UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA KATEDRA EXPERIMENTÁLNÍ FYZIKY
TRANSMISNÍ ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE NANOPRÁŠKOVÝCH MATERIÁLŮ
DISERTAČNÍ PRÁCE Mgr. KLÁRA ŠAFÁŘOVÁ
Školitel: doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc. Olomouc 2010
Děkuji svému školiteli doc. RNDr. Romanu Kubínkovi, Csc., za jeho všestrannou pomoc a cenné rady během doktorského studia a při zpracování této disertační práce. Dále bych ráda poděkovala Mgr. Daliboru Jančíkovi, Ph.D., za veškerou podporu a pomoc, kterou mi poskytoval v průběhu celého studia. Děkuji také VOP-026 Šternberk, s.p., divizi VTÚO Brno za poskytnutí vzorků, určených k analýze pomocí transmisní elektronové mikroskopie.
2
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem tuto disertační práci řešila samostatně a také řádně cituji použitou literaturu. Dále prohlašuji, že mám většinový autorský přínos v publikacích [i] a [ii], jejichž obsah je součástí této disertační práce.
V Olomouci dne 10.února 2010
……………………………. Mgr. Klára Šafářová
Já, spoluautor publikací uvedených v [i] a [ii] potvrzuji, že Mgr. Klára Šafářová v nich má většinový autorský přínos.
…………………………………. doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc.
3
OBSAH ÚVOD ................................................................................................................................... 6 1. METODY CHARAKTERIZACE VELIKOSTI ČÁSTIC.......................................... 7 1.1. Nezobrazovací metody určení velikosti částic ........................................................... 7 1.2. Zobrazovací metody určení velikosti částic .............................................................. 9 2. ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE .......................................................................... 13 2.1. Teoretické vztahy pro výpočet vlnové délky elektronů............................................ 13 2.2. Interakce elektronů s preparátem.............................................................................. 15 2.3. Transmisní elektronová mikroskopie ....................................................................... 17 2.3.1. Pracovní režimy TEM ...................................................................................... 17 2.3.2. Konstrukční poznámky k TEM ......................................................................... 18 2.4. Skenovací elektronová mikroskopie......................................................................... 19 2.4.1. Pracovní režimy SEM........................................................................................ 19 2.4.2. Konstrukční poznámky k SEM.......................................................................... 20 3. PŘÍPRAVA VZORKŮ PRO ELEKTRONOVOU MIKROSKOPII ....................... 22 3.1. Příprava vzorků pro TEM ......................................................................................... 22 3.2. Příprava vzorků pro SEM ......................................................................................... 24 4. PROBLEMATIKA STUDIA NANOPRÁŠKOVÝCH MATERIÁLŮ POMOCÍ ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPIE ............................................................................... 26 4.1. Vady elektromagnetických čoček............................................................................. 26 4.2. Nesprávná volba urychlovacího napětí.................................................................... 28 4.3. Charakter a příprava analyzovaného vzorku ............................................................ 30 5. UHLÍKOVÉ NANOSTRUKTURY ............................................................................. 32 5.1. Uhlíkové nanotrubky ................................................................................................ 33 5.1.1. Mikroskopické analýzy uhlíkových nanotrubek............................................... 37 5.1.2. Příprava uhlíkových nanotrubek pro mikroskopické metody........................... 37 5.1.3. Mikroskopie atomárních sil SWCNTs .............................................................. 39 5.1.4. Skenovací elektronová mikroskopie SWCNTs ................................................. 39 5.1.5. Transmisní elektronová mikroskopie SWCNTs................................................ 41 5.1.6. Určení počtu SWCNTs ve svazku ..................................................................... 42
4
5.1.7. Mikroskopické analýzy vícestěnných uhlíkových nanotrubek.......................... 45 6. CHARAKTERIZACE GRAFENŮ POMOCÍ MIKROSKOPICKÝCH METOD . 47 6.1. Mikroskopické analýzy grafenových listů................................................................ 50 6.1.1. Příprava vzorků pro jednotlivé mikroskopické metody .................................... 50 6.1.2. Analýza grafenových listů pomocí TEM .......................................................... 51 6.1.3. Analýza grafenových listů pomocí SEM........................................................... 52 6.1.4. Využití AFM pro charakterizaci grafenových listů........................................... 54 7. CHARAKTERIZACE OXIDŮ ŽELEZA ................................................................... 55 7.1. α – Fe2O3 (hematit)................................................................................................... 56 7.2. γ – Fe2O3 (maghemit) ............................................................................................... 57 7.3. Fe3O4 (magnetit) ...................................................................................................... 57 7.4. Charakterizace nanočástic a nanostruktur obsahujících γ-Fe2O3 pomocí TEM ...... 57 7.5. Magnetotaktické bakterie (MTB) ............................................................................ 59 7.5.1. Magnetotaktické bakterie a jejich magnetosomy .............................................. 59 7.5.2. Využití TEM při charakterizaci magnetosomů ................................................. 61 7.5.3. Úprava povrchu magnetosomů a funkcionalizace............................................. 62 8. ZÁVĚR ........................................................................................................................... 66 9. SUMMARY.................................................................................................................... 69 10. LITERATURA ............................................................................................................ 72 11. SEZNAM PUBLIKACÍ .............................................................................................. 75
5
ÚVOD Mikroskopie je jednou z nejstarších metod sloužících k zobrazování předmětů, které nejsou viditelné lidským okem. Na počátku vzniku mikroskopických metod bylo objevení techniky broušení skleněných čoček. Převratný zlom v pozorování malých objektů nastal v 16. století s vynálezem jednočočkového optického mikroskopu. Ten byl schopen zvětšit pozorované objekty až 270×. Optický mikroskop dosáhl své teoretické hranice v 19. století, kdy jeho zvětšení dosahovalo hodnoty až 2000× a rozlišení 0,2 µm. Příčina toho, proč nelze u světelného mikroskopu dosáhnout lepší rozlišovací meze byla vysvětlena Ernstem Abbem, který pomocí difrakce světla na okrajích čočky dokázal, že mezní rozlišovací schopnost je rovna polovině vlnové délky použitého světla. Na základě těchto vlastností se stal optický mikroskop postupem času nedostačujícím, jelikož pro zobrazení buněk bylo třeba dosáhnout zvětšení řádově 10 000×. Bylo tedy třeba nalézt místo zdroje světelného paprsku svazek s mnohem kratší vlnovou délkou λ. Tento požadavek splňovaly elektrony, jejichž vlnová délka je přibližně 105× kratší než vlnová délka světla. Elektronové mikroskopy přinesly do biologických a fyzikálních výzkumů posun rozlišovací meze až na atomární úroveň. Celkově byl jak fyzikální, tak i biologický výzkum rozšířen do oblasti velmi malých rozměrů. To umožnilo v biologii pozorování virů, nejmenších živých organismů, v materiálových výzkumech pak pozorování struktur materiálů až do rozměrů řádově nanometrů. Nejčastěji studovanými objekty v nanomateriálových výzkumech se v posledních 10 letech staly částice a struktury, jejichž rozměry se pohybují pod hranicí 100 nm. Ty jsou běžně označovány jako nanočástice (nanostruktury). Cílem této disertační práce je aplikovat metodiku transmisní elektronové mikroskopie na struktury o rozměrech v řádu nanometrů. V práci budou analyzovány uhlíkové nanostruktury (uhlíkové nanotrubky a grafeny), dále budou charakterizovány nanočástice Fe2O3 a Fe3O4, společně se speciálním případem Fe3O4, tzv. magnetosomy, získávanými z magnetotaktických bakterií. Transmisní elektronová mikroskopie je pouze jednou z mnoha mikroskopických metod,
pomocí
nichž
lze
získat
potřebné
informace
a
fyzikální
vlastnosti
nanomateriálových vzorků. V této disertační práci jsou uvedeny a popsány i ostatní mikroskopické metody, především pak skenovací elektronová mikroskopie (SEM) a také mikroskopie atomárních sil (AFM), bez nichž nelze celkové analýzy vzorků provést. 6
1. METODY CHARAKTERIZACE VELIKOSTI ČÁSTIC Jedním z nejdůležitějších parametrů práškových materiálů je velikost částic, ze kterých jsou složeny, případně distribuce těchto velikostí. Je známa řada metod, které lze použít pro různé materiály s odlišnými oblastmi velikosti částic. Rozměry částic práškových materiálů se pohybují v rozmezí od několika nanometrů až po mikrometry.
1.1. Nezobrazovací metody určení velikosti částic V následujícím odstavci je uvedeno pro názornost několik metod určení velikosti částic [1]. Všechny níže uvedené metody charakterizace velikosti částic lze označit jako tzv. nezobrazovací (velikost částic je určena jinak než z vytvořeného obrazu částic). •
Metoda laserové difrakce [2] je založena na průchodu laserového paprsku přes kyvetu, ve které proudí měřený vzorek, rozptýlený ve vhodném médiu. Vlivem částic dochází k difrakci laserového paprsku pod úhlem, který je nepřímo úměrný jejich velikosti. S klesající velikostí částice logaritmicky roste difrakční ohybový úhel a zároveň v závislosti na objemu částice klesá intenzita záření. Výpočet velikosti měřených částic se pak provádí pomocí naměřené difrakce laserového paprsku.
Výpočty
vychází
z Mieovy
teorie
rozptylu
(analytické
řešení
Maxwellových rovnic v prostředí kulových kovových částic). •
Fotonová korelační spektroskopie (PCS) neboli dynamický rozptyl světla (DLS) je technika, která umožňuje v suspenzích a emulzích analýzu velikosti částic o rozměrech od 1 nm až po několik mikrometrů [3]. Princip této metody spočívá v měření světla rozptýleného částicemi ve vzorku v průběhu času. Při rozptylu světla částicí se rozptýlí část dopadajícího světla. Jelikož všechny částice v roztoku difundují Brownovým pohybem, mění se na stejné časové škále prostorová struktura a tím i okamžitá intenzita rozptýleného záření. Menší částice difundují rychleji. Čím rychleji částice difundují, tím rychleji se mění intenzita.
•
Sedimentační metoda patří k nejčastěji používaným nezobrazovacím metodám, sloužícím k charakterizaci velikosti částic. Jde o dvoustupňovou charakterizační metodu, kdy nejprve jsou ve vzorku vlivem gravitace od sebe odděleny částice
7
různých velikostí. Poté je měřena koncentrace částic v různých objemech. Hlavní výhodou této metody je její jednoduchost a nenáročnost na zařízení. Nevýhodou je pak citlivost výsledků na aglomeraci částic a také časová náročnost této metody. Vyhodnocování dat při použití sedimentační metody charakterizace velikosti částic je prováděno pomocí Stokesovy rovnice pro kouli
DS =
18ηh , (ρ S − ρ L )gt
(1)
kde DS je tzv. Stokesův průměr, η je viskozita média bez částic, h je tzv. sedimentační dráha, ρS je hustota částic, u kterých má být charakterizována velikost, ρL je hustota média a t je doba vzorkování. •
Prášková rentgenová difrakce (XRD) [4] je vhodná pro určení velikosti částic nad 5 nm. Podmínkou pro difrakci rentgenového záření o vlnové délce λ na soustavě rovin s difrakčními indexy hkl a mezirovinnou vzdáleností dhkl je, aby záření dopadalo na tyto roviny pod úhlem Өhkl , který splňuje Braggovu rovnici
2dhkl sinθhkl = kλ,
(2)
kde k je řád difrakce. V případě práškového vzorku (částic), které mají omezený počet difraktujících atomů, je šířka maxima β nepřímo úměrná velikosti částice podle DebyeSchererovy rovnice
β=
Cλ , dcosΘ
kde C ~ 1 a Ө je Braggův úhel.
8
(3)
1.2. Zobrazovací metody určení velikosti částic Metody určování velikosti zkoumaných objektů, které využívají zobrazování jednotlivých částic, se označují jako mikroskopické metody. Tyto metody přímo zobrazují částice (resp. projekci částic) a proto umožňují určit tvar i různé potřebné definované průměry. Jejich nezastupitelné postavení je způsobeno potřebou pohlédnout do oblastí velmi malých rozměrů, řádově nanometrů. V současnosti existuje řada mikroskopických metod, které mají nezastupitelné uplatnění v mnoha vědních oborech. Jejich aplikace pokrývají rozsáhlé spektrum zahrnující biologii, medicínu, chemii, mikroelektroniku, nanomateriálový výzkum a jiné technologické aplikace. Obrovský zájem
o
tyto
techniky logicky také
úzce souvisí
s rozvojem
mikroelektroniky a výpočetní techniky, obecně mikro a nanosystémových technologií. V současnosti je trendem vyrábět co nejmenší díly s co největším počtem elektronických součástek. Ty pak vyžadují kontrolní metody s co nejvyšší rozlišovací mezí. V biologii je třeba dosáhnout maximálního zvětšení k zobrazení nejmenších živých organismů − virů, stejně
tak
zobrazit
jednotlivé
buňky tkání.
V nanomateriálovém
výzkumu
se
mikroskopických metod užívá k zobrazení struktury materiálů až na atomové úrovni. V následujícím odstavci je pro názornost uvedeno několik typů mikroskopických metod. •
Světelná mikroskopie je jednou z nejstarších a nejčastěji používaných metod, sloužících k určení velikosti částic, která zobrazuje studovaný objekt přímo ve viditelném světle. Pro nanomateriálový výzkum je světelná mikroskopie díky difrakční mezi, která omezuje maximální dosažitelné rozlišení, pro zobrazování nedostatečná. Pomocí světelné mikroskopie nelze zobrazit částice menší než λ / 2.
•
Videomikroskopie, v níž je optický obraz (vytvořený mikroskopem) převeden na elektrický signál, je nejčastěji používána v biologických výzkumech. Nejčastěji se využívají videokamery, které obsahují optoelektronický měnič typu CCD (Charge Coupled Device).
•
Konfokální rastrovací mikroskopie je druhem optické mikroskopie, jejíž nespornou výhodou je vyšší rozlišovací schopnost. Ta je díky konfokálnímu zobrazení dána detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu. Při použití
9
objektivu o numerické apertuře 1,3 s využitím modrozelené čáry Ar laseru (λ = 488 nm) odpovídá tloušťka optických řezů přibližně 0,4 µm. Při maximálním průměru konfokální clonky odpovídajícímu 1/4 průměru centrálního maxima Airyho kroužku lze tvrdit, že rozlišovací schopnost konfokálního mikroskopu je přibližně 1,4× lepší než u klasického mikroskopu. Konfokální rastrovací mikroskopii lze využít pro měření velikosti částic, měření tloušťek a povrchových nerovností materiálů nebo např. ke zkoumání růstových vrstev na krystalech [5, 6]. •
Fotoakustická mikroskopie je metoda založená na fotoakustickém jevu. Vhodná je především pro zkoumání lokálních tepelných, optických a elastických vlastností pevných látek.
