MIKROSKOPIE A SPEKTROSKOPIE, FSI-TMK GARANT PŘEDMĚTU: Prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (ÚFI) VYUČUJÍCÍ PŘEDMĚTU: Prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D., Ing. Aneta Křížová (ÚFI), Ing. Jana Čolláková (ÚFI), Ing. Zbyněk Dostál (ÚFI), doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (ÚFI), doc. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (ÚFI), Ing. Petr Bábor, Ph.D. (ÚFI), doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (ÚFKL MU) JAZYK VÝUKY: čeština TYP A ROZSAH VÝUKY: 2 hodiny přednášek a 1 hodina laboratorních cvičení týdně ZPŮSOBY HODNOCENÍ: zápočet a (písemná a ústní) zkouška PREREKVIZITY: základní kurz fyziky, kvantová fyzika, fyzika pevných látek, povrchy a tenké vrstvy. Geometrická a vlnová optika. VÝSTUPY VÝUKY A KOMPETENCE: Studenti získají vědomosti o historii a moderních technikách a přístupech v oboru světelné mikroskopie a částicové spektroskopie a základní praktické dovednosti při práci s příslušnými přístroji. Mimo jiné jim to usnadní orientaci při výběru tématu závěrečné práce (diplomové či doktorské). ANOTACE: úvod do světelné mikroskopie (historický přehled doplněný o podstatné poznatky geometrické a vlnové optiky, konstrukce světelného mikroskopu, základní techniky světelné mikroskopie a praktické poznatky), teoretický popis zobrazení (vlnová teorie zobrazení vycházející z Abbeovy teorie), konfokální mikroskopie (princip, konstrukce zařízení, vlastnosti zobrazení), fluorescenční mikroskopie (princip, konstrukce zařízení, vlastnosti zobrazení), interferenční a holografická mikroskopie (princip, konstrukce zařízení, vlastnosti zobrazení), rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS, princip, konstrukce zařízení, parametry), hmotová spektroskopie sekundárních iontů (SIMS, princip, konstrukce zařízení, parametry), spektroskopie rozptýlených iontů s nízkou energií (LEIS, princip, konstrukce zařízení, parametry). V laboratořích probíhají demonstrační a praktická cvičení z optické mikroskopie a částicové spektroskopie.
PODROBNÝ OBSAH PŘEDMĚTU Lekce I – Úvod do mikroskopie •
vývoj světelné mikroskopie (významné historické okamžiky a osobnosti spojené s významnými poznatky) o Alhazen, René Descartes, Antoni van Leeuwenhoek, Zacharias Janssen, Robert Hooke, Ernst Abbe, Frits Zernike, Marvin Minsky, Mojmír Petráň a Milan Hadravský o zvětšení spojné čočky o otvorová vada, Coddingtonova podmínka, vliv krycího sklíčka o specifikace objektivu I o základní prvky složeného mikroskopu o ohraničení svazků, telecentrický chod paprsků, numerická apertura o specifikace objektivu II o složený mikroskop, konjugované roviny, zvětšení o složený mikroskop s nekonečnou tubusovou délkou o mikroskopy 18. století
mikroskopy 19. století (achromatický mikroskop, polarizované světlo, temné pole, invertovaný mikroskop, apochromatický objektiv, interferenční mikroskop) o barevná vada (Abbeovo číslo, achromatický dublet) o optická skla o apochromatický objektiv o koma, aplanatická soustava, Abbeova sinová podmínka o astigmatismus a Petzvalovo sklenutí pole o technika temného pole difrakčně limitovaná rozlišovací schopnost Ernst Karl Abbe schéma zobrazení zobrazení dvojice štěrbin zobrazení bodu přehled významných technik o fázový kontrast (Frits Zernike) o další metody zvýšení kontrastu (Rheinbergovo osvětlení, Hoffmanův modulační kontrast) o mikroskopie s polarizovaným světlem o Nomarského diferenciální interferenční kontrast (DIC) o interferenční mikroskopie o konfokální mikroskopie o fluorescenční mikroskopie o superrozlišení (STED, STORM) o SHG, THG o
•
•
Lekce II – Teorie zobrazení •
•
•
•
•
Abbeova historická formulace o limit rozlišení (Lummer, Reiche) o schéma zobrazení o zobrazení dvojice štěrbin výpočet pomocí Fresnelova propagátoru o propagace komplexní amplitudy vlny o transformace tenkou čočkou o schéma zobrazení s aperturní clonou o komplexní amplituda vlny v zadní ohniskové rovině o komplexní amplituda vlny v obrazové rovině o výsledné vztahy pomocí Fourierovy transformace o difrakčně neomezený přenos o pojem prostorové frekvence o přenos omezený aperturou o příklady zobrazení štěrbiny o amplituda a intenzita v obrazové rovině o zobrazení dvojice štěrbin koherentní osvětlení nekoherentní osvětlení funkce přenosu o koherentní funkce přenosu (CTF) o optická funkce přenosu (OTF) vliv osvětlení na přenos prostorových frekvencí
