Mikroskopie, která umožnila vidět Feynmanův svět Věra Mansfeldová
[email protected] Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v. v. i.
Richard P. Feynman 1918-1988 1965 - Nobelova cena za fyziku - matematické modely chování interagujících elementárních částic 1959 - přednáška ,,Tam dole je spousta místa‘‘ - Výrok ,,Proč bychom nemohli zapsat na špendlíkovou hlavičku 24 dílů Encyklopedie Britaniky?‘‘ - vyhlášení odměny 1000 dolarů za jednu stránku textu běžné knihy zmenšené 1:25 000 a bude čitelná elektronovým mikroskopem Zdroj: Google
Tom Newman - student doktorského studia Stanfordské univerzity
2009 - studenti ze Stanfordské univerzity napsali text o velikosti písma, které bylo ještě 40x menší než v textu z roku 1986
Zdroj: Google
O čem to ten Feynman mluvil? Grafit Fuleren Nanotrubice Grafen
1985 1991
2004 Zdroj: Google
– mechanický přenos záznamu z drážky gramofonové desky na velkou ozvučnou membránu reproduktoru
detail gramofonové desky Zdroj: Google
Emile Berliner 1851-1929
G. Schmalz 1929 – raménko s ostrým hrotem a definovaným přítlakem se pohybuje po povrchu vzorku a zaznamenává se změna v z-tové ose
vertikální rozlišení 1 nm horizontální rozlišení 100 nm hrot s poloměrem 5 až 25 um Taylor and Hobson –1941 Talysurf Zdroj: Google
přítlak 500mN
-v roce 1981 H. Binnig a H. Rohrer ( z firmy IBM ve Švýcarsku) představili metodu tunelové mikroskopie (STM) -v roce 1986 jim byla za tuto techniku udělena Nobelova cena za fyziku -položily základy jedné z nejrychleji se rozvíjejících technik => MIKROSKOPIE RASTROVACÍ SONDOU z 35 atomů xenonu vertikální rozlišení 0.1 nm horizontální rozlišení 0.01 nm hrot ideálně 1 atom Pt přítlak volitelný Gerd Binnig
Heinrich Rohrer
Zdroj: Google/www.nobelprize.org
OPT: optická mikroskopie
SNOM: mikroskopie blízkého pole
SEM: elektronová rastrovací mikroskopie
(HR)TEM: transmisní elektronová mikroskopie
AFM: mikroskopie atomárních sil
STM: tunelová mikroskopie
Zdroj: archiv Pavel Janda
- ostrý hrot přejíždí po povrchu vzorku -zaznamenává se výška hrotu nebo průhyb nosníku -v počítači se složí výsledný obraz
hrot vzorek piezo
motor
Zdroj: archiv Pavel Janda
Zdroj: archiv Věra Mansfeldová
Zdroj: archiv Věra Mansfeldová
- mikroskopie používána od roku 1981 -tunelový jev známý o 50 let dříve -hrot je z platiny-iridiového drátu -pro vodivé a polovodivé materiály
Zdroj: archiv Pavel Janda
Klasická fyzika
mezi kovy (hrot a vzorek) se vytvoří energetická bariéra, kterou elektrony nemohou překonat
X
Kvantová fyzika
průchod elektronů není nulový, ale znatelných hodnot nabývá teprve pro velmi úzké bariéry
Zdroj: http://www.fkp.uni-erlangen.de/methoden/stmtutor/stmpage.html
Konstantní proudový režim
měří se výška odpovídající konstantnímu proudu elektronika zpětné vazby nastavuje výšku hrotu změnou napětí do piezoelektrického ovládacího mechanismu pomalejší odezvy proud závislý na vzdálenosti, ale i na vodivosti
X
Konstantní výškový režim udržuje se konstantní napětí i výška mění se proud, aby se zabránilo změnám napětí obrázek je zobrazením změn proudu pro velmi hladké vzorky