•
Elektronová mikroskopie je v současné době jednou z nejdůležitějších technik pro analýzu jak biologických, tak i nanomateriálových vzorků. Jak již bylo v této práci zmíněno, pomocí světla nelze zobrazit struktury v rozměrech jednotek nanometrů. Bylo tedy třeba snížit vlnovou délku zdroje světelných paprsků λ. Jako nejvhodnější nástupce světla byly shledány elektrony, jejichž vlnová délka závisí na urychlovacím napětí podle zjednodušeného vztahu (4)
λ=
1,226 U
[nm; V]
(4)
Tedy například pro urychlovací napětí U = 10 kV je vypočtená vlnová délka dle vztahu (4) λ = 0,0123 nm. Jde však pouze o teoretickou hodnotu, bez úvahy vad zobrazovací soustavy a vlivu vnějších polí. Difrakční mez byla tedy posunuta do subnanometrové oblasti a neomezuje analýzu částic. Je třeba také zmínit, že společně s rostoucími možnostmi detailnějšího zobrazení objektů rostou současně nároky
na
konstrukční
prvky
přístroje
(k
zobrazení
je
třeba
vakua,
elektromagnetických čoček, apod.), ale také na přípravu vzorků, která je zpravidla náročnější než u předchozích mikroskopických metod. Elektronovou mikroskopii lze rozdělit na 2 typy, a to transmisní elektronovou mikroskopii (TEM) a skenovací elektronovou mikroskopii (SEM). Transmisní mikroskopie se nejvíce blíží mikroskopii světelné. Elektrony prosvítí celý vzorek najednou a obraz je pak pozorován na stínítku. TEM je schopen zobrazit objekty o velikosti do 1 nm bez 10
tvarového zkreslení. Rozlišení dosahuje u novějších přístrojů běžně hodnoty kolem 0,2 nm. Pomocí TEM lze zkoumat vnitřní strukturu materiálů (částic), určit jejich velikost i požadované definované průměry. U skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) je obraz tvořen tzv. řádkovým snímáním povrchu preparátu pomocí zaostřeného elektronového paprsku. SEM je schopen zobrazit částice o velikosti řádově jednotek nanometrů. Pomocí SEM lze zobrazit povrch zkoumaných objektů, dále pak lze určit velikost pozorovaných objektů a přináší pseudo−3D obraz. Dále umožňuje např. získání materiálového kontrastu. Elektronová mikroskopie používá elektronový svazek poměrně značné energie, což vede k degradaci vlastních částic – může tedy docházet ke strukturním fázovým přechodům (krystalizace amorfních částic, rekrystalizace), k deformaci tvaru částic a k jejich tavení. •
Mikroskopie skenující sondou [7] je skupina mikroskopických metod, založená na těsném přiblížení měřicí sondy ke zkoumanému vzorku – pracují v oblasti tzv. blízkého pole. Velice malá vzdálenost měřicí sondy od vzorku dovoluje dosáhnout rozlišení pod tzv. difrakční mezí. Těmito metodami jsou však získávány pouze lokální informace o vzorku. Proto, chceme-li získat informace o celém vzorku, je třeba provést postupná měření více míst. Výhodou těchto mikroskopických metod je to, že přináší trojrozměrný obraz v reálném čase. Na rozdíl od elektronové mikroskopie není třeba náročné přípravy vzorku a také nejsou citlivé na chemickou podstatu vzorku. Ale i v případě mikroskopie skenující sondou se vyskytují problémy při zobrazování, jako např. artefakty vznikající při zobrazení (zobrazení hrotu, zdvojení obrazu). Techniky mikroskopie skenující sondou jsou nezastupitelné především při studium práškových nanočástic, v technologii testování integrovaných obvodů, ale také v biologii, kde slouží k studiu živých buněk [8-10]. Dosažitelné rozlišení závisí na modifikaci mikroskopie skenující sondou. Ze všech typů metod je třeba zmínit skenovací tunelovou mikroskopii (STM), založenou na tzv. tunelovém jevu, a mikroskopii atomárních sil (AFM).
Mikroskopie atomárních sil
je jednou z mnoha metod mikroskopie
skenující sondou, založená na měření meziatomárních sil (přitažlivých či odpudivých) při těsném přiblížení měřicího hrotu k povrchu zkoumaného vzorku. 11
Výhodou této metody je především možnost měření jak nevodivých, tak i vodivých vzorků.
Z uvedených mikroskopických metod má pro analýzu nanopráškových materiálů nezastupitelné místo především elektronová mikroskopie (transmisní i skenovací) a mikroskopie skenující sondou (především pak AFM). Další kapitoly budou proto věnovány těmto metodikám.
12
2. ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE 2.1. Teoretické vztahy pro výpočet vlnové délky elektronů Elektrony splňují Louis de Broglieho vlnovou hypotézu, kdy jsou hmotnému objektu přiřazeny vlnové vlastnosti. De Broglieho vlnová délka je pak určena vztahem
λ=
h , mv
(5)
kde h je Planckova konstanta. Rychlost elektronu je rovna
2eU , m
v=
(6)
přičemž e je náboj elektronu, U je tzv. urychlovací napětí (rozdíl potenciálů mezi katodou a anodou) a m je hmotnost elektronu. Dosazením vztahu (6) do (5) získáme vztah pro výpočet vlnové délky elektronů urychleného příslušným urychlovacím napětím
λ=
h 2meU
.
(7)
Tento vztah platí pro určení vlnové délky elektronů při použití urychlovacího napětí U< 100 kV. Při vyšších napětí již není možné zanedbávat relativistický efekt. Při výpočtu relativistické hodnoty vlnové délky λ elektronů je třeba vycházet z Einsteinovy rovnice pro výpočet kinetické energie. Elektrony urychlené napětím U získají kinetickou energii E k = mc 2 − m0 c 2 = eU ,
(8)
kde c je rychlost šíření světla ve vakuu, e je elektrický náboj elektronu a m0 je klidová hmotnost elektronu. Pro vyjádření vlnové délky jako funkce urychlovacího napětí je třeba postupovat následujícím způsobem. Do vztahu (8) dosadíme za relativistickou hmotnost a dostaneme
13
eU =
m0 2
v 1− 2 c
c 2 − m0 c 2 .
(9)
Ze vztahu (9) vyjádříme rychlost elektronů
eU eU + 2 2 2 m0 c m0 c v=c . eU +1 m0 c 2
(10)
Z de Broglieho vlnové délky elektronů plyne
h λ= m0 v
v2 1 − 2 . c
(11)
Do tohoto vztahu dosadíme a úpravou dostaneme vztah pro výpočet vlnové délky elektronů při urychlovacím napětí U > 100 kV
λ rel =
h
eU 2m0 eU .1 + 2 2 m c 0
.
(12)
V tabulce 1 jsou pro názornost uvedeny vlnové délky pro jednotlivá urychlovací napětí.
14
Tabulka 1. Závislost vlnových délek λ na jednotlivých urychlovacích napětích U. (teoretické hodnoty bez úvahy vad zobrazení)
U [V]
λ [nm]
λrel [nm]
v [m/s]
102
0,123
-
5,95×106
103
0,040
-
1,87×107
104
0,0123
-
5,85×107
105
0,00386
0,00370
1,65×108
106
0,00122
0,00087
2,83×108
2.2. Interakce elektronů s preparátem Elektronová mikroskopie je zobrazovací metoda, umožňující studium mikrostruktury materiálů s rozlišovací mezí desetin nanometrů (v případě TEM) či jednotek nanometrů (v případě SEM). Vzorky jsou studovány pomocí elektronového svazku, který vychází z elektronové trysky. V případě TEM je elektronový svazek upraven čočkami kondenzoru na svazek téměř rovnoběžných paprsků. Obraz pozorovaný na fluorescenčním stínítku je pak vytvářen interakcí elektronů s preparátem. Předpokládejme preparát ve tvaru tenké vrstvy pevné látky. Na vzorek dopadá svazek urychlených elektronů ve vakuu. Při dopadu svazku na preparát dojde k interakci elektronů s pevnou látkou a dochází k následujícím fyzikálním jevům: •
Některé elektrony jsou absorbovány v závislosti na tloušťce a složení preparátu (tvoří tzv. amplitudový kontrast obrazu).
•
Elektrony projdou preparátem a jsou rozptýleny pod malými úhly v závislosti na složení vzorku (vznik tzv. fázového kontrastu obrazu). Množství elektronů, které projdou preparátem závisí nejen na rozptylu elektronů, ale i na dalších ovlivňujících faktorech a zvláště pak na absorpci elektronů. Intenzita svazku, prošlého preparátem je dána vztahem I = I 0 e − µd ,
15
(13)
kde I0 je intenzita dopadajícího svazku, d je tloušťka preparátu a µ je lineární koeficient zeslabení. Při zavedení efektivního průřezu rozptylu lze pro výpočet intenzity využít vztah I = I 0 e (-σ ef ρd ) ,
(14)
kde ρ je hustota látky, kterou je tvořen preparát a σef je efektivní průřez. Ten závisí na urychlovacím napětí U, aperturním úhlu objektivu a protonovém čísle prvků, ze kterých je preparát složen. •
U krystalických materiálů jsou elektrony rozptýleny do různých směrů pod různými úhly v závislosti na krystalové struktuře (tzv. difrakční kontrast
obrazu). •
Některé elektrony jsou odraženy (tzv. zpětně odražené elektrony). Odraz na jádrech atomů tvořících preparát je případem pružného rozptylu elektronů pod úhlem větším než 90º. Tento jev se využívá u skenovací elektronové mikroskopie (SEM), kde vzniklý kontrast je tzv. materiálový kontrast.
•
Dopadající elektrony vyvolávají emisi elektronů (tzv. sekundární elektrony). V tomto případě jsou vyraženy z vnější elektronové slupky atomů preparátu jiné elektrony. Ty mohou uniknout z preparátu pouze v případě, jsou-li generovány z určité maximální hloubky (desítky nm). Sekundární elektrony mají energii přibližně 50 eV. Na sekundární emisi má vliv především úhel dopadu primárních elektronů, zatím co vliv krystalové struktury je zanedbatelný.
•
Dopad primárních elektronů na preparát může uvolnit z vnitřních slupek elektron. Při přechodu některého z elektronů z vyšší energetické hladiny do vakance se uvolní kvantum energie a dojde k emisi buď tzv. Augerova
elektronu nebo charakteristického rentgenovského záření, jehož vlnová délka λ nezávisí na energii primárních elektronů. Rtg záření se využívá k elektronové mikroanalýze vzorků (pomocí vlnově disperzních nebo energiově disperzních spektrometrů).
16
•
Některé
dopadající
elektrony
mohou
vyvolat
emisi
fotonů
(tzv.
katodoluminiscenci).
Podle fyzikálního a technického principu tvorby obrazu jsou rozlišovány dvě modifikace elektronové mikroskopie, a to transmisní elektronová mikroskopie a skenovací elektronová mikroskopie.
2.3. Transmisní elektronová mikroskopie V případě TEM přispívají k tvorbě obrazu u nekrystalických materiálů (např. biologické vzorky) amplitudový a fázový kontrast obrazu, zatímco v případě krystalických materiálů jsou nejdůležitějšími faktory tvořícími obraz kontrast fázový a difrakční.
2.3.1. Pracovní režimy TEM Transmisní elektronová mikroskopie poskytuje dva pracovní režimy pro zobrazení pozorovaných objektů, a to zobrazení ve světlém a temném poli (obr. 1). Metoda zobrazení ve světlém poli je nejčastěji užívaným pracovním režimem TEM. V tomto případě je obraz tvořen elektrony, které prochází preparátem bez odchýlení od přímého směru. Svazek dále postupuje k aperturní cloně, umístěné v obrazové ohniskové rovině. Pomocí ní lze vymezit svazek elektronů prošlých preparátem. Místa v preparátu, kde nastává větší rozptyl elektronů se zobrazí jako tmavá (elektrondenzní),
zatímco
místa
s menším
rozptylem
se
zobrazí
jako
světlá
(elektrontransparentní). V případě zobrazení v temném poli je aperturní clona excentricky vysunuta tak, aby propouštěla pouze paprsky, které prochází difrakčními maximy.
(a) Obr. 1.
(b) Zobrazení uhlíkových nanotrubek v režimu (a) světlého; (b) temného pole.
17
2.3.2. Konstrukční poznámky k TEM V této kapitole jsou stručně zmíněny konstrukční prvky mikroskopu a jejich základní fyzikální principy. Veškeré TEM snímky, uvedené v této disertační práci, byly pořízeny pomocí transmisního elektronového mikroskopu JEOL 2010F (typ HC-high contrast). Tento mikroskop poskytuje možnost nastavení urychlovacího napětí od 80 kV do 200 kV, maximální rozlišení až 0,194 nm. Z mechanického hlediska je mikroskop tvořen tubusem s elektronovou optikou, vakuovým systémem, zdrojem vysokého napětí a nezbytnou elektronikou. Jako zdroj elektronů je v tomto případě použit krystal hexaboridu lanthanu (LaB6) (obr. 2), který emituje 10× více elektronů než wolframové vlákno zahřáté na stejnou teplotu. Jeho životnost je také mnohem delší (přibližně 1 rok).
Obr. 2. Katoda pro TEM tvořená krystalem LaB6. Elektronová tryska se skládá z krystalu katody, Wehneltova válce a anody. Vlivem vysokého kladného potenciálu anody vůči katodě jsou elektrony z okolí katody urychlovány směrem k anodě. V ní je otvor, kterým projde elektronový paprsek na druhou stranu. Wehneltův válec s odlišným potenciálem pak soustředí svazek do jednoho bodu. Ten dále pokračuje systémem elektromagnetických čoček a vytváří obraz na fluorescenčním stínítku. Trvalý záznam snímků lze pořídit pomocí záznamu na fotografický film nebo pomocí CCD kamer. Metoda záznamu na fotografický film v současné době díky své finanční i časové náročnosti (zdlouhavé vyvolávání filmů apod.) ustupuje do pozadí. V případě používání CCD kamer jde o přímý přenos obrazu v digitální podobě na obrazovku monitoru počítače a dále jeho uložení do paměti. Do dráhy elektronového
18
svazku v oblasti pozorování je vložen detektor, který zaznamená množství primárních elektronů a jejich energii v závislosti na místě dopadu. Ideální detektor elektronů by měl být schopen detekovat elektronový obraz bez degradace jeho rozlišení a přidání šumu. Mikroskop je vybaven dvěma CCD kamerami. První z nich je vysokorozlišovací kamera, která nabízí 3,5 megapixelů. Tato kamera (Morada) je instalována z boku tubusu mikroskopu na širokoúhlý port. Celý systém se skládá z fosforového stínítka spojeného s optickými čočkami, ze speciálního hranolu (pro odrážení obrazu na CCD senzor) a z příruby. Vnitřní čip s elektronickým přerušovačem umožňuje expoziční časy od 1 ms až do 60 s. CCD čip je chlazený Peltierovým článkem a vzduchem a je stabilizovaný při 15 °C. Pomocí této kamery lze pořídit 10 snímků za sekundu. Druhou kamerou, kterou je mikroskop vybaven, je CCD kamera KeenView. Je to
černobílá CCD kamera, která je instalována přímo pod fluorescenčním stínítkem v ose elektronového svazku. Chceme-li snímat touto kamerou, je třeba odklopit stínítko, aby svazek mohl dopadat na čip kamery. Kamera poskytuje rozlišení 1376 × 1032. Rychlost záznamu je maximálně 10 obrázků za sekundu při rozlišení 1280 × 1024 nebo 20 obrázků za sekundu při rozlišení 640 × 512. Expoziční čas se pohybuje v rozmezí 100 µs −160 s. V případě analýzy nanopráškových materiálů se používá pouze kamera KeenView. Tato kamera je rychlejší (zaznamenává méně obrazových bodů) a není citlivá na vibrace. Mikroskop je dále vybaven energiově disperzním analyzátorem (EDS) pro prvkovou analýzu zkoumaného vzorku.