•
impulsová odezva soustavy o výpočet zobrazení bodového objektu o vztah s funkcemi přenosu
Lekce III – Konfokální mikroskopie •
• •
•
•
• • • • • •
• •
motivace pro vývoj konfokálního zobrazování a historie o M. Minsky, M. Petráň a M. Hadravský, D. Egger a R. Galambos o výpočetní technika o lasery o kombinace s fluorescenční mikroskopií výhody konfokální mikroskopie princip zobrazování o transmisní a reflexní uspořádání o kombinace s fluorescenční mikroskopií vlastnosti konfokálního zobrazování o zobrazování objektu bod po bodu o prostorově invariantní zobrazování o zlepšení laterálního i osového rozlišení o optické řezy skenování o posuvem vzorku o laserovým svazkem osová intenzitní odezva pro rovinu aplikace optických řezů aplikace v biologii nastavení velikosti dírkové clony teorie – zobrazení bodu konfokální mikroskop s dvojitým řádkováním o vlastnosti o princip moderní konfokální laserové skenovací mikroskopy modifikace o konfokální theta mikroskopie o 4π mikroskopie o lightsheet mikroskopie
•
Lekce IV – Fluorescenční mikroskopie •
• • • • • • •
fluorescence o definice o historie o princip o photobleaching o Jablonského diagram o schéma fluorescenčního mikroskopu o princip fluorescenčního barvení FLIM – fluorescence lifetime imaging o princip metody, výhody, příklady použití FRET – fluorescence resonance energy transfer o princip metody, výhody, příklady použití FRAP – fluorescence recovery after photobleaching o princip metody, výhody, příklady použití FLIP – fluorescence loss in photobleaching o princip metody, výhody, příklady použití TIRFM – total internal reflection fluorescence microscopy o princip metody, výhody, příklady použití multiphoton microscopy o princip metody, výhody, příklady použití STED – stimulated emission depletion microscopy o princip metody, výhody, příklady použití
Lekce V – Interferenční a holografická mikroskopie • •
• • •
•
•
• •
historie interferenční mikroskopie typy interferenčních mikroskopů o transmisní o reflexní dvouvlnový interferenční mikroskop význam fázového kontrastu výpočet fázového kontrastu o metoda krokování fáze o numerická rekonstrukce hologramů holografická mikroskopie o jednovětvové metody o dvouvětvové metody o koherencí řízená holografická mikroskopie první generace zařízení druhá generace zařízení význam holografické mikroskopie v biologii o výpočet hmoty buňky o dynamické fázové diference zobrazování přes difuzní prostředí o vliv pro biologické aplikace teorie zobrazení holografickým mikroskopem o úhlové spektrum vlny
o o o o o o o
rozptyl vlny objektem průchod optickou soustavou, pupilová funkce komplexní amplituda v referenční a objektové větvi rekonstruovaný signál koherentní funkce přenosu bodová rozptylová funkce ilustrativní aproximace
Lekce VI – Spektroskopické metody •
• • • •
• • • • • •
• • • • •
základní prvky spektroskopů o zdroje záření o detektory parametry šum temný proud o děliče svazků o optická vlákna o fokusační elementy parabolická zrcadla toroidální zrcadla eliptická zrcadla o polarizátory propustnost propagace elektromagnetické vlny techniky blízkého pole: SNOM o pozorování plazmonových stojatých vln v graphenu Lorentzův oscilátor o komplexní plasmová frekvence o komplexní fáze Gaussův oscilátor o Porovnání s Lorentzovým oscilátorem infračervená absorpční spektra interakce světla s vibrující molekulou: ramanovská spektroskopie o frekvence vibrací pro různé vazby plasmonové polaritony o povrchová plasmonová rezonance Kerrův jev Elipsometrie o principy o měřené veličiny o základní rovnice elipsometrie o elipsometrie s rotačním analyzátorem infračervená mikro-spektroskopie časově rozlišená spektroskopie časově rozlišená luminiscence „pump-probe“ techniky terahertzová spektroskopie v časové doméně
Lekce VII – Rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS)
• •
•
•
•
•
•
