsových sil (mají velikost řádově 10-12 N, desítky až stovky nm). Výhodou této metody je měření bez mechanického kontaktu, což umožňuje měřit i měkké a elastické vzorky a zabraňuje možnému znečištění. Protože je v této metodě hrot ke vzorku přitahován, musí být dostatečně tuhý, aby nedošlo k přiskočení ke vzorku a jejich poškození. Zároveň však na něj v této vzdálenosti působí malé síly a je tedy ohnutí velmi malé, tudíž i měřicí signál je velmi malý.
● Z tohoto důvodu se často používá střídavého měření. Celý nosník je rozkmitáván blízko své rezonanční frekvence s rozkmitem jednotek nm a může být měřena změna rezonanční frekvence při přiblížení k povrchu.
● Obě metody se výrazně liší v případech, kdy je zkoumaný povrch částečně pokryt zkondenzovanou vodou. Bezdotyková metoda bude snímat reliéf odpovídající povrchu vodní kapky, ale dotyková metoda bude sledovat povrch vzorku (samozřejmě se zde může nepříznivě projevit vliv kapilarity).
Martin Kormunda
Matematický popis
md2z/dt2 = -kz – (mω0/Q)dz/dt + Fts + Fdcosωt
The driving (d) piezoelement termThe driving (d)
piezoelement term
Fts- the force between the tip and the sample.It is this force that determines the cantilever dynamics and
phase contrast
Fts- the force between the tip and the sample.It is this force that determines the cantilever dynamics and
phase contrast
Energy dissipation term (mainly due to the friction of the cantilever beam in air),
Q – cantilever quality factor
Energy dissipation term (mainly due to the friction of the cantilever beam in air),
Q – cantilever quality factor
Hooke’s force, k – the cantilever spring constant
ω0 = √k/m Resonance frequency of free (undamped, i.e. Q=∞) cantileverω0 = √k/m Resonance frequency of free (undamped, i.e. Q=∞) cantilever
Q - quality factor describing the number of oscillation cycles after which the damped oscillation amplitude decays to 1/e of the initial amplitude with no external excitation (Fd=0)
Martin Kormunda
Amplituda a fáze volných kmitů
Q - jakostní faktor, počet oscilací po kterých se aplituda sníží na 1/e z původní amplitudy bez vnější síly (Fd=0).
Řešení bez vzorku : Fts= 0Na nosníku hrotu je umístění piezo element a amplitudou kmitů Ad o frekvenci ω.
Obecné řešení diferencální rovnice je lineární kombinací dvou režimů:
Steady-state (ss): zss(t) = Asscos(ωt+φss) (konstantní amplituda) Transient (t): zt(t) = Atexp(-ω0t/2Q)*sin(ω0t+φt) (tlumené kmity)
Martin Kormunda
1
1500 x
0
1
1500 x
0
(exp(-0,04x))·cos(6,28x)
1/e
Q = 25
x = ω/ω0
Martin Kormunda
Amplituda a fáze volných kmitů
Známý vztah pro steady state solution zss(t) amplitudy a fáze kmitů v závislosti na frekvenci vnější budící síly :
Ass = Q Ad /[x2+Q2(1-x2)2]1/2
φss = arctan [x/Q(1-x2)]x = ω/ω0
Δω/ω0= 1/QΔω/ω0= 1/QΔω/ω0= 1/Q
x = ω/ω0
x = ω/ω0
Poznámka! Rezonanční frekvence oscilací na pevném a volném konci se liší právě o 90о
Ass
φ ss
π/2
π
0
π/2
π
0
ω0* = ω0 √1-1/(2Q2)ω0* = ω0 √1-1/(2Q2)
Tlumení dz/dt způsobuje posun frekvence oscilací z ω0na ω0* v závislosti na Q.
Největší změna amplitudy a fáze je v úzké oblasti frekvencí Δω/ω0 = 1/Q kolem ω0*
Martin Kormunda
Amplituda a fáze v přitažlivém poli
k* = k +<dFattr/dz>,
k* < k, fattr < f0
Rezonanční pík volné oscilaceRezonanční
pík v přitažlivém
poli
Rezonanční frekvence se posouvá doleva.
Fáze roste.
Martin Kormunda
Amplituda a fáze v odpudivém poli
Rezonanční pík volné oscilace
Rezonanční pík v odpudivém poli
k* = k +<dFattr/dz>,k* > k, frep > f0
Rezonanční frekvence se posouvá doleva, amplituda klesá.Fáze klesá.