2.4. Skenovací elektronová mikroskopie V případě SEM nastává při interakci svazku elektronů s preparátem následujících pět jevů, uvedených na počátku kapitoly 2, a to absorpce elektronů, emise sekundárních elektronů a rentgenového záření, emise fotonů a vznik zpětně odražených elektronů.
2.4.1. Pracovní režimy SEM U skenovací elektronové mikroskopie lze pracovní režimy určit z fyzikálních jevů, které vznikají při interakci elektronů s preparátem. Pro analýzu preparátů lze použít jeden z následujících režimů, a to režim
19
•
prošlých elektronů,
•
odražených elektronů (BSE),
•
sekundárních elektronů (SE),
•
absorbovaných elektronů,
•
Augerových elektronů,
•
rentgenového záření a
•
luminiscenčního záření.
2.4.2. Konstrukční poznámky k SEM Konstrukční poznámky se týkají autoemisního skenovacího elektronového mikroskopu Hitachi SU6600, který byl využit k tvorbě snímků, publikovaných v této disertační práci. Mikroskop poskytuje možnost nastavení urychlovacího napětí v rozmezí 0,5 kV až 30 kV, rozlišení v režimu sekundárních elektronů 1,2 nm při nastavení urychlovacího napětí 30 kV a 3 nm při urychlovacím napětí 1 kV. V režimu zpětně odražených elektronů je možné při urychlovacím napětí 30 kV dosáhnout maximálního rozlišení 3,5 nm. Z mechanického hlediska se SEM liší od TEM především jiným elektronoptickým systémem. SEM je tvořen dvěma podstatnými částmi, a to elektronovým rastrovacím systémem a zobrazovacím systémem. Jako zdroj elektronů je v tomto případě použito Schottkyho autoemisní elektronové dělo, které se v současné době stává dominantním zdrojem elektronů. Ve srovnání s termoemisními zdroji vyniká zejména svojí velikostí, životností a jasem. Poskytuje proud svazku až 200 nA. Paprsek je dále fokusován soustavou elektromagnetických čoček do co nejmenšího svazku, který dopadá na pozorovaný objekt. Pomocí vychylovacích cívek paprsek přejíždí po řádcích po povrchu vzorku. Detekční systém signálu obsahuje Everhart-Thornleyův detektor sekundárních elektronů (SE) a vysoce citlivý pětisegmentový detektor zpětně odražených elektronů (BSE). Mikroskop je také vybaven energiově-disperzním spektrometrem, který slouží k prvkové analýze zkoumaných vzorků.
20
Everhart-Thornleyův detektor sekundárních elektronů Tento typ detektoru (obr. 3) je tvořen scintilátorem pokrytým tenkou hliníkovou vrstvou (0,1 µm), která slouží k odvádění elektrického náboje a současně k odrazu světla do světlovodu. Ten spojuje scintilátor s fotonásobičem. Základní princip činnosti detektoru je následovný. Signálové elektrony jsou urychleny potenciálem přivedeným na hliníkovou vrstvu na přední straně scintilátoru a díky tomu dopadají do scintilátoru s energií dostatečnou na vyvolání světelného impulsu, tj. minimálně 10 keV. Každý dopad elektronu vyvolá jeden světelný záblesk. Světlo je dále vedeno světlovodem a komoru SEM opustí průchodem křemenným okénkem. Mimo vakuum je pak umístěn fotonásobič, který zachytí světelný signál a převede jej na elektrický, přičemž dojde k zesílení signálu. Aby napětí scintilátoru neovlivňovalo dopadající primární svazek elektronů, je detektor umístěn ve Faradayově kleci s kladným předpětím.
Obr. 3. Schéma Everhart-Thornleyova detektoru.
V případě uspořádání Everhart-Thornleyova detektoru tak, že scintilátor je připevněn k okrajům pólových nástavců poslední elektromagnetické čočky, lze tento typ detektoru použít k detekci zpětně odražených elektronů.
21
3. PŘÍPRAVA VZORKŮ PRO ELEKTRONOVOU MIKROSKOPII
3.1. Příprava vzorků pro TEM Na vzorky, připravené pro transmisní elektronovou mikroskopii, jsou kladeny vysoké požadavky. Preparát pro TEM může obsahovat drobné částice (řádově nm až µm) nebo může být řezem tkání. Vzorky musí být dostatečně malé (průměr maximálně 3 mm), aby se vešly do držáku, a také dostatečně tenké (do 100 nm), aby nimi mohl projít svazek elektronů. V případě velmi tenkého preparátu lze dosáhnout při pozorování preparátů lepšího rozlišení, ale menšího kontrastu, zatímco u silnějšího preparátu pak horšího rozlišení s lepším kontrastem. Vzorek musí být také dostatečně stabilní, aby vydržel bombardování elektrony a zcela suchý. Příprava vzorků začíná výběrem vhodné podložní síťky (obr. 4).
Obr. 4. Typy podložních sítěk pro TEM.
Ty jsou vyráběny elektrogalvanickým leptáním z různých materiálů, např. zlato, nikl či měď. V současné době se vyskytují rozmanité druhy sítěk, lišících se především počtem a uspořádáním otvorů. Pro přípravu nananopráškových materiálů jsou nejvhodnější měděné síťky s otvory ve tvaru „síťování“. Aby vzorek přes otvory v síťce nepropadl, je třeba ji potáhnout tenkou fólií a tloušťce přibližně 5 nm. Ta může být buď formvarová nebo uhlíková.
22
Formvarové fólie se používají při urychlovacích napětí do 160 kV. Při vyšších urychlovacích napětích jsou značně nestabilní a při bombardování vzorku elektrony dochází k jejich poničení. Vhodné jsou především pro přípravu biologických vzorků, osvědčily se také při analýze magnetosomů. Postup přípravy formvarové fólie je velice časově náročný a kvalita formvarové blanky závisí na řadě vnějších faktorů, a to především na teplotě a vlhkosti vzduchu. Tloušťka blány závisí na koncentraci formvaru v roztoku. Jako ideální se ukázala tloušťka přibližně 10nm. Pro přípravu formvarové fólie se jako nejlepší jeví následující postup. Nejprve je třeba naplnit speciální Büchnerovu nálevku (obr. 5) destilovanou vodou až po okraj a na její dno velmi opatrně umístit pinzetou několik měděných sítěk. Do Petriho misky se nalije 0,3% roztok formvaru (polyvinylformalu) a chloroformu. Do tohoto roztoku se ponoří čistá a suchá podložní sklíčka, která se následně vyjmou a ponechají na vzduchu 5 minut, aby formvarová vrstva mohla řádně zaschnout. Poté je třeba na blance na sklíčku vyříznout obdélník (na okrajích sklíčka je formvarová fólie příliš přilepena, tzn. pokud bychom chtěli sejmout celou formvarovou fólii, mohla by se snadno poničit). Následně je podložní sklíčko s blankou vloženo do připraveného 1,5% roztoku kyseliny fluorovodíkové, kde se blanka na sklíčku uvolní. Poté se blanka nechá volně na hladině destilované vody v Büchnerově nálevce. V posledním kroku se vypustí z nálevky voda a na dně zůstanou měděné podložní síťky pokryté formvarovou fólií. Ty se pak vyjmou a nechají uschnout při pokojové teplotě.
Obr. 5. Schematický nákres Büchnerovy nálevky.
Nejčastěji užívanou podložní fólií při analýze nanopráškových materiálů, jež jsou studovány v této disertační práci, je uhlíková fólie. Ta je vyráběna naprašováním uhlíku na měděnou síťku. Uhlíkové fólie jsou tenčí než formvarové, jejich tloušťka se pohybuje
23
v rozmezí 3−5 nm. Tento typ podložních fólií je vyráběn ve dvou variantách, a to klasické uhlíkové fólie a tzv. „holey carbon“, což je podložní fólie s uměle vytvořenými kruhovými otvory (obr. 6).
Obr. 6. Uhlíkové nanotrubky nanesené na podložní fólii typu holey carbon.
Podložní fólie typu holey carbon je užívána při analýze nanopráškových materiálů
častěji. Při přípravě vzorků je velice pravděpodobné, že některé nanočástice se uchytí přímo na otvoru v síťce a na výsledných snímcích je obraz zbaven šumu, způsobeného podložním uhlíkem. Fólie použité při přípravě vzorků, analyzovaných v této disertační práci, byly pořízeny komerčně. Další příprava nanopráškových vzorků spočívá v nanesení rozdispergovaného a ultrasonifikovaného nanoprášku v ethanolu na podložní síťku. Přesné přípravy jednotlivých nanopráškových materiálů budou uvedeny v následujících kapitolách.
3.2. Příprava vzorků pro SEM V případě skenovací elektronové mikroskopie (SEM) je příprava vzorků pro všechny nanopráškové materiály obdobná. Vzorky pro SEM mohou mít výšku až 4 cm a průměr do 10 cm. Vzorek musí být, stejně jako u TEM, suchý a zbavený nečistot. Na kovovou podložku (obr. 7), které jsou pro každý typ mikroskopu specifické, se umístí oboustranná lepicí vodivá uhlíková páska a na ní je následně uchycen vzorek. V případě potřeby prvkové analýzy se pro vzorky, u niž je třeba provést prvkovou analýzu pomocí EDS a detekovat uhlík ve zkoumaném materiálu, používá stříbrná pasta. V jejím případě však bylo zjištěno, že také obsahuje malé množství uhlíku.
24
Obr. 7. Hliníková podložka pro přípravu vzorků pro SEM Hitachi SU6600.
25
4. PROBLEMATIKA STUDIA NANOPRÁŠKOVÝCH MATERIÁLŮ POMOCÍ ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPIE Z hlediska mikroskopické analýzy nanopráškových materiálů je důležitý způsob jejich přípravy. Mohou vznikat přímou chemickou reakcí (např. srážením v roztocích), rozkladem větších částic (mechanické drcení, chemické rozklady, apod.), mohou se však také vyskytovat ve formě volných částic a také v různých nosných médiích. Některé materiály jsou pevně svázány se svým nosným prostředím (např. uhlíkové nanotrubky rostoucí na křemíkových destičkách). Při použití elektronové mikroskopie k analýze nanočástic je třeba zohlednit rušivé vlivy, které se při měření vyskytují. Ty se pak projeví zejména v získaném obraze analyzovaného vzorku. Příčiny vzniku těchto nedostatků jsou •
vady elektromagnetických čoček,
•
špatná volba urychlovacího napětí,
•
charakter analyzovaného vzorku.
4.1. Vady elektromagnetických čoček Vady elektromagnetických čoček jsou jedním z hlavních důvodů, proč při analýzách vzorků pomocí elektronové mikroskopie nelze dosáhnout teoretické rozlišovací meze. Stejně jako v případě světelné mikroskopie, i u elektronové se lze nejčastěji setkat s následujícími vadami.
Sférická (kulová) vada Sférická vada je způsobena tím, že čočka není schopna zaostřit všechny paprsky, vycházející z bodového zdroje opět do jednoho bodu. Elektrony, které prochází vnější částí
čočky jsou zaostřovány do bodu, který leží blíže k čočce než paprsky paraxiální (obr. 8). V obraze se tato vada projevuje tím, že zvětšení na okrajích snímku je jiné než ve střední
části. V praxi lze tuto vadu značně omezit odcloněním okrajových paprsků.
26
Obr. 8. Sférická vada čoček (pro jednoduchost využito schématické znázornění pomocí skleněné čočky).
Chromatická vada Rozdílné rychlosti elektronů, které jsou uvolňovány z povrchu katody a kolísání urychlovacího napětí mohou způsobit, že svazek elektronů není monoenergetický. Důsledkem toho je, že pomalejší elektrony jsou v magnetickém poli cívek vychylovány jinak a protínají osu cívek v jiném bodě než elektrony s vyšší rychlostí (obr. 9).
Obr. 9. Chromatická vada čoček (pro jednoduchost využito schématické znázornění pomocí skleněné čočky).
Tato vada je neodstranitelná, lze ji však korigovat maximální stabilizací urychlovacího napětí. Při studiu nanopráškových materiálů se tato vada příliš neprojevuje, setkat se s ní lze především v případě silnějších biologických řezů.
27
Astigmatismus Osový astigmatismus skutečných elektromagnetických čoček, které nejsou ideálně symetrické, je způsoben nesymetrickým magnetickým polem. To může být způsobeno nedokonalostí a nepřesností vrtání otvorů v pólových nástavcích, nehomogenitou materiálu, ze kterého jsou vyrobeny, nebo nepravidelností vinutí cívek. Nejčastěji však bývá způsoben nečistotami ve vnitřní části elektronového mikroskopu. Tyto nečistoty jsou nevodivé, proto dochází k jejich nabíjení a následně pak jejich elektrické pole působí rušivě a způsobuje tak změny v drahách elektronů. Elektromagnetická čočka, která vykazuje osový astigmatismus, má různé ohniskové vzdálenosti v horizontálním a vertikálním směru i pro paraxiální svazky elektronů, tzn. výsledný astigmatický obraz lze zaostřit jen v jedné rovině. Astigmatismus se v praxi projeví v případě TEM tak, že na snímcích se vyskytují kolem pozorovaných nanočástic bílé tenké okraje. Korekci těchto nežádoucích jevů lze v praxi provést stigmátorem, který je tvořen soustavou cívek s možností plynulého buzení. Stigmátorem se nastaví přídavné magnetické pole, které generuje astigmatismus opačného působení než je původní.