úvod do problematiky o chemická, morfologická a mikroskopická informace o zkoumaném vzorku fotoelektronové spektrum o poloha a notace píků o spin-orbitální štěpení hladin o chemický posuv, vliv velikosti nanočástic a polohy atomů na polohu píku o intenzita, tvar a šířka píků, fitování píků o pozadí ve spektru, Tougaardova metoda o série Augerových čar, jejich notace o ztrátové a satelitní píky kvantitativní analýza metodou XPS o účinný průřez fotoemise, úhlová asymetrie fotoemise o transmise spektrometrem o hloubková distribuční funkce o kvantifikace chemického složení transport elektronů pevnou látkou o střední neelastická volná dráha, útlumová délka o elastický rozptyl elektronů o určení tloušťky vrstvy pomocí XPS instrumentace o schéma zařízení o vakuový systém o vznik rentgenového záření, zdroj rentgenového záření, monochromátor o elektronový spektrometr, hemisférický analyzátor, „pass energy“ o zobrazovací spektrometr o magnetická čočka o neutralizátor náboje o hloubkové profilování, iontové zdroje příbuzné metody o UPS, AES o XAS, NEXAFS, XMCD, rezonanční fotoemise příklady aplikací o Systém Cu/SiO2/Si o Systém Au/SiO2/Si
Lekce VIII – Hmotnostní spektroskopie sekundárních iontů (SIMS) •
•
Interakce iontů s pevnou látkou, produkty a jejich využití o Rozptyl iontů o Odprašování o Emise elektronů o Emise fotonů o Adsorpce o Implantace Analýza pomocí odprášených iontů (SIMS) o Koeficient odprašování o Ionizační účinnost o Odprašovací rovnice o Brzdný účinek o Simulace průniku iontů do pevné látky o Molekulární dynamika
Kolizní kaskády Mixování atomů Způsoby analýzy sekundárních iontů – principy, konstrukce o magnetický sektor o analyzátor doby letu (elektrostatické zrcadlo, ortogonální analyzátor) o kvadrupólová analyzátor Praktické příklady analýzy sekundárních iontů o hloubkové profilování o 2D a 3D analýza o laterální a hloubkové rozlišení o informační objem a citlivost o o
•
•
Lekce IX – Spektroskopie rozptýlených iontů s nízkou energií (LEIS) •
•
•
•
•
obecný úvod o historie rozptylu (103 let od publikování výsledků Rutherfordem) o interakce na úrovni atomů a molekul binární kolize o kvalitativní analýza o zákony zachování při rozptylu zákon zachování mechanické energie zákon zachování hybnosti teoretický popis rozptylu o kvantitativní analýza o coulombovský odpudivý interakční potenciál jader o rozptyl na nehybném jádru o rozptyl na pohybujícím se jádru o zákon zachování momentu hybnosti o diferenciální účinný průřez pro vysoké energie o diferenciální účinný průřez pro nízké energie o stínící funkce o numerické aproximace stínící funkce experimentální vybavení o elektrostatické analyzátory o energiový analyzátor vycházející z doby letu rozptýlené částice příklady konkrétních aplikací LEIS o in situ monitorování deposice Co na SiO2 o hloubkové profilování Mo Si vrstev
Laboratorní cvičení 1. téma: základní mikroskopové techniky I 2. téma: základní mikroskopové techniky II 3. téma: laserový rastrovací konfokální mikroskop 4. téma: pozorování fluorescenčně barvených vzorků 5. téma: koherencí řízený holografický mikroskop 6. téma: optické spektroskopické metody 7. téma: XPS 8. téma: SIMS 9. téma: LEIS
♣ ZÁKLADNÍ LITERATURA: D. B. MURPHY: Fundamentals of light microscopy and electronic imaging. Wiley-Liss, Hoboken 2001. A. R. HIBBS: Confocal Microscopy for Biologists. Springer, 2004. H. KUZMANY: Solid-state spectroscopy. Springer, 2009. H. FRIEDRICH: Scattering Theory. Springer, Heidelberg, New York, Dordrecht, London 2013. J. ČECHAL: Analýza povrchu a tenkých vrstev využitím fotoelektronové spektroskopie. Dizertační práce, VUT v Brně, 2006. R. G. WILSON, F. A. STEVIE, AND C. W. MAGEE: Secondary Ion Mass Spectrometry – a practical handbook for depth profiling and bulk analysis. John Wiley, 1989. R. Chmelík: Materiály do praktika předmětu Mikroskopie a spektroskopie. Elektronický studijní text, Brno, 2014.
DALŠÍ DOPORUČENÁ LITERATURA A ZDROJE: M. CH. BARSHICK, D. C. DUCKWORTH, D. H. SMITH: Inorganic mass spectrometry - fundamentals and applications. Marcel Dekker, NY, 2000. A. BENINGHOVEN: Secondary ion mass spectrometry - basics concepts, instrumental aspects, applications and trends. John Wiley, NY, volume 86, 1987. D. BRIGGS, M. P. SEAH (EDS.): Practical Surface Analysis, vol. 1: Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy, sec. ed., John Wiley, Chichester, UK, 1993. D. BRIGGS AND J. T. GRANT (EDS.): Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy. IM publications, Chichester, UK, 2003. ENGELBERT KEPRT: Teorie optických přístrojů 2, Teorie a konstrukce mikroskopu, SPN, Praha 1966. http://micro.magnet.fsu.edu/primer http://microscopyu.com
Předmět je inovován s podporou projektu „Inovace mezioborového studia přírodních věd a inženýrství“ (CZ.1.07/2.2.00/28.0250).