Martin Kormunda
K čemu to je dobré?Výška Fáze
Kuličky v matici (φ = 17±2nm, d = 38±2nm)
Poly(cyclohexylmethacrylate-co-methylmethacrylate-b-isooctylacrylate-b-cyclohexylmethacrylate-co-methylmethacrylate)
Martin Kormunda
Poklepové (Tapping) měření● je velmi podobný předchozím, jen rozkmit - cca
20nm ve volném prostoru, je tak velký, že dochází k dotyku hrotu s povrchem
● Povrch je zde opět mapován ze změny rezonanční frekvence (50kHz – 500kHz).
● Tato modifikace je výhodnější než dotyková v případech, kde by hrozilo poškození povrchu třením nebo tažením a je rovněž vhodnější než bezdotyková, je-li nutno snímat větší plochy zahrnující větší rozpětí v ose z.
Martin Kormunda
Tapping režim lze používat i při měření v kapalinách, jen je obvykle redukována frekvence oscilací. Tapping režim měření je zvláště vhodný pro měkké a křehké vzorky jako jsou polymery, nevytvrzený fotorezist, DNA. Mimo jiné při frekvencích kontaktů od 50kHz do 500kHz vykazuje mnoho materiálů vizkoelastické chování, tedy jejich poškození se tím dále minimalizuje.
Martin Kormunda
Příklad - Epitaxial Si film
Kontaktní mod Tapping mod
1 μm scans
Martin Kormunda
Martin Kormunda
Fáze a Tapping mod● Fáze je úměrná
● Vizkoelastickým vlastnostem● Frikci● Adhezi● atd.
Martin Kormunda
Fáze má lepší kontrast
Martin Kormunda
Měření frikčního koeficientu pomocí AFM
Pokud v kontaktním režimu s vzorkem posouváme ve směru kolmém na delší osu pružného elementu s hrotem, viz obrázek. Pak pomocí čtyř zónového detektoru výchylky laseru můžeme měřit torzní natočení hrotu a tím určit lokální frikční koeficient jako signál z oblastí (A+C) – (B+D), vyhodnocení frikčního koeficientu je zřejmé, větší natočení, silnější signál vyšší tření. Pro úplnost můžeme zároveň určit i topologii povrchu jako výsledek (A+B) – (C+D) operací s intenzitou signálu.
Martin Kormunda
Frikční koeficient
Měření provádíme v režimu konstantní síly.
Martin Kormunda
Nano-kompozit PEO-CNTH LF
5 um5 um PEO lamellae
H – topografieLF – laterální síly
Martin Kormunda
Chemické mapy pomocí AFM
Můžeme ale změřit i síly chemické vazby působící mezi reaktanty? Pokud se nám podaří nějakým pevných (chemickou vazbou) připojit na měřici hrot molekuly obsahující jeden z reaktantů a na povrchu vzorku máme distribuován druhý reaktant, pak lze měřit chemickou interakci mezi reaktanty jako sílu působící na hrot AFM.
Martin Kormunda
Funkcionalizovaný hrot
Patrick Boisseau, Philippe Houdy, Marcel Lahmani, Nanoscience: Nanobiotechnology and Nanobiology, Springer, 2009
Martin Kormunda
Magnetické vlastnosti
Stejně jako u chemické mapy postupu lze snadno použít magnetický hrot a měřit mapu magnetický vlastností na povrchu vzorku.
Martin Kormundahttp://nanosystemy.upol.cz/upload/18/vujtek.pdf
Martin Kormunda
Další možnosti AFM
Force Modulation Microscopy (FMM)Nanoindenting/Scratching Magnetic Force Microscopy (MFM)
Lze provádět i AFM manipulace a nanolitografii
Martin Kormunda
SEM - AFM
Fe:SnO2 sloupečky – SEM a AFM
Martin Kormunda
Scanning near-field optical microscopy - SNOM
● Optická skenovací mikroskopie v blízkém poli, je mikroskopická technika pro pozorovaní v oblasti nanočástic, která překonává rozlišovací limit pomocí vlastností tlumených vln.
● Základem této techniky je umístění detektoru velmi blízko k povrchu vzorku, pro představu méně než je vlnová délka světla.
● Používá se v optické mikroskopii, pro její schopnost zvýšit kontrast nanočástic, může být snadno použita studiu různých vlastností látek, jako je index lomu, chemická struktura a mechanická deformace.