4.2. Nesprávná volba urychlovacího napětí V případě analýzy nanočástic pomocí transmisní elektronové mikroskopie se volí nejvyšší možné urychlovací napětí 200 kV. Díky němu lze dosáhnout lepšího rozlišení než v případě použití nižšího urychlovacího napětí. Dalším důvodem je také fakt, že v případě obalených částic, například nanočástic železa obalených uhlíkovou vrstvou o tloušťce přibližně 3 nm, není možné při nižších napětích tuto slupku detekovat. Jedinou výjimku tvoří magnetosomy získané z magnetotaktických bakterií, pro jejichž analýzu je používáno urychlovací napětí 160 kV. Při použití vyššího napětí dochází k tavení podložní formvarové fólie a také k deformaci magnetosomů. Při charakterizaci vzorků pomocí skenovací elektronové mikroskopie je špatná volba urychlovacího napětí jedním z nejčastějších problémů. V případě nevodivých vzorků (pokud nejsou pokoveny) je třeba volit nízká napětí (0,5−1,5 kV). Pokud by bylo nastaveno vyšší napětí, docházelo by ke značnému hromadění elektronů v preparátu a jeho nabíjení. To se projevuje deformacemi měřeného vzorku a ztrátou ostrosti obrazu. Na snímcích se nabíjení preparátu projevuje bílými plochami (obr. 10).
28
(a)
(b)
Obr. 10 (a), (b). SEM snímky chrupavky z kolene, poznamenané značným nabíjením.
V případě skenovací elektronové mikroskopie je třeba zmínit artefakt, způsobený právě nabíjením. Následující jev byl zřídka pozorován při charakterizaci nevodivých vzorků při urychlovacích napětích do 3 kV v režimu sekundárních elektronů. Místo obrazu pozorovaného preparátu (obr. 11a) byl elektrony vytvořen obraz detektorů, tzv. „zrcadlení detektorů“ (obr. 11b). Jako příklad výše zmíněného jevu, uvedený v této disertační práci, byl použity snímky získané při analýze bavlněných vláken. Napětí při měření bylo nastaveno na 2 kV. Jev „zrcadlení“ lze vysvětlit následujícím způsobem. V analyzovaném preparátu se hromadí elektrony, které díky špatné vodivosti vzorku nejsou z preparátu odváděny. Ty poté vytvoří natolik silnou bariéru, že další dopadající primární elektrony se pouze odrazí od preparátu a dopadají na vnitřní stěny mikroskopu, kde vybudí sekundární emisi. Vzorek se tedy stává v podstatě zrcadlem.
(a)
(b) Obr. 11. SEM snímek (a) bavlněného vlákna poznamenaný nabíjením; (b) zrcadlení.
29
4.3. Charakter a příprava analyzovaného vzorku Při analýze nanopráškových vzorků pomocí elektronové mikroskopie je důležité ještě před tím, než je vzorek připravován pro mikroskopické techniky, znát jeho charakter. Ten může značně ovlivnit výsledné mikroskopické snímky. V případě TEM může výsledky ovlivnit již volba podložní síťky s fólií. Křemíkové síťky při urychlovacím napětí 200 kV podléhají deformaci, proto se pro nanopráškové materiály nejčastěji používají měděné síťky s uhlíkovou podložní fólií. Tato kombinace se osvědčila jako nejvhodnější pro použití při vysokých urychlovacích napětí. Dále je třeba správně zvolit koncentraci analyzovaného materiálu v ethanolu před nakápnutím na síťku. Pokud by byla koncentrace materiálu vysoká, svazek elektronů neprojde přes vzorek. Na stínítku není možné pozorovat světelnou stopu, nelze tedy vytvořit požadované snímky. V případě velmi řídkého vzorku je obtížné určit fázové složení pomocí elektronové difrakce (SAED). U materiálů, které jsou analyzovány SEM, je podstatné znát především informaci o vodivostním charakteru vzorku. Nevodivé vzorky jsou analyzovány při nízkých urychlovacích napětích. Pokud je míra nabíjení preparátu natolik výrazná, že nelze získat potřebné informace (např. tvar a velikost částic), je třeba k eliminaci jevů způsobených nabíjením preparát pokrýt vrstvou kovu (nejčastěji zlato nebo platina) o tloušťce 10−20 nm. Ta odvádí negativní náboj a minimalizuje poškození vzorku teplem, které se uvolňuje z brzdících se primárních elektronů.
V následujícím odstavci jsou pro přehlednost uvedeny všechny faktory, které ovlivňují kvalitu obrazu analyzovaných nanopráškových materiálů.
V případě transmisní elektronové mikroskopie to může být: •
nevhodná volba urychlovacího napětí,
•
nestabilita napětí,
•
nečistoty aperturní clony, které způsobují nepravidelný pohyb obrazu,
•
poškozený preparát nebo roztrhnutá blanka, způsobující nestabilitu obrazu v jednom směru,
•
deformovaná síťka, díky které pak nelze obraz zcela zaostřit,
•
nevhodné clonění způsobí nemožnost zobrazení jemných detailů,
•
tepelný posuv preparátu, který způsobí rozmazání obrazu v jednom směru.
30
V případě skenovací elektronové mikroskopie mohou být nedokonalosti v obraze způsobeny •
špatně připraveným vzorkem,
•
špatnou volbou urychlovacího napětí,
•
nestabilitou zdroje elektronového svazku,
•
nedostatečnou korekcí astigmatismu,
•
příliš velkým zvětšením,
•
chybným seřízením primárního elektronového svazku,
•
špatně fokusovaným svazkem elektronů,
•
chybným nastavení jasu a kontrastu pro snímání,
•
nevhodnou vzájemnou polohou vzorku a detektoru nebo
•
značnou plošnou hustotou náboje na povrchu vzorku.
31
5. UHLÍKOVÉ NANOSTRUKTURY Uhlík je typický nekovový, na Zemi značně rozšířený, prvek. V přírodě se nachází v elementárním stavu jako minerál převážně ve dvou základních alotropních modifikacích. Jednotlivé modifikace uhlíku lze v nanorozměrech rozlišit pomocí hybridizace sp orbitalů uhlíku. Nejznámějšími modifikacemi uhlíku jsou •
grafit − elektricky vodivý polokov, který díky svým vlastnostem bývá často používán například k výrobě elektrod pro elektrolytickou výrobu hliníku, v obloukových lampách či pro řízení reakcí v jaderných reaktorech;
•
diamant − nejtvrdší známý přírodní minerál,
•
fullereny − molekuly uhlíku, skládajících se z n = 2k (kє N) atomů, přičemž jejich nejmenší počet je 20. Nejstabilnější fullerenem je molekula obsahující 60 atomů (C60) (obr. 12). Menší fullereny se ve velmi malých množstvích vyskytují v uhelných vrstvách. Umělé fullereny jsou vyráběny pomocí elektrického oblouku.
Obr. 12. Fulleren obsahující 60 atomů. Převzato z [11]. •
uhlíkové nanotrubky a
•
grafeny.
V této disertační práci budou analyzovány mikroskopickými metodami dvě z výše zmíněných modifikací, a to uhlíkové nanotrubky a grafeny.
32
5.1. Uhlíkové nanotrubky Uhlíkové nanotrubky (CNT) [12] lze chápat jako atomovou rovinu grafitu sbalenou do ruličky (obr. 13). Konce nanotrubky jsou uzavřeny polovinou fullerenu.
Obr. 13. Schematické znázornění části uhlíkové nanotrubky. Chemické vazby jsou složeny výhradně z sp2 vazeb, stejně jako u grafitu. Tím je zajištěna větší pevnost než u diamantu, který je vázán sp3 vazbami. Nanotrubky se vyskytují ve svazcích, ve kterých jsou k sobě vázány van der Waalsovými silami. Tyto cylindrické uhlíkové molekuly jsou díky svým ojedinělým vlastnostem užívány v řadě aplikací v oblasti nanotechnologií, elektroniky, optiky a řadě dalších vědních oborů.
Typy uhlíkových nanotrubek Uhlíkové nanotrubky lze rozdělit do dvou skupin, a to na jednostěnné (SWCNTs) a multistěnné (MWCNTs). Jednostěnné uhlíkové nanotrubky lze dále rozdělit do tří skupin podle tzv.
chirálního vektoru (n,m), kde n a m jsou celá čísla. Na obr. 14 je znázorněna rozříznutá a rozvinutá trubka, žlutou čarou jsou značeny přímky, po kterých byl veden řez, rovnoběžné s osou trubky. Na levé žluté přímce byl zvolen ve vrcholu jednoho z šestiúhelníků bod X, ze kterého je vedena přímka, která půlí každý šestiúhelník, tzv. armchair linie. Jako bod Y označíme nejbližší vrchol šestiúhelníku na pravé žluté čáře. Spojnice bodů X a Y je tzv. chirální vektor R , který je lineární kombinací vektorů a1 a a2 (r = na1 + ma2), kde a1 a a2 jsou bázové vektory, které popisují strukturu grafitové roviny.
33
Obr. 14. Grafické znázornění chirálního vektoru.
Je-li m = 0, jde o tzv. „zigzag“ strukturu (obr. 15a) jednostěnné nanotrubky. V případě n = m je struktura nazývána „armchair“ (obr. 15b). V ostatních případech jde o chirální strukturu.
(a)
(b)
Obr. 15. Znázornění (a) zigzag a (b) armchair struktury SWCNT.
Vlastnosti a praktické využití uhlíkových nanotrubek Nanotrubky jsou makromolekuly uhlíku o průměru v rozmezí od 1 nm do 50 nm a délce v řádech µm (až 300 µm). Elektrické vlastnosti nanotrubek se liší v závislosti na chirálním vektoru. Rozdíly ve vodivosti jsou způsobeny molekulární strukturou, která ovlivňuje orientaci vazeb a tím
34
vodivé pásy a potenciální bariéry. Je-li m = n, mají nanotrubky kovový charakter. Jestliže je rozdíl (n-m) dělitelný třemi, jsou nanotrubky polovodiči. Uhlíkové nanotrubky mají velmi velký Youngův modul ve směru své osy. U jednostěnných typu armchair a zigzag dosahuje Youngův modul teoretické hodnoty 0,94 TPa, u chirálních pak 0,92 TPa. Experimentálními měřeními bylo dokázáno, že multistěnné nanotrubky dosahují Youngova modulu v rozmezí od 0,8 do 0,9 TPa [13−15]. Chemická reaktivita uhlíkové nanotrubky je díky jejímu zakřivení větší v porovnání s grafitovou vrstvou a má přímou spojitost se záměnami π-orbitalů. Z tohoto vyplývá fakt, že je třeba rozlišovat mezi konci nanotrubky a jejími bočními stěnami. Přímé zkoumání chemické reaktivity není možné, jelikož nelze zajistit vzorky nanotrubek s dostatečnou
čistotou. Díky unikátním vlastnostem [16, 17] lze uhlíkové nanotrubky využít v řadě vědních oborů. V elektronice mohou vytvářet vodiče, PN přechody, tranzistory, v budoucnosti i mikroprocesory, které budou o několik řádů menší než současné. Mezi další současné i budoucí aplikace lze zařadit •
pevná vlákna, která vykazují 600× vyšší poměr pevnosti ke hmotnosti než u oceli,
•
přepínače v optických počítačích,
•
účinné tepelné vodiče ve výpočetní technice,
•
výstuže v kompozitních materiálech,
•
superpevné fólie, které by se mohly uplatnit v ohebných displejích.
Výroba CNT Uhlíkové nanotrubky lze připravovat třemi základními způsoby, a to obloukovým
výbojem (arc discharge), laserovou ablací (laser ablation) a metodou CVD (chemical vapour deposition).V této kapitole budou podrobně vysvětleny pouze metody výroby, kterými byly vyrobeny nanotrubky, analyzované v této práci. V případě jednostěnných nanotrubek jde o metodu obloukového vývoje a u multistěnných pak o metodu CVD.
35
Metoda obloukového výboje Metoda obloukového výboje [18, 19] byla první metodou, vedoucí k přípravě nanotrubek. Přesto i v současné době je nejsnazším a nejčastěji používaných způsobem výroby. Schéma aparatury pro výrobu je znázorněno na obr. 16.
Obr. 16. Schéma aparatury pro výrobu SWCNTs metodou obloukového výboje.
Aparatura je složena ze dvou uhlíkových elektrod – anody a katody. Ty jsou od sebe vzdáleny 1 mm. Pro výrobu SWCNTs musí být anoda pokryta vrstvou niklu, kobaltu nebo železa. Mezi elektrodami je vytvořen pomocí stejnosměrného proudu v rozmezí od 50 A do 100 A pod napětím 20 V – 40 V vysokoteplotní výboj. Výboj pak uvolňuje uhlík z jedné elektrody a na druhé pak vznikají velmi malé uhlíkové nanotrubky. Počet vzniklého produktu závisí především na rovnoměrnosti plazmového oblouku. Celá aparatura je umístěna v uzavřené nádobě, naplněné inertním plynem, například heliem nebo argonem. Distribuci velikosti průměru jednostěnných nanotrubek ovlivňují teplota uhlíku a katalyzátoru.
Metoda CVD Syntéza pomocí CVD [20, 21] je složena ze dvou kroků. Prvním z nich je příprava katalyzátoru. Ten se vyrobí pomocí nanesení vrstvy kovových částic, nejčastěji niklu, kobaltu, železa nebo jejich kombinace, na substrát. Na velikosti těchto částic závisí průměr vznikajících nanočástic. Druhým krokem je samotná syntéza nanotrubek. Ta je provedena následujícím způsobem: substrát s kovovou vrstvou je zahřát na teplotu 700 ºC. K inicializaci růstu
36
nanotrubek jsou do reaktoru zavedeny dva plyny – procesní plyn (např. amoniak, vodík, dusík) a plyn obsahující uhlík (např. ethanol, methan apod.). Na zahřátý substrát poté difunduje atomární uhlík a váže se na kovové částice. Výtěžek této metody je přibližně 30%.
5.1.1. Mikroskopické analýzy uhlíkových nanotrubek Uhlíkové nanotrubky, analyzované v této disertační práci, byly získány ve spolupráci s VOP-026 Šternberk, s.p., divizí VTÚO Brno. Pro VTÚO Brno byla analyzována série 35 vzorků uhlíkových nanotrubek, z čehož bylo přibližně 22 vzorků jednostěnných nanotrubek a 13 vzorků nanotrubek multistěnných. Cílem jednotlivých mikroskopických měření bylo získat základní charakteristické parametry uhlíkových nanotrubek, a to •
průměr a délku nanotrubky (u SWCNT i MWCNT),
•
průměr a délku svazku, ve kterém se nanotrubky vyskytují (u SWCNT),
•
počet nanotrubek ve svazku (u SWCNT),
•
a počet stěn (u MWCNT).
K mikroskopickým analýzám jednostěnných uhlíkových nanotrubek byly využity tři mikroskopické metody: •
transmisní elektronová mikroskopie (TEM),
•
skenovací elektronová mikroskopie (SEM),
•
a mikroskopie atomárních sil (AFM).
