Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů. Nanoindentace. Pavel Matějka

Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů

Nanoindentace Pavel Matějka

Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů 1. Optická mikroskopie blízkého pole 1. Princip metody 2. Instrumentace

2. Optická spektroskopie blízkého pole 1.

UV-vis – absorpční a fluorescenční 1. 2.

Instrumentace Příklady využití

2. Infračervená – NIR a MIR 1. 2.

Instrumentace Příklady využití

3. Ramanova 1. 2.

Instrumentace Srovnání s TERS

Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů

Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů Brief History of NSOM

Ideas started in mid-1980’s; D.W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz, Appl. Phys. Lett.44, 651-3 (1984). A. Lewis, M. Isaacson, A. Harootunian, and A. Murray, Ultramicroscopy 13, 227 (1984); Technology developed in 1990’s; Eric Betzig, et al. Science, 262, 1422-1425 (1993). Eric Betzig, et al. Nature, 2369, 40-42 (1994). Prototype commercial available since 2000’s

Mikroskopie rastrovací sondou  Rastrování povrchu

Optická nanospektroskopie  Techniky blízkého pole  sonda v blízkosti povrchu („blízké pole“)  Mikroskopie blízkého pole  Spektroskopie blízkého pole  (near-field spectroscopy)

 SNOM – scanning near-field optical microscopy  UV-vis, IR (IR-SNOM), Ramanova spektroskopie  absorpce, fotoluminiscence, fluorescence, fotoindukovaný přenos náboje  rozlišení lepší než 50 nm  spektroskopie jedné molekuly

Optická nanospektroskopie     

vzdálenost sondy –  10 nm apertura sondy optické spřažení mezi špičkou sondy a vzorkem sonda reaguje na změny dielektrické funkce v jejím okolí režimy snímání  transmisní (jen transparentní vzorky)  reflexní – ostrá sonda – vysílač, přijímač

SNOM - úvod

 Transmisní režim lze použít jen pro studium transparentních látek  •Záření prošlé vzorkem sbíráno inverzním mikroskopem  •V reflexním módu je měřena intenzita světla odraženého od povrchu

SNOM - úvod

SNOM - součásti  Optické  Zdroje světla, optická vlákna, zrcadla, čočky, objektivy, fotodetektory, difrakční mřížky/filtry, hrotová SONDA

 Mechanické  Polohování vzorku  Polohování sondy  Antivibrační optická lavice

 Elektrické  Zpětnovazebný systém pro polohování – svisle, laterálně  Zesilovače, zpracování signálu  Řízení experimentu

SNOM - úvod

 Příprava optických vláken: chemické leptání nebo zahřátí vlákna a natažení  •Tažená vlákna: zužuje se nejen vlákno ale i jádro, není nutné pokovení, výhodou je hladký povrch, nevýhodou je malý světelný výkon a snadné poškození  •Leptaná vlákna: jádro se nezužuje, je nezbytné pokovení hliníkem. Apertura se vytvoří jemným přitlačením hrotu k povrchu „vzorku“. Výhodou je lepší světelný výkon, lepší potlačení ztrát v dalekém poli, větší odolnost  •Snadnost poškození a obtížnost výroby jsou hlavními důvody finanční náročnost práce v oblasti SNOM

Luminiscenční nanospektroskopie

Luminiscenční nanospektroskopie

Infračervená nanospektroskopie

Infračervená nanospektroskopie  Techniky pro MIR oblast

 optická vlákna a sonda z chalkogenidů – propustnost v MIR  křehké, omezená životnost, omezený spektrální rozsah

 sonda skenuje povrch – bod po bodu  kritická je apertura sondy a její vzdálenost od povrchu

Výhody a problémy SNOM  VÝHODY  překonání difrakční limity – „nanorozlišení“  nedestruktivní metoda  flexibilní režimy snímání

 PROBLÉMY  technologické nároky na konstrukci SNOM sondy  nízká intenzita detekovaného záření  nároky na citlivost detektoru

Výhody IR SNOM  kombinace SNOM a IR záření prostorové rozlišení SNOM – jednotky nanometrů chemické rozlišení - chemická specificita IR spekter chemická charakterizace nanomateriálů nanodomény

Příklady použití – organické nanokompozitní materiály

• domény • polystyren • Poly-2-vinylpyridin

kontrast při 2950 cm-1

Příklady použití – organické nanokompozitní materiály

• domény – polystyren – poly-2-vinylpyridin

Příklady použití – buněčné kultury

• 20 x 20 μm IR SNOM obrazy – 1515 cm-1

– 1440 cm-1

Příklady použití – NIR SNOM

Příklady použití – NIR SNOM

Raman - NSOM

Raman -• vzdálenost NSOM sondy – do 10 nm • apertura sondy • režimy snímání  kolmá či šikmá laserová excitace

NANOINDENTACE Měření mikro-/nano- mechanických vlastností - tvrdost? - zatlačování miniaturního hrotu (většinou diamantu) do materiálu na úrovni nm-µm

Tvary hrotu: - sférický - pyramidální (Berkowich) - jehlan (Vickers) - jiné

NANOINDENTACE

Z pracovního diagramu Síla-hloubka Např.. -z odtěžovací větve – elasticita -z fáze držení zatížení – viskózní vlastnosti

NANOINDENTACE

Z pracovního diagramu Síla-hloubka Např.. -z odtěžovací větve – elasticita -z fáze držení zatížení – viskózní vlastnosti

NANOINDENTACE

NANOINDENTACE - tvary hrotů

NANOINDENTACE

• AFM sonda – na průhybovém nosníku • Maximální síla 100 µN

• Tuhá sonda • Široký silový rozsah 100 nN až 10 N

NANOINDENTACE

NANOINDENTACE Nanoindenter Nanotest (Micro Materials, UK) • Jednoduchá teplotní a vlhkostní komora • Sférická indentace • Pyramidální indentace (Berkowich) • Horizontální pozice vzorku • Zoom mikroskop 5x,10x, 20x, 40x • High-load 0.1-20 N a low-load head 0.1-500 mN • Vysokoteplotní pec (500 °C)

NANOINDENTACE CSM-Instrument Nanohardness tester • Špičková klimatická komora • Pyramidální indentace (Berkowich) • Optický mikroskop 5x,100x -Nikon • (4000x CCD kamera) • Měřící rozsah 0.1-500 mN • Rozlišení hloubky 0.5 nm • Reference-ring system • Cyklické zatěžování • Statické and dynamické testy

NANOINDENTACE