Martin Kormunda
● Zařízení se skládá například z optického vlákna leptaného do špičky, které je u této špičky pokoveno. Vláknem prochází modulované elektromagnetické záření (laser), které dopadá na vzorek ve vzdálenosti menší než je jeho vlnová délka, tzv. oblast blízkého pole.
● V tomto poli nedochází k výraznému odchylování fotonů ze směru kolmém na vzorek, a proto je interpretace výsledků snadnější. Světlo se vzorkem interaguje a to, které se odrazí nebo rozptýlí je detekováno fotonásobiči a převedeno na elektrický signál, a pak na monitor.
● SNOM je vlastně spojení optické mikroskopie s mikroskopií se skenující sondou (SPM). Tím dochází k lepšímu rozlišení než u klasické mikroskopie.
Martin Kormunda
SNOM
Martin Kormunda
SNOMEvanescentní vlna, je uspořádání elektromagnetické vlny na rozhraní při totální reflexi v prostředí opticky řidším. V tomto prostředí exponenciálně ubývá její amplitudy. Je ukázáno, že hloubka vniku dp evanescentního pole do opticky řidšího prostředí při totální reflexi je vyjádřena vztahem:
Kde: λ - vlnová délka
n1 – index lomu jádra
n2 – index lomu obalu
Θ – úhel dopaduEvanescentní vlny - nepropagativní vlny vyznačující se exponenciálním poklesem ve směru kolmém k rozhraní.
( )[ ]2/122
221 sin4 nn
d p−Θ
=π
λ
Martin Kormunda
SNOM metody
http://www.azonano.com/Details.asp?ArticleID=1205
● Existuje mnoho metod – nejběžnější jsou ● A – transmisní mod osvětlení● B – transitní mod sběru signálu● C – netransparentní vzorky – na odraz
Martin Kormunda
SNOM hrot● Dutý hliníkový hrot průměr apertury 100 nm.● SNOM je obvykle částí AFM
Martin Kormunda
Srovnání
A: nekonfokální mikroskop
B: konfokální mikroskop
(Laserový) Konfokální mikroskop● Patentovaný Marvin Minsky 1957 – neměl ale
vhodný zdroj světla●
Martin Kormunda
Výhody a nevýhody
+ Potlačení mlhavého pozadí obrazu+ Optická tomografie (3D rekonstrukce)+ Překročení Reyleighova critéria
- Statistický šum
Martin Kormunda
Princip● U optické mikroskopie je kvalita zobrazení nepříznivě
ovlivňována překrýváním obrazu roviny do níž je mikroskop zaostřený, s neostrými obrazy rovin pod ní a nad ní. To zde není díky cloně.
● Clona má průměr rovnající se právě rozlišovací schopnosti objektivu.
● Informace o intenzitě světla se měří fotodetektorem.● Signál z detektoru je odeslán do počítače, který zároveň
dostává informaci o souřadnicích snímaného bodu. Tímto způsobem je bod po bodu proskenován celý objekt v různých optických rovinách. Toto skenování je automatizováno a ovládáno řídícím počítačem. Z nashromážděných informací počítač sestaví celkový obraz.
Martin Kormunda
Princip
čárkovaně: paprsky jdoucí z mimoohniskovýchrovin, zachycené clonou.
Martin Kormunda
Rastrování
rozmítáním laserového paprsku příčným posouváním vzorku před objektivemposouváním objektivu nad vzorkem Počítačové zpracování:
Martin Kormunda
Martin Kormunda
Popis celého systému
Martin Kormunda
Počítačové zpracování
Rastrovací algoritmizaceProstorová rekonstrukceTvorba stereoskopických párůFluorescence v reálných barvách pomocí tří fotonásobičů (RGB)
Martin Kormunda
Vytvořený 3D model
Martin Kormunda
Software for free● http://www.nanoscience.com/education/software.html●
Martin Kormunda
● http://atmilab.upol.cz/spm.html● http://physics.mff.cuni.cz/win/kevf/s4r/povrch/stm/stm_tunelovy_jev.htm● http://www.ntmdt.com/spm-basics/view/tunneling-effect● http://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/STM_Gallery/stm_schematic.html● Roberto Lazzaroni, Principles of Atomic Force
Microscopy, LAMINATE short course on Scanning Probes Microscopies, Mons, Sept 11 2001
● Veeco● Olympus
Martin Kormunda
1. (a) What are the sample requirements for a STM experiment?
(b) What property of the sample is measured in a STM experiment?