Pomocí transmisní elektronové mikroskopie lze pohlédnout až do vnitřní struktury materiálů a získat tak snímky, ze kterých lze snadno určit základní parametry nanotrubek (jednostěnných i vícestěnných). Lze pomocí ní také rozpoznat poruchy ve stěnách. Skenovací elektronová mikroskopie v případě analýzy uhlíkových nanotrubek přináší informaci o rozložení nanotrubek ve svazcích, informuje o vzniklých aglomerátech a také o povrchové struktuře nanotrubek. Díky vysoké hloubce ostrosti mají snímky 3D charakter.
5.1.2. Příprava uhlíkových nanotrubek pro mikroskopické metody K zjištění nejvhodnější metody přípravy vzorků bylo třeba nalézt
37
•
vhodné médium, ve kterém se nanotrubky rozdispergují,
•
správný čas ultrasonifikace,
•
správné podložní síťky a fólie a
•
vhodnou metodu vysoušení vzorků.
Jako média pro využití při ultrasonifikaci byla zvolena destilovaná voda, deionizovaná voda a ethanol. V případě využití destilované a deionizované vody docházelo vzhledem k dlouhé době vysychání vzorků k tvorbě větších aglomerátů, proto byl pro přípravu vzorků zvolen jako nejvhodnější ethanol. Délka ultrasonifikace byla volena v rozmezí od 5 do 40 minut s krokem 2 minuty. V případě krátkých časů ultrasonifikace (5−15 minut) se na vzorcích vyskytovalo velké množství aglomerátů, proto byl zvolen čas ultrasonifikace 20 minut. Nejvhodnější podložní síťkou pro analýzu uhlíkových nanotrubek byla zvolena síťka měděná. Testovány byly i síťky niklové,u nich však při použití vyšších urychlovacích napětí (160 kV a 200kV) dochází k jejich destrukci. V případě podložní fólie byla díky vysoké stabilitě při bombardování elektrony použita uhlíková fólie typu holey carbon. Při hledání nejvhodnější metody vysoušení bylo testováno vysoušení při teplotách od 20 ºC do 50 ºC.
Po několika experimentech bylo zjištěno, že ideální teplotou pro
vysychání vzorku je pokojová teplota. Po zjištění výše zmíněných informací byly vzorky připravovány následujícím způsobem. Uhlíkové nanotrubky ve formě nanoprášku byly rozdispergovány v ethanolu. Získaná suspenze byla po dobu 20 minut ultrasonifikována. Poté byla nakápnuta pipetou na měděnou podložní síťku s uhlíkovou fólií typu holey carbon. Následně byl vzorek sušen 20 minut při pokojové teplotě. Vzorky pro SEM byly připraveny následujícím způsobem. Uhlíkové nanotrubky ve formě nanoprášku byly uchyceny na kovovou podložku pomocí stříbrné pasty. Pokud by byla použita oboustranná uhlíková lepicí páska, pak by v případě analýzy EDS nebylo možné určit, zda identifikovaný uhlík pochází z podložky nebo přímo z analyzovaného vzorku nanotrubek. Pro AFM analýzu bylo třeba uhlíkové nanotrubky ve formě nanoprášku rozdispergovat v deionizované vodě a následně ultrasonifikovat po dobu 20 minut. Poté byla obdržená suspenze nakápnuta na podložní slídu. Na závěr byl vzorek vysušen při teplotě 50 ºC po dobu 60 minut.
38
5.1.3. Mikroskopie atomárních sil SWCNTs Jako
první
byl
k analýze
použit
mikroskop
atomárních
sil
Explorer
TermoMicroscopes. Vzorek byl měřen v nekontaktním režimu. Maximální oblast skenování byla 2 x 2µm2, rozlišení 300 × 300 pixelů. Na obr. 17 je možné identifikovat jednotlivé svazky jednostěnných uhlíkových nanotrubek vyrůstajících z uhlíkových částic. Je zřejmé, že tato mikroskopická metoda poskytuje informaci pouze o délce jednotlivých svazků a velikosti uhlíkových částic. Jiné charakteristické parametry nelze pomocí AFM určit.
(a)
(b)
Obr. 17. (a) AFM snímek svazků jednostěnných uhlíkových nanotrubek (a) ve 3D zobrazení; (b) ve 3D zobrazení, výškově seříznutý.
Z počátku se může zdát, že je také možné určit průměry svazků. To lze v případě AFM dvěma způsoby, buď z laterálního rozměru nebo z výšky daného svazku. Laterální rozměr je však vždy zkreslen prostorovou konvolucí, nelze proto určit přesný průměr svazků nanotrubek. Určení přesného průměru svazků nanotrubek z jeho výšky je v případě svazků nanotrubek také nemožné. Důvodem je fakt, že nanotrubky nejsou uchyceny přímo na slídové podložce, ale oscilují nad jejím povrchem. Proto bylo třeba využít jiné mikroskopické techniky, pomocí nichž lze určit další potřebné charakteristiky. Následující použitou technikou vedoucí k získání potřebných parametrů uhlíkových nanotrubek byla skenovací elektronová mikroskopie.
5.1.4. Skenovací elektronová mikroskopie SWCNTs Pro analýzu SWCNTs skenovací elektronovou mikroskopií byl použit elektronový mikroskop JEOL 6700F (ÚPT AV ČR Brno). V případě analýzy uhlíkových nanotrubek
39
bylo zvoleno napětí 5 kV. Z měřicích režimů byly použity jak snímání v režimu sekundárních elektronů, tak i v režimu zpětně odražených elektronů.
Ze SEM snímků (obr. 18) získaných zobrazením v režimu sekundárních elektronů je patrné, že pomocí této metody již lze určit reálný průměr a délku svazků, velikost uhlíkových částic, ze kterých nanotrubky vyrůstají, stejně tak i získat informaci o jejich povrchu. Pro charakterizaci uhlíkových částic byl použit režim zpětně odražených elektronů (BSE). Ten však pro analýzu uhlíkových nanotrubek přináší pouze informaci o velikosti uhlíkových částic (viz obr. 18d).
(a)
(b)
(c)
(d)
Obr. 18. Zobrazení SWCNTs pomocí SEM v režimu (a), (b), (c) sekundárních elektronů; (d) v režimu zpětně odražených elektronů [obrázky dodal VOP-026 Šternberk, s.p., divize VTÚO Brno].
40
Pro celkovou analýzu zbývá určit nejdůležitější charakteristický parametr, a to průměr jedné nanotrubky. K tomu byla zvolena metoda transmisní elektronové mikroskopie.
5.1.5. Transmisní elektronová mikroskopie SWCNTs K analýze byl použit transmisní elektronový mikroskop JEOL 2010F - typ high contrast. Většina vzorků byla měřena při urychlovacím napětí 200 kV, některé pak při 160 kV z důvodu nestability vysokého urychlovacího napětí. Technické parametry a princip činnosti daného mikroskopu jsou uvedeny v kapitole 2. Ze snímků pořízených pomocí TEM (obr. 19) lze určit chybějící základní charakteristiky uhlíkových jednostěnných nanotrubek, a to průměr jedné nanotrubky, přesný průměr svazku a v případě kratších nanotrubek i jejich délka.
(a)
(b)
Obr. 19 (a), (b). TEM snímky svazků jednostěnných uhlíkových nanotrubek.
Na závěr celkové analýzy SWCNTs bylo třeba ověřit předpokládané chemické složení nanotrubek a uhlíkových částic. K tomuto účelu byl použit energiově-disperzní analyzátor (EDS) INCA (Oxford Instruments), který je schopen detekovat prvky od boru (Z = 5) až po uran (Z = 92). Ze spektra (obr. 20) je zřejmé, že byl potvrzen obsah uhlíku, kyslíku, dusíku a křemíku, který byl v nanotrubkách předpokládán a dále byl detekován ještě nikl a ytrium, které se nachází v uhlíkových nanočásticích.
41
C
Spectrum 1
Ni
Si O
Y Ni Ni
0 1 2 3 Full Scale 1011 cts Cursor: 4.464 keV (15 cts)
4
5
6
7
8
9
10 keV
Obr. 20. Spektrum EDS analýzy jednostěnných uhlíkových nanotrubek [obrázek dodal VOP-026 Šternberk, s.p., divize VTÚO Brno].
5.1.6. Určení počtu SWCNTs ve svazku Při určení přibližného počtu nanotrubek ve svazku je nutno postupovat následujícím způsobem. Předpokládejme, že průřez svazku nanotrubek je kruhový a jeho plocha je určena vztahem 2
D PS = πR = π , 2 2
(15)
kde R je poloměr svazku a D je jeho průměr, určený z TEM snímků. Ve svazku je nutné také započítat k jednotlivých nanotrubkám volné prostory mezi nimi. Průřez nanotrubky ve tvaru kružnice proto vepíšeme do šestiúhelníku (viz obr. 21), abychom k ní započítali i výše zmíněné volné prostory.
Obr. 21. Schematický náčrt průřezu jedné jednostěnné uhlíkové nanotrubky.
42
Uvažujme nyní pouze jeden z trojúhelníků (obr. 21). Vyjádříme délku strany a trojúhelníku pomocí jeho výšky r
2
a r 2 + = a2 , 2
(16)
pomocí následující úpravy
2
3 a r = a − = a2 4 2 2
2
(17)
získáme vztah pro výpočet délky strany a
a=
2r
.
(18)
a P∆ = r . 2
(19)
3
Plochu trojúhelníka určíme ze vztahu
Dosazením vztahu (18) do (19) dostaneme pro výpočet plochy trojúhelníka
P∆ =
r2 3
.
(20)
Po několika úpravách platí pro výpočet plochy šestiúhelníku vztah
P6 =
3 2 d , 2
kde d = 2r.
Pro určení počtu nanotrubek ve svazku vyjdeme ze vztahu
43
(21)
2
D π P 2 n= S = , P6 3 2 d 2
(22)
Závěrečnou úpravou dostaneme konečný vztah pro určení počtu nanotrubek ve svazku
D π n= . d 2 3 2
(23)
Tento vztah byl použit k zjištění počtu jednostěnných uhlíkových nanotrubek v jednotlivých svazcích u všech přibližně 22 analyzovaných vzorků. Z TEM snímků byl vizuálně vybrán svazek s nejmenším a největším průměrem a následně určeny počty nanotrubek v těchto svazcích podle vztahu (23). Pro názornost jsou v tabulce 2 uvedeny výsledky materiálové charakterizace dvou vzorků metodou TEM, společně s počty CNTs ve svazku.
Tabulka 2. Výsledky materiálové charakterizace vzorků nanotrubek pomocí TEM.
Označení
Typ vzorku
vzorku
Průměr svazků
Průměr
Přibližný počet
CNTs [nm]
nanotrubky ve
CNTs ve svazku
svazku [nm] AD
SWCNTs
5-20
1,5
10-161
AD1
SWCNTs
2-25
1,4
12-310
44
V tabulce 3 jsou názorně uvedeny jednotlivé mikroskopické metody a jejich přínos při analýze jednostěnných uhlíkových nanotrubek.
Tabulka 3. Přehled mikroskopických metod a jejich využití při studiu SWCNTs.
TEM
SEM
AFM
délka svazku
ano
ano
ano
průměr svazku
ano
ano
ne
délka nanotrubky
ano
ano
ne
průměr nanotrubky
ano
ne
ne
poruchy nanotrubky
ano
ne
ne
počet
ano
ne
ne
CNT
ve
svazku
Z tabulky 3 je zřejmé, že nejefektivnější metodou pro celkovou charakterizaci jednostěnných uhlíkových nanotrubek je TEM. Díky vysokému rozlišení lze identifikovat až drobné poruchy ve stěnách a ze snímků určit všechny výše uvedené potřebné parametry. Zásadním přínosem SEM při analýze SWCNTs je to, že díky její vysoké hloubce ostrosti lze na snímcích pozorovat trojrozměrný aspekt. Dále lze získat informaci o aglomeraci daného vzorku. SEM byl v případě analýz, diskutovaných v této disertační práci, použit pro získání informací o povrchu a seskupení SWCNTs. AFM byla použita pouze jako doplňková metoda. Z tabulky je zřejmé, že přináší informaci pouze o délce svazku.
5.1.7. Mikroskopické analýzy vícestěnných uhlíkových nanotrubek V případě analýzy MWCNTs byla použita, na základě analýzy SWCNTs, pouze metoda transmisní elektronové mikroskopie. Ze snímků (obr. 22) lze určit všechny potřebné parametry: délku, průměr nanotrubky a počet stěn.
45
(a)
(b) Obr. 22. TEM snímek (a) shluku MWCNTs; (b) samostatné MWCNT.
46
6. CHARAKTERIZACE GRAFENŮ POMOCÍ MIKROSKOPICKÝCH METOD Grafen je jednou z nejvýznamnějších modifikací uhlíku, kterou lze definovat jako monovrstvu atomů uhlíku, uspořádaných do šestiúhelníků spojených pomocí sp2 vazeb. Pentagonální a heptagonální uspořádání jsou pak považovány za defekty. V literatuře je také často grafenu připisován název „2D grafit“ [22]. V současnosti lze grafen považovat za základ všech modifikací uhlíku. Může být formován do 0D fulerenu, svinut do 1D uhlíkové nanotrubky nebo složen do 3D grafitu (obr. 23).
Obr. 23. Grafen společně s ostatními modifikacemi. Převzato z [22].
Historie vzniku grafenů Již v roce 1935 byla studována termodynamická stabilita 2D krystalů. Výsledkem těchto studií bylo, že 2D krystaly jsou nestabilní, samovolně se rozpadají a mohou vznikat pouze v blízkosti vhodných 3D krystalů. Po roce 1945 vznikaly další teoretické studie vlastností 2D struktur [23−25]. Pojem grafen byl poprvé použit v roce 1987 [26]. Grafenový třesk však nastal až v roce 2004, kdy byl proveden experimentální důkaz existence stabilního 2D uhlíkového krystalu. V práci [27] bylo popsáno, jakým způsobem
47
lze vyrobit z grafitu grafen. Prvním způsobem získávání grafenů byla tzv. exfoliace z bloku grafitu.
Metody získávání grafenových listů Nejstarším a v současnosti jedním z nejvyužívanějších způsobů výroby grafenů je
exfoliace. V tomto případě jde o přípravu grafenových listů pomocí odlupování jednotlivých vrstev z grafitu. Tímto způsobem se podařilo získat grafenové listy, jejichž rozměry se pohybují řádově až ve stovkách µm. Dalšími způsoby získávání grafenů jsou •
epitaxní růst
•
redukce karbidu křemíku,
•
redukce v hydrazinu a
•
depozice z chemických par.
Pomocí redukce karbidu křemíku lze připravit pouze malý objem grafenů nevhodných k použití v elektronice. Depozice chemickým odpařováním pak vede ke vzniku velmi kvalitních grafenů s plochou až 1 cm2, vznikajících na tenké niklové podložce, ze které mohou být přeneseny na různé substráty. Při výrobě grafenových listů jsou stále řešeny dva základní problémy. Prvním z nich je nalezení cesty k výrobě dostatečně velkých grafenů, např. pro výrobu elektronických součástek, druhým pak levná výroba dostatečného množství listů.
Vlastnosti grafenů Mechanické vlastnosti [28−30] Grafen je v současnosti nejpevnějším materiálem. Naměřená tuhost grafenu se pohybovala od 1–5 N.m-1, hodnota Youngova modulu pružnosti byla 500 GPa. Tyto vlastnosti předurčují grafeny k použití v nanoelektronických a mechanických systémech, tlakových senzorech či rezonátorech.
48
Elektrické vlastnosti Grafeny lze řadit mezi polokovy nebo tzv. polovodiče s nulovým zakázaným pásem. Experimentální výsledky také prokázaly zřetelnou elektronovou vodivost při pokojové teplotě [30]. Měrný odpor grafenového listu je 10-6 Ω . cm, což je mnohem méně než měrný odpor stříbra při pokojové teplotě. Současné výzkumy prokazují vliv chemických dopantů na vodivost nosičů v grafenech. V práci [31] byl grafen dopován draslíkem v ultravakuu při nízké teplotě. Draslíkové ionty se pak chovaly jako nabité nečistoty, které redukují vodivost grafenu. Tu lze ovlivnit teplotou.
Optické, tepelné a magnetické vlastnosti Z optických vlastností je třeba zmínit především schopnost monovrstvy grafenu absorbovat přibližně 2,3 % intenzity bílého světla. Při pokojové teplotě dosahuje tepelná vodivost grafenu hodnoty od 4,8×103 do 5,3 ×103 Wm−1 K−1. Tyto hodnoty jsou ovlivněny kmity krystalové mříže. K výrazným změnám pak dochází v oblasti Fermiho hladiny. Grafeny vykazují anomální kvantový Hallův jev [32]. Z důvodu malé spin-orbitální interakce a absence magnetického momentu je grafen ideálním materiálem pro spintroniku.
Praktické uplatnění grafenových listů Jedním z nejrozsáhlejších využití grafenových listů je jejich využití v elektronice. Právě grafenové listy se díky svým unikátním fyzikálním vlastnostem jeví jako nejvhodnější kandidát pro náhradu za křemík, který už v podstatě dosáhl svých fyzikálních limitů. Grafeny lze také využít jako materiál pro výrobu FET a také balistických transistorů [27, 33]. Díky dobré tepelné a elektrické vodivosti lze grafenové listy využít také pro vzájemná propojení v integrovaných obvodech. Značná hodnota specifického povrchu předurčuje využití grafenu pro konstrukci kondenzátorů s vysokou kapacitou, která výrazně překračuje běžné hodnoty.
Grafeny
mohou také díky svému vysokému měrnému povrchu a vysoké vodivosti nahradit grafit při výrobě suchých článků [34].
49
6.1. Mikroskopické analýzy grafenových listů Grafenové listy, analyzované v této disertační práci, byly vyrobeny metodou chemické exfoliace a získány ve spolupráci s Institute of Materials Science, NCSR „Demokritos“ v Aténách. Byla analyzována série přibližně 15 vzorků grafenových listů, lišících se použitými rozpouštědly při jejich výrobě (hexafluorobenzen, octafluorotoluen, pentafluorobenzonitril, pentafluoropyridin).
6.1.1. Příprava vzorků pro jednotlivé mikroskopické metody Vzorky grafenů pro mikroskopické analýzy byly dodány ve formě suspenzí v různých médií (např. voda, ethanol, apod.). Vzorky pro TEM byly připravovány následujícícím postupem. Suspenze grafenů byla 10 minut ultrasonifikována a poté nakápnuta na měděnou podložní síťku pokrytou uhlíkovou fólií typu „holey carbon“. Právě v případě grafenových listů byla volba uhlíkové fólie velmi důležitá – v případě užití celistvé uhlíkové fólie nebylo možné grafenové struktury přesně identifikovat a informace, získané z elektronové difrakce (SAED) byly díky podložní uhlíkové fólii zkreslené. Na závěr byl vzorek 15 minut sušen při pokojové teplotě (délka sušení závisí na použitém nosném médiu). V případě SEM bylo nalezení nejvhodnější metody pro přípravu kvalitních vzorků náročnější než v případě TEM. Nejprve byla použita pro uchycení suspenze oboustranná uhlíková lepicí páska. V tomto případě však nelze při EDS analýze přesně určit, zda detekovaný uhlík pochází z lepicí pásky nebo přímo ze vzorku. Druhou možností bylo využití stříbrné pasty. I v tomto případě však docházelo k nejistotám v interpretaci naměřených výsledků EDS analýz. Bylo zjištěno, že i stříbrná pasta obsahuje malé množství uhlíku. Jako nejpřesnější a nejefektivnější metoda bylo zvoleno následující. Suspenze obsahující grafenové listy byla nakápnuta přímo na hliníkovou podložku pro SEM. V tomto případě nedochází ani v obraze ani ve výsledcích EDS analýzy k žádným artefaktům. Dále byl vzorek sušen 45 minut při 50 ºC. Pro AFM analýzy byla suspenze nakápnuta na slídovou podložní destičku a vzorek sušen po dobu 60 minut při 50 ºC. Poté byla slídová podložní destička uchycena na safírovou podložku.
50
6.1.2. Analýza grafenových listů pomocí TEM Pro analýzu grafenových listů bylo využito nejvyššího možného urychlovacího napětí 200 kV. Mikroskop využitý při analýzách grafenů není však schopen zobrazit deformace krystalové mříže. Ze snímků získaných pomocí transmisní elektronové mikroskopie (obr. 24) lze identifikovat uhlíkové struktury, definovat jejich tvar a velikost.
(a)
(b)
(c)
(d)
Obr. 24. TEM snímky uhlíkových listů.
Pomocí SAED bylo třeba ověřit fázové složení nalezených objektů. Na obr. 25 je zobrazena oblast vybraná pro SAED společně s jejím difraktogramem. Při průchodu monokrystalem vytvářejí difrakční obrazce síť bodů, zatím co při průchodu polykrystalem soustředné kružnice.
51
Obr. 25. Difraktogram společně s vybranou oblastí.
Po analýze difraktogramu lze z difrakčního záznamu (obr. 26) potvrdit přítomnost uhlíkových struktur ve vzorku.
Obr. 26. Difrakční záznam získaný z difraktogramu na obr. 25.
6.1.3. Analýza grafenových listů pomocí SEM Vzorky obsahující grafenové listy byly měřeny při maximálním možném urychlovacím napětí, které použitý mikroskop poskytuje, a to 30 kV.
52
Na snímcích pořízených pomocí SEM (viz obr. 27) lze snadno identifikovat velmi tenké, transparentní, uhlíkové listy. Ostatní struktury na snímcích jsou zbytky stříbrné pasty, která byla použita pro uchycení grafenů na podložce.
(a)
(b)
Obr. 27. (a) Grafenové listy zobrazené pomocí SEM; (b) detailní výřez grafenového listu.
Pro ověření prvkového složení analyzovaných vzorků bylo využito přídavného zařízení SEM, a to energiově-disperzního analyzátoru (EDS). Pro EDS byla suspenze, obsahující grafeny, nakápnuta přímo na hliníkovou podložku.
Z obr. 28 je patrná
přítomnost uhlíku v analyzovaném vzorku.
Obr. 28. EDS spektrum analyzované suspenze obsahující grafeny.
53
6.1.4. Využití AFM pro charakterizaci grafenových listů V případě grafenových listů je AFM analýza nepostradatelnou součástí při celkové charakterizaci struktur. Poskytuje informaci o výškovém profilu uhlíkových listů (obr. 29). V analyzovaném vzorku byly nalezeny struktury s výškou 0,35 nm, což odpovídá jednoatomární vrstvě grafenu.
Obr. 29. Grafenový list zobrazený pomocí AFM společně s výškovým profilem.
V celkové charakterizaci grafenových listů má každá z použitých mikroskopických metod svůj nezastupitelný význam. Pomocí TEM lze uhlíkové struktury zobrazit, určit jejich tvar i velikost a pomocí elektronové difrakce určit fázové složení. SEM umožňuje provést EDS analýzu charakterizovaného vzorku a ověřit tak jeho prvkové složení. Díky AFM lze určit výškový profil nalezených listů a potvrdit tak, že jde skutečně o grafen.
54
7. CHARAKTERIZACE OXIDŮ ŽELEZA Oxid železitý, jako průmyslový produkt i jako minerál, byl studován ve formě objemových krystalů již na konci minulého století. Jako příklad lze uvést práci [35], ve které byla studována tvorba oxidů železa v závislosti na chemickém složení okolí. V současné době jsou oxidy železa díky svým unikátním fyzikálním vlastnostem (termické a chemické stabilitě a vysoké tvrdosti) jedním z nejvyužívanějších materiálů. Vyskytují se v přírodě jako součást železných rud (hematit a maghemit), dále pak v atmosféře i hydrosféře, rovněž byly nalezeny na povrchu Marsu [36]. Oxidy železa se využívají jako materiál pro výrobu tvrdých feritů, které lze dále použít jako součást magnetických pásek v kreditních kartách nebo např. u digitálních záznamových materiálů. Magnetické pigmenty se také přidávají do tiskárenských tonerů a inkoustů [37]. V elektronice se nejčastěji hematit používá jako fotoanoda do fotoelektronických cel [38]. Oxid železitý lze také zabudovat do různých vrstevnatých sloučenin jako polovodič. Tyto materiály pak vykazují výbornou fotokatalytickou aktivitu [39]. V neposlední řadě je třeba zmínit využití oxidů železa při čištění vod, radioaktivních odpadních látek, apod. [36]. Unikátních fyzikálních vlastností nanopráškových oxidů železa (především magnetitu a maghemitu) lze využít v biomedicíně, například jako součást kontrastních látek při magnetické rezonanci, k experimentální léčbě nádorových onemocnění apod. To lze díky jejich vlastnostem, jako je netoxicita, vhodný rozměr a velká plocha povrchu (řádově stovky m2/g). Tyto vlastnosti umožňují navázání velkého množství biosubstancí. V biomedicíně jsou důležité nejen fyzikální vlastnosti (rozměr, morfologie, atd.), ale také specifická úprava jejich povrchu (tzv. funkcionalizace částic) [40]. Tato fáze musí být netoxická a biokompatibilní látka, jejíž funkcí je zabránit shlukování magnetických nanočástic a umožnit na svůj povrch navázat léčiva. Nejčastěji bývá povrch nanočástic modifikován tenkou vrstvou organických polymerů a biopolymerů (chitosan, dextran, apod.). V této disertační práci budou analyzovány pomocí mikroskopických metod oxidy železa, jejichž rozměry sahají pod 100 nm, především pak γ-Fe2O3 (maghemit) a Fe3O4 (magnetit).
55
7.1. α – Fe2O3 (hematit) Hematit je nejběžnější a nejstabilnější formou oxidu železitého, která při teplotách vyšších než 1200 ºC podléhá teplotní redukci na magnetit (Fe3O4). Vyskytuje se v přírodě ve formě minerálu. Jeho symetrie je trigonální. Je izostrukturní s korundem a oktaedrické pozice jsou obsazovány ionty Fe3+. Magnetické vlastnosti hematitu jsou ovlivněny řadou vnějších faktorů, jako např. velikostí částic, vnějším magnetickým polem, mírou krystalinity apod. [41, 42]. Při nízkých teplotách vykazuje maghemit antiferomagnetismus, při teplotách nad 260 ºC je slabě
feromagnetický.
Částice
hematitu
menší
než
10−30
nm
jsou
pak
superparamagnetické při pokojové teplotě. Na obr. 30 je znázorněn magnetický fázový diagram hematitu v závislosti na velikosti částic a teplotě [60].
Obr. 30. Magnetický fázový diagram systému částic hematitu v závislosti na velikosti částic (P – paramagnetický stav, WF – slabě feromagnetický stav, AF – antiferomagnetický stav, SP – superparamagnetický stav). Barevné oblasti odpovídají přechodným stavům systému [60].
56
7.2. γ – Fe2O3 (maghemit) Maghemit se stejně jako hematit vyskytuje v přírodě jako minerál, vznikající oxidací magnetitu (Fe3O4). Je charakteristický strukturou inverzního spinelu kubické soustavy, obsahuje kationty v oktaedrických a tetraedrických pozicích. V oktaedrických pozicích se objevují vakance, díky nimž se kompenzuje růst kladného náboje, který vzniká při oxidaci magnetitu. Maghemit je díky své spinelové struktuře se dvěma podmřížkami typickým představitelem ferimagnetických látek a proto jedním z nejdůležitějších materiálů, používaných v průmyslu i v biomedicínckých aplikacích. Ultrajemné částice vykazují, obdobně jako u hematitu, superparamagnetismus. Maghemit byl jedním z prvních a nejvíce studovaných materiálů při budování teorie superparamagnetické relaxace [36].
7.3. Fe3O4 (magnetit) Magnetit je nejstarší známou látkou, vykazující magnetické vlastnosti. Ve většině případů ho lze nalézt jako jemně krystalický, zrnitý nerost. Jde o ferimagnetický materiál obsahující ionty Fe2+ a Fe3+. Stejně jako maghemit má inverzní spinelovou strukturu.
Částice o rozměrech menších než 10−30 nm vykazují superparamagnetické chování. Magnetit
je
také
součástí
živých
organismů,
především
v jednoduchých
mikroorganismech, ale i u vyšších organismů, např. u mravenců, včel i lososů [44−46]. Krystalický magnetit o velikosti 50−70 nm se vyskytuje také v tzv. magnetotaktických
bakteriích. Zde pak napomáhá orientovat se podél směru magnetického pole Země (viz kapitola 7.5.).
7.4. Charakterizace nanočástic a nanostruktur obsahujících γ-Fe2O3 pomocí TEM Nanočástice γ-Fe2O3, analyzované v této disertační práci, byly připraveny termicky indukovanou oxidativní dekompozicí octanu železnatého na vzduchu. Touto metodou se podařilo připravit nanočástice maghemitu o relativně úzké velikostní distribuci 6−8 nm, 10−15 nm a 20−30 nm v superparamagnetickém stavu, vyznačující se svými
57
magnetickými vlastnosti a netoxicitou. Díky těmto unikátním vlastnostem jsou vhodné pro využití v řadě biomedicínckých aplikací. Nanočástice maghemitu, analyzované v této disertační práci, tvoří společně s bentonitem (jílovitým minerálem) magnetický kompozit, testovaný v MRI jako negativní kontrastní látka k potenciálnímu vyšetření tenkého střeva. U takto připravených nanočástic maghemitu byla provedena kompletní velikostní a strukturní charakterizace, ke které byla využita transmisní elektronová mikroskopie. Bylo analyzováno přibližně 35 vzorků, lišících se teplotou a dobou trvání termicky indukované reakce v pevné fázi.
Vzorky nanočástic byly dodány v suchém stavu. Při přípravě vzorků pro TEM bylo postupováno shodným postupem jako v případě uhlíkových nanotrubek. Nanoprášek byl nejprve rozdispergován v ethanolu a po dobu 20 minut ultrasonifikován. Následně byla suspenze nakápnuta na měděnou podložní síťku potaženou uhlíkovou fólií typu holey carbon. Na závěr byl vzorek sušen 15 minut při pokojové teplotě. V případě kratší doby ultrasonifikace byly na preparátu značné aglomeráty. Jedním z nejdůležitějších aspektů při analýze nanopráškových vzorků pomocí TEM je nalezení vhodného urychlovacího napětí. V případě maghemitu bylo zvoleno urychlovací napětí v rozmezí 160–200 kV. Při nižších napětích nelze dosáhnout dostatečně vysokého rozlišení pro detailní analýzu nanočástic. Ze snímků získaných pomocí TEM byla potvrzena kubická struktura nanočástic maghemitu a určeny jejich velikosti. Ty se shodují s výsledky Debye−Schererovy rovnice z RTG difrakce.
(a)
(b)
Obr. 31. (a) Z TEM snímku lze potvrdit kubický tvar maghemitu; (b) atomární roviny.
58
Další mikroskopické analýzy bylo třeba provést pro charakterizaci kompozitu bentonit/maghemit. Vzorky pro TEM byly připraveny stejným způsobem jako v případě samotných nanočástic maghemitu. Pro TEM měření bylo nastaveno urychlovací napětí na hodnotu 200 kV. V případě kompozitu byla TEM využita především pro získání informace o navázání částic maghemitu na bentonit a o jeho struktuře a morfologii. Tyto informace jsou patrné z obr. 32.
Obr. 32. Kompozit vytvořený z nanočástic maghemitu a bentonitu.
Veškeré experimentální techniky, jako např. TEM a SEM, Mössbauerova spektroskopie, RTG prášková difrakce a BET,
značně přispěly k získání patentu na
negativní kontrastní činidlo.
7.5. Magnetotaktické bakterie (MTB) 7.5.1. Magnetotaktické bakterie a jejich magnetosomy Superparamagnetické nanočástice oxidů železa s vhodnou povrchovou modifikací mohou být využívány v řadě biochemických a biomedicínských aplikací, jako například v zobrazení pomocí magnetické rezonance (MRI), k léčbě nádorů apod. Všechny tyto aplikace vyžadují nanočástice vykazující vysokou hodnotu magnetizace, minimální distribuci velikosti, netoxicitu a biokompatibilitu. Jedním z nejvhodnějších materiálů, splňující tyto podmínky, je
biogenní magnetit (Fe3O4), vyskytující se v tzv.
magnetotaktických bakteriích. 59
Magnetotaktické bakterie (obr. 33) jsou mikroorganismy, objevené roku 1975 [47]. Jde o speciální druh bakterií, které mají schopnost orientovat se podle magnetického pole Země. Vyskytují se běžně ve sladkovodních i mořských prostředích, prokázána byla jejich přítomnost v lokalitách v USA, Německu, Číně, Japonsku a Brazílii. Existuje několik druhů těchto bakterií, lišících se tvarem, velikostí či počtem magnetických částic, tzv.
magnetosomů [48-51]. Magnetosomy pak v bakteriích vytváří řetízky, které slouží jako střelky kompasu, které jsou vyrovnány souběžně se zemským magnetickým polem a umožňují tak, aby bakterie snáze našla její nejpřirozenější prostředí – mikroaerofilní zónu rozhraní kal/voda. Hlavní
aplikací
magnetotaktických
bakterií
je produkce biokompatibilního
magnetitu. Dále byly MTB testovány pro použití v řadě dalších aplikací, například identifikaci severního a jižního pólu silně magnetických granulí v meteoritech nebo k rozpoznání jemných magnetických materiálů [52]. Byly také testovány v případě adsorpce iontů těžkých kovů v odpadních vodách [53, 54]. Z hlediska
nanomateriálového
výzkumu
jsou
zajímavé
především
kmeny
magnetotaktických bakterií, které jsou kultivovatelné a dostupné v čisté kultuře.
Obr. 33. Magnetotaktické bakterie.
Výhodou bakteriálních magnetosomů je jejich shodný tvar a fosfolipidová membrána (obr. 34), která umožňuje navázání bioaktivních látek. Magnetosomy tedy mohou sloužit jako nosiče léků, enzymů nebo protilátek v biologických oborech [55−57].
60
Obr. 34. Magnetosomy společně se svojí biologickou membránou.
Kultivace magnetotaktických bakterií je jedním z nejdůležitějších procesů při získávání magnetosomů. Magnetotaktické bakterie a jejich magnetosomy, analyzované v této disertační práci, byly získány z kultivace bakterií Magnetospirillum gryphiswaldense. Z jednoho litru kultivace lze po rozbití bakterií získat magnetickou separací až 0,35 g magnetosomů v suchém stavu.
7.5.2. Využití TEM při charakterizaci magnetosomů První krokem při TEM analýze bylo zjištění distribuce počtu magnetosomů v magnetotaktických bakterií. V případě bakterií byly vzorky pro TEM vytvořeny následujícím způsobem. Na měděnou podložku s celistvou uhlíkovou fólií byly nakápnuty suspenze obsahující magnetotaktické bakterie. Vzorek byl sušen po dobu 90 minut při pokojové teplotě, poté byl propláchnut 2× v destilované vodě. Pomocí TEM byla vytvořena série 300 snímků různých magnetotaktických bakterií, určeny počty jejich magnetosomů a následně vypočtena distribuce počtu magnetosomů u jednotlivých kultivací. Dalším krokem byla samotná analýza magnetosomů. Z TEM snímků byly stanoveny dva základní rozměry − nejdelší rozměr částic, označovaný jako délka a nejkratší rozměr
částic − šířka částice. V rámci diplomové práce [58] bylo změřeno 791 částic z 55 buněk a z nich potřebné údaje zjištěny. Z obr. 35 je zřejmé, že největší počet částic se pohybuje v rozmezí šířek 35 - 45 nm a délek 45 – 50 nm. Také byla stanovena závislost mezi délkou a šířkou částic (obr. 35). Z obr. 35 lze usoudit, že délka a šířka částice spolu úzce souvisí a tyto dva rozměry se jen nepatrně liší (korelační koeficient R = 0,96).
61
(a)
(b)
Obr. 35. Histogram (a) šířek; (b) délek krystalu magnetitu [převzato z [58] ].
7.5.3. Úprava povrchu magnetosomů a funkcionalizace Hlavním cílem skupiny, zabývající se v Centru pro výzkum nanomateriálů magnetotaktickými bakteriemi, je získat čisté magnetosomy bez zbytků bakterií, obalit je a navázat na ně další látky vhodné pro využití v bioaplikacích. Proto bylo nejprve třeba ověřit, zda jsou izolované magnetosomy čisté, tzn. bez zbytků rozbitých bakterií. Na obr. 36a je zřejmé, že suspenze s magnetosomy neobsahuje žádné zbytky rozbitých bakterií, avšak obr. 36b, na kterém jsou magnetosomy získané z jiné kultivace, jsou patrné zbytky rozbitých bakterií.
(a)
(b)
Obr. 36. Magnetosomy (a) bez zbytku rozbitých bakterií; (b) se zbytky rozbitých bakterií.
62
Povrchová modifikace magnetosomů Z obr. 36 je zřejmé, že magnetosomy se nevyskytují samostatně, ale vytváří aglomeráty. Pro řadu aplikací je velice důležité magnetosomy chemicky stabilizovat a zabránit tak jejich aglomeraci a degradaci. Toho je možné dosáhnout obalením magnetosomů organickými látkami včetně surfaktantů a polymerů, nebo obalením organickou vrstvou, jako např. polysacharidy. V mnoha případech pak obalové slupky magnetosomy nejen stabilizují, ale mohou sloužit i pro jejich další funkcionalizace, v závislosti na dalším využití. Prvním krokem povrchové modifikace magnetosomů bylo odstranění jejich membrány pomocí cetyl trimethylammonium chloride (CTAC) nebo dodecylsulfátu sodného (SDS). Z TEM snímků (obr. 37) je zřejmé, že v případě použití SDS−negativního surfaktantu i CTAC− pozitivního surfaktantu, dojde k rozbití řetízků a zamezení agregace po odstranění biologické membrány.
(a)
(b)
Obr. 37. Magnetosomy bez membrány, která byla odstraněna (a) CTAC; (b) SDS.
Dalším krokem je samotné obalení. Magnetosomy, analyzované v této disertační práci, byly obaleny biokompatibilními materiály, jako je chitosan, dextran a Tween 20 (viz obr. 38).
63
(a)
(b)
¨
(c)
Obr. 38. Magnetosomy obalené (a) dextranem; (b) chitosanem; (c) Tween 20.
64
Z hlediska TEM bylo v některých případech obtížné identifikovat obalení různými
činidly. Při přípravě vzorků magnetosomů bylo nutné vždy použít uhlíkovou fólii typu „holey carbon“. Pro vytvoření kvalitních snímků bylo nutné nalézt magnetosomy uchycené na vnitřní straně otvorů v uhlíkové fólii. Tak bylo možné získat na snímcích magnetosomy bez podložního uhlíku a přesně tak identifikovat obalení. Pro získání přehledu o uspořádání magnetosomů ve vzorcích byl využit také SEM. Vzorek byl nakápnut na oboustrannou uhlíkovou pásku, uchycenou na kovovou podložku. Poté byl sušen 20 minut na vzduchu. Urychlovací napětí bylo nastaveno na 3 kV. Při vyšších napětích docházelo ke značnému nabíjení vzorků. Ze snímků (obr. 39) však není možné rozlišit, zda jsou magnetosomy obalené či nikoliv.
Obr. 39. SEM snímky řetízků magnetosomů.
Výsledků, dosažených díky TEM analýzám, bude v následujících měsících využito k navázání další látek, např. léčiv na obalené magnetosomy.
65
8. ZÁVĚR Mikroskopické metody jsou v současnosti nepostradatelnými experimentálními technikami, bez nichž nelze v nanomateriálovém výzkumu určit fyzikální, ale i chemické vlastnosti nanopráškových vzorků. Hlavním cílem této disertační práce byla aplikace transmisní elektronové mikroskopie (TEM) na nanopráškové materiály. TEM umožňuje zobrazit struktury o velikost řádově několika nanometrů. Pomocí TEM lze určit potřebné tvary, definované rozměry a také fázové a chemické složení analyzovaných materiálů. Nepřináší však informaci o struktuře povrchu ani výškovém profilu zkoumaných objektů. Proto pro celkovou mikroskopickou analýzu charakterizovaných vzorků bylo v disertační práci využito výsledků získaných pomocí dalších dvou mikroskopických metod, a to skenovací elektronové mikroskopie (SEM) a mikroskopie atomárních sil (AFM). Experimentální část práce je zaměřena na analýzy nanopráškových vzorků pomocí mikroskopických metod. Prvními vzorky, u nichž byly využity tyto metody jsou uhlíkové nanotrubky. Byla analyzována série 35 vzorků, z čehož bylo 22 vzorků jednostěnných a 13 vzorků vícestěnných nanotrubek. Cílem těchto měření bylo zjistit základní parametry nanotrubek. U jednostěnných bylo třeba určit průměr a délku svazku, průměr a délku jedné nanotrubky a počet nanotrubek ve svazku, u vícestěnných pak průměr a délku nanotrubky a počet jejích stěn. Získané parametry byly využity VOP-026 Šternberk, s. p., divizí VTÚO Brno. V případě analýzy pomocí transmisní elektronové mikroskopie byla jednou z nejdůležitějších fází příprava vzorků. Bylo třeba nalézt vhodné médium, ve kterém nanopráškový materiál rozdispergovat, určit správný čas ultrasonifikace tak, aby byly dostatečně rozbity aglomeráty a dále vybrat nejvhodnější typ podložní síťky a fólie. Po nalezení všech těchto parametrů bylo možné již rutinně připravovat vzorky uhlíkových nanotrubek pro TEM. V případě špatné volby parametrů při přípravě by se na vzorku vyskytovalo velké množství aglomerátů, mohlo by také docházet k jeho deformaci apod. Všechny tyto zmíněné jevy se poté projeví na kvalitě výsledného obrazu. Při analýzách jednostěnných uhlíkových nanotrubek bylo zjištěno, že mikroskopie atomárních sil není vhodná pro určení průměru svazků jednostěnných uhlíkových nanotrubek. Nanotrubky totiž nejsou uchyceny přímo na slídové podložce, ale oscilují nad ní. Proto nelze určit přesnou hodnotu průměru ani z výškového profilu svazku. Dalšími analyzovanými uhlíkovými strukturami byly grafeny. Byla analyzována série přibližně 15 vzorků. V tomto případě bylo třeba pomocí mikroskopických metod ověřit 66
přítomnost grafenů v suspenzích, dále to, že jde skutečně o grafeny (pomocí AFM) a na závěr určit jejich tvar a velikost (pomocí TEM, SEM a AFM). Výsledky těchto analýz byly využity v publikaci [59]. Grafeny byly dodány již v suspenzích, proto při přípravě vzorku pro TEM odpadla nutnost hledání vhodného média pro ultrasonifikaci. Nalezený nejvhodnější čas pro ultrasonifikaci je 20 minut. V případě uhlíkových listů byla velmi důležitá volba podložní fólie. Byla – li použita celistvá uhlíková fólie, nebylo možné na ní uhlíkové struktury rozpoznat. Proto pro všechny analýzy byla použita fólie typu holey carbon, v níž jsou uměle vytvořeny kruhové otvory různých velikostí. V tomto případě lze nalézt uhlíkové listy, které leží v otvorech a při pozorování není výsledný obraz zatížen podložním uhlíkem. Pomocí TEM byly uhlíkové struktury identifikovány a definován jejich tvar i velikost. Metodou elektronové difrakce (SAED) bylo ověřeno jejich fázové složení. Velmi tenké uhlíkové listy byly indentifikované také ze snímků, pořízených skenovacím elektronovým mikroskopem. V poslední kroku bylo třeba rozhodnout, zda identifikované uhlíkové struktury jsou grafeny. K tomu pomohla metoda AFM, která poskytuje informaci o výškovém profilu uhlíkových listů. V analyzovaných vzorcích byly nalezen struktury s výškou 0,35 nm, což odpovídá právě jednoatomární vrstvě grafenu. Z nanopráškových oxidů železa byly analyzovány především maghemit a magnetit. Metodami TEM a SEM bylo charakterizováno přibližně 35 maghemitu a jeho kompozitu maghemit/bentonit. Cílem těchto měření bylo zjištění velikosti částic a také struktury kompozitu. Výsledky získané pomocí mikroskopických metod byly využity jako jedny z mnoha experimentálních metod v práci [60] k vytvoření kontrastního činidla pro MRI. Poslední analyzovaným materiálem byly magnetotaktické bakterie a jejich magnetosomy. Analyzováno bylo přibližně 130 vzorků. TEM je v případě zobrazení magnetotaktických bakterií a magnetosomů jedinou mikroskopickou technikou pro jejich potřebnou charakterizaci. Nejprve byly charakterizovány magnetotaktické bakterie. U nich byla z TEM snímků určena jejich velikost a počet magnetosomů v řetízcích. V případě magnetosomů byly analýzy vypracovány v několika krocích. Nejprve bylo třeba najít vhodnou podložní síťku, na kterou umístit suspenzi obsahující magnetosomy pro TEM analýzu. Jako nejvhodnější byla použita podložní fólie typu holey carbon. Stejně jako v případě grafenů byly na vzorku nalezeny magnetosomy, které se uchytily uvnitř otvoru v uhlíkové bláně a bylo tak možné identifikovat biologickou membránu. 67
Prvním krokem v případě analýzy magnetosomů bylo zjištění, zda jsou izolované magnetosomy čisté, bez zbytků bakterií. V případě, že se na vzorku nevyskytovaly žádné nečistoty, magnetosomy mohly být použity pro další aplikace − odstranění membrány a následné obalení organickými látkami. Membrána byla odstraněna pomocí SDS a CTAC. Tato skutečnost byla ověřena z TEM snímků. Pro použití v řadě biotechonologických aplikací byly magnetosomy obaleny dextranem, chitosanem a Tween 20. V budoucnosti budou na takto obalené magnetosomy sloužit pro navázání dalších látek, jako např. léčiv apod.
68
9. SUMMARY At present, microscopic methods represent indispensable experimental tool without which it cannot be possible to determine physical and chemical properties of nanopowdered samples in the nanomaterial research. The main goal of this dissertation thesis was to apply transmission electron microscopy (TEM) for study of nanopowdered materials. TEM enables to visualize structures with dimensions of order of several nanometers. With the help of TEM, it is possible to determine the shapes, dimensions and also phase and chemical composition of the investigated samples. However, it does not bring any information about the structure of the surface and height profile of the studied objects. Thus, in order to get a complex microscopic analysis of the samples studied within the presented dissertation thesis, it was necessary to employ two other types of microscopic methods, namely scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The experimental part of this work is focused on the analyses of nanopowdered samples by microscopic methods. Firstly, these experimental methods have been used for study of carbon nanotubes. A series of 35 samples has been analyzed out of which 22 samples were single-wall nanotubes and 13 samples were multi-wall nanotubes. The aim of these measurements was to determine the basis parameters of the nanotubes. For the single-wall nanotubes, it was necessary to determine the diameter and length of the bunch, diameter and length of one nanotube and number of nanotubes in one bunch. For the multi-wall nanotubes, we stated the diameter and length of the nanotube and number of its walls. The obtained parameters were then used by VOP-026 Šternberk company. In the case of analysis by transmission electron microscopy, it was found out that the sample preparation represents one of the most important steps in order to get sufficient results. It was necessary to find a suitable medium in which the nanopowdered material was dispersed, to determine the right time of ultrasonication so that all agglomerates were sufficiently broken, and to choose the most suitable type of underlying net and foil. After finding conditions for all these parameters, it was possible routinely to prepare samples of carbon nanotubes for TEM. In the case of wrong choice of parameters during the sample preparation, too many agglomerates would be present in the sample, the sample would suffer deformations etc. All the above-mentioned phenomena then manifest themselves on the quality of the resulting image.
69
During the analyses of the single-wall carbon nanotubes, it was found out that atomic force microscopy is not suitable for determination of the diameter of bunches of singlewall carbon nanotubes. Nanotubes are not attached directly to the mica support but oscillate above it. Therefore, it is impossible to determine the accurate value of the diameter even from the height profile of the bunch. Graphenes were another carbon structures analyzed within this dissertation thesis. A series of approximately 15 samples have been investigated. In this case, with the help of the microscopic methods, it was necessary to verify the presence of graphenes in suspensions (by AFM) and determine their shape and size (by TEM, SEM and AFM). The results of these analyses were published in [59]. Graphenes were delivered already in suspensions, therefore it was not necessary to search for a suitable medium for ultrasonication during the sample preparation for TEM. The most suitable time sufficient for ultasonication was found to be 20 minutes. In the case of carbon sheets, it is shown that the choice of the underlying foil plays a very important role. If a compact carbon foil was used, it was not possible to distinguish carbon to distinguish particular carbon structures on its surface. Therefore, for all analyses, we use a foil of holey carbon type which contains artificially created circular holes of various sizes. In this case, it is possible to find carbon sheets which lie in the holes, and the resulting image is not affected by underlying carbon. With the help of TEM, these carbon structures were identified and their shape and size were subsequently determined. Their phase composition was then verified by an electron diffraction method (SAED). Very thin carbon sheets were identified also from images, taken by a scanning electron microscope. In the last step, it was necessary to decide whether identified carbon structures are graphenes or not. To do so, we employ AFM method which provides information of the height profile of the carbon sheets. In the investigated samples, we found structures with a height of 0.35 nm which exactly corresponds to a monoatomic layer of the graphene.
Maghemite and magnetite, as nanopowdered iron oxides, were also analyzed within this work. With the help of TEM and SEM, approximately 35 samples of maghemite and maghemite/bentonite nanocomposite were characterized. The goal of these measurements was to determine the site of iron oxide nanoparticles and the structure of the nanocomposite. The results obtained by the microscopic methods were then used in the work [60] for formation of the contrast agent for MRI. Magnetotactic bacteria and their magnetosomes were the last materials analyzed within the presented dissertation thesis. Approximately 130 samples were analyzed. In the 70
case of imaging of magnetotactic bacteria and magnetosomes, TEM is the only microscopic technique for their characterization. Magnetotactic bacteria were firstly characterized. From TEM images, we determined their size and number of magnetosomes in the chains. In the case of magentosomes, the analyses were performed in several steps. Firstly, for TEM analysis, it was necessary to find a suitable underlying net on which we placed the suspension consisting of magnetosomes. The underlying foil of holey carbon type was found to be the most suitable for this purpose. Similarly as in the case of graphenes, we found magnetomes attached in the holes of the carbon foil and it was thus possible to identify the biological membrane. In the case of analysis of magnetosomes, the first step was to find out whether the isolated magnetosomes are naked without residues of bacteria. When no impurities were found in the sample, magnetosomes can be used for other applications – removal of membrane and subsequent coating by organic substances. The membrane was removed by SDS and CTAC method. The membrane removal was then verified by TEM images. For utilization in a series of biotechnological applications, the magnetosomes were coated with dextran, chitosan and Tween 20. In future, the as-coated magnetosomes will be used for attaching further substances as drugs etc.
71
10. LITERATURA [1] H. G. Bart, ed. Modern methods of particle size analysis. Wiley Interscience, 1984. [2] Zhenhua Ma et al., Powder Technol. 2000, 111, 66. [3] B. G. Zanetti-Ramos et al., Mater. Sci. Eng. C. 2009, 29, 638. [4] I. N. Leontyev et al., Appl. Catal. A. 2009, 357, 1. [5] B. Elmas, M. Tuncel, G. Yalçın, S. Şenel, A. Tuncel, Colloids Surf. A. 2005, 269, 125. [6] R. V. Anamalay, T. B. Kirk, D. Panzera, Wear. 1995, 181−183, 771. [7] R. Kubínek, M. Vůjtek, M. Mašláň. Mikroskopie skenující sondou. Vydavatelství UP, 2003. [8] H. X. You, Ch. R. Lowe, Curr. Opin. Biotechnol. 1996, 7, 78. [9] C. H. Ahn et al., Mater. Sci. Eng. B. 1998, 56, 173. [10] Z. Reich, R. Kapon, R. Nevo, Y. Pilpel, S. Zmora, Y. Scolnik, Biotechnol. Adv. 2001, 19, 451. [11] Z. Slanina, F. Uhlík, S.-L. Lee, L. Adamowicz, S. Nagase, Chem. Phys. Lett. 2008, 463, 121. [12] S. Iijima, Nature. 1991, 354,56. [13] M. Meo, M. Rossi, Compos. Sci. Technol. 2006, 66, 1597. [14] S. B. Meo et al., Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 2001, 26, 145. [15] B. G. Demczyk, Y. Wang, J. Cumings, M. Hetman, W. Han, A. Zettl, R. Ritchie, Mater. Sci. Eng. A. 2002, 334, 173. [16] J. W. Mintmire, C. T. White, Carbon. 1995, 33, 893. [17] M. B. Nardelli, J.-L. Fattebert, D. Orlikowski, C Roland, Q, Zhao, J. Bernholc, Carbon. 2000, 38, 1703. [18] Y. Soo Park et al., Synth. Met. 2002, 126, 245. [19] Z. Shi et al., J. Phys. Chem. Solids. 2000, 61, 1031. [20] Q. Kuang et al., Carbon. 2006, 44, 1166. [21] S. A. Moshkalyov, A. L. D. Moreau, H. R. Guttiérrez, M. A. Cotta, J. W. Swart, Mater. Sci. Eng. B. 2004, 112, 147. [22] A. K. Geim, K. S. Novoselov, Nat. Mater. 2007, 6, 183. [23] P. R. Wallace, Phys. Rev. 1947, 71, 622. [24] J. W. McClure, Phys. Rev. 1956, 104, 666. [25] J. C. Slonczewski, P. R. Weiss, Phys. Rev. 1958, 109, 272. [26] S. Mouras et al., Revue de Chimie Minerale. 1987, 24, 572.
72
[27] K. S. Novoselov et al., Science. 2004, 306, 666. [28] C. Lee et al., Science. 2008, 321, 385. [29] I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, A. M. Van Der Zande, P. L. McEuen, J. Vac. Sci. Technol. B. 2007, 25, 2558. [30] A. C. Neto et al., Rev. Mod. Phys. 2009, 81, 109. [31] J. H. Chen et al., Nat. Phys. 2008, 4, 377. [32] V. P. Gusynin, S. G. Sharapov, Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 146801. [33] M. C. Lemme et al., IEEE Electron Device Lett. 2007, 28, 282. [34] X. Wang et al., Nano Lett. 2007, 8, 323. [35] C. Liu, P. M. Huang, Soil Sci. Soc. Am. J. 1999, 63, 65. [36] R. M. Cornell, U. Schwertmann, The iron oxides, 2nd Edition (Wiley-VCH), 2003. [37] J. Ensling, P. Gütlich, R. Klinger, W. Meisel, H. Jachow, E. Schwab, Hyperfine Interact. 1998, 111, 143. [38] M. Z. Zayat et al., Adv. Mater. 2003, 15, 1809. [39] Y. Fujishiro, S. Uchida, T. Sato, Int. J. Inorg. Mater. 1999, 1, 67. [40] A. K. Gupta and M. Gupta, Biomaterials. 2005, 26, 3995. [41] S. Mitra, Applied Mössbauer spectroscopy, Series: Physics and Chemistry of the Earth. Pergamon Press, Oxford, 1992. [42] P. Ayyub et al., J. Phys. C: Solid State Phys. 1988, 21, 2229. [43] R. E. Vandenberghe, E. de Grave, C. Landuyt, L. H. Bowen, Hyperfine Interact.
1990, 53, 175. [44] I. Safarik, M. Safarikova, Monatsh. Chem. 2002, 133, 737. [45] M. Ogura, M. Kato, N. Arai, T. Sasada, Y. Sakaki, Can. J. Zool. 1992, 70, 874. [46] M. Winklhofer et al., Eur. J. Mineral. 2001, 13, 659. [47] R. P. Blakemore, Science. 1975, 190, 377. [48] S. Mann, N. H. C. Sparks, R. P. Blakemore, Proc. R. Soc. London B. 1987, 231, 469. [49] D. L. Balkwill, D. Maratea, R. P. Blakemore, J. Bacteriol. 1980, 141, 1399. [50] D. A. Bazylinski, R. B. Frankel, H. W. Jannasch, Nature. 1988, 334, 518. [51] K. M. Towe, T. T. Moench, Earth Planet Sci. Lett. 1981, 52, 213. [52] D. Schüler , R. B. Frankel, Appl. Microbiol. Biotechnol. 1999,52, 464. [53] A. S. Bahaj et al, J. Appl. Phys. 1993, 10, 5394. [54] A. S. Bahaj, et al, J. Magn. Magn. Mater.1998,181, 1453. [55] N. Nakamura, K. Hashimoto,T. Matsunaga, Anal. Chem. 1991, 63, 268.
73
[56] A. Arakaki, J. Webb,T. Matsunaga, J. Biol. Chem. 2003, 278, 8745. [57] Y. Liu, M. Gao, S. Dai, K. Peng, R. Jia, Mater. Sci. Eng. C 2006, 26, 597. [58] S. Fruhwirtová, diplomová práce. Přírodovědecká fakulta UP, 2007. [59] A. B. Bourlinos et al., Small. 2009, 5, 1841. [60] K. Kluchová, disertační práce. Přírodovědecká fakulta UP, 2009.
74
11. SEZNAM PUBLIKACÍ Publikace
[i] K. Safarova, M. Mashlan, R. Kubinek, J. Pechousek, Use of cold plasma for transformation of iron nanoparticles, Chem. lett.. 2008, 102, 1498.
[ii] K. Safarova, A. Dvorak, R. Kubinek, M. Vujtek, A. Rek: Usage of AFM, SEM and TEM for the research of carbon nanotubes. Modern Research and Educational Topics in Microscopy, FORMATEX Microscopy Books, A. Mendéz-Vilas and J. Díaz (eds.). Vol.2, 2007. 513-519. ISBN-13: 978-84-611-9420-9.
[iii] Kolektiv autorů, Vybrané problémy současné fyziky. UP Olomouc, 2007.
[iv] spoluautor publikací vyšlých v časopise Jemná mechanika a optika:
1. J. Pospíšil, K. Šafářová,
Podobnosti fotonových a elektronových vln
v mezoskopických vodičích, Jem. Mech. Opt. 2008, 53, 103. 2. J. Pospíšil, K. Šafářová: Kvantové pojetí konfigurace elektronů v mezoskopických polovodičích, Jem. Mech. Opt. 2008, 53, 172. 3. J. Pospíšil, K. Šafářová,
Příčné elektronové vlnové módy v elektricky vodivé
mezoskopické tenké vrstvě, Jem. Mech. Opt. 2009, 54, 14. 4. J. Pospíšil, K. Šafářová, Vlnová dynamika elektronů a fotonů v jednotném rámci jednočásticové nerelativistické Schrödingerovy rovnice, Jem. Mech. Opt. 2009, 54, 304.
75