vodivé a polovodivé vzorky ale i
molekulární struktura monovrstev uspořádání molekul v závislosti na funkčních skupinách molekul příprava citlivějších senzorů
Uspořádání 1-bromhexanu na grafitu
Zdroj: Florio 2008 J. Phys. Chem. C
Uspořádání ftalocyaninů na grafitu v závislosti na vodíkových vazbách
Zdroj: Lei 2001 J. Phys. Chem. B
Nanotrubice
Zdroj: NT MDT/Google
1986 - Binnig s kolegy navrhl metodu spojující tunelovou mikroskopii a profilometrii =>MIKROSKOPII ATOMÁRNÍCH SIL
měří se silové interakce mezi sondou a vzorkem
Jaké interakce to jsou? Zdroj: Google
krátkého dosahu meziatomární síly odpudivé středního dosahu meziatomární/molekulární síly přitažlivé (van der Waals), kapilární síly dlouhého dosahu magnetické, elektrostatické síly
Zdroj: Veeco
Zdroj: Google/archiv Pavel Janda
- hrot je vtlačován do vzorku
Hookův zákon síla vyvinutá na hrot pružiny je úměrná prohnutí nosníku
F = kz k = pružinová konstanta [N*m-1]
Zdroj: NT MDT
Kontaktní -
dosahuje až atomárního rozlišení možnost poškození vzorku působí odpudivé síly konstantní výškou a konstantní silou údaje o povrchu ze změn napětí
Orientované molekuly PTFE
Bakterie E. Coli na polymerním filmu
Zdroj: archiv Pavel Janda
Zdroj: archiv Pavel Janda
Virus tabákové mozaiky Zdroj: Veeco
vhodné i na měkčí vzorky
nižší rozlišení, pomalejší snímání
působí přitažlivé síly
hrot kmitá s frekvencí blízko rezonance s amplitudou menší než 10 nm
zaznamenává se změna amplitudy vlivem sil dalekého rozsahu
Zdroj: NT MDT
vhodné i na měkčí vzorky
nižší rozlišení
hrot kmitá s frekvencí blízko rezonance s amplitudou v rozmezí 20 až 100 nm
zaznamenává se změna amplitudy vlivem sil dalekého rozsahu
Zdroj: NT MDT
Zdroj: Veeco
Kyselina pikrová na slídě Zdroj: archiv Pavel Janda
2 mikrometry Zdroj: www.nanosurf.com
250 nanometrů
Velmi ostrý hrot ideálně jeden atom atomární struktura hrotu udává
horizontální rozlišení
Dobrý základ Atomárně hladký substrát grafit, slída, zlato
Izolace od vnějších vibrací vibrace budovy 15-20 Hz běžící člověk 2-4 Hz
Zdroj: archiv Věra Mansfeldová/Google
podložní sklo HOPG-grafit
zlato
slída
Zdroj: archiv Pavel Janda
Tunelová mikroskopie-STM
Mikroskopie atomárních sil -AFM
Platinový-Iridiový drát
Si3N4 silikon nitrid
Výroba: Kleštěmi Elektrochemickým leptáním
Výroba: Leptáním matrice Zdroj: archiv Pavel Janda
VŠE Co to naučíte
Magnetooptický disk
Magnetotaktická bakterie
Stopa mgt. záznamu HD
Zdroj: Veeco/DI
Zobrazení povrchu DVD Zdroj: Yasuko Ichikawa, Tokyo Corporation, Japan
Zdroj: NT MDT
DNA v kapalném prostředí
Zdroj: Z. Pientka
DNA v kapalném prostředí
Zdroj: Z. Pientka/V. Mansfeldova
Zdroj: archiv Pavel Janda/NT MDT
Tvrdost povrchu
Zdroj: Z. Pientka
Leptání difrakčních mřížek
Zdroj: archiv Pavel Janda
Zdroj: archiv P. Janda
zobrazení povrchu ve vysokém rozlišení až na atomární úrovni
jednoduchá příprava vzorku
vzorek lze opracovávat
lze pracovat i v kapalném prostředí
vzorek musí být fixován
pomalejší zobrazení
možné poškození vzorku
artefakty dané tvarem hrotu
nevíte, co je uvnitř
Skutečný povrch Zdroj: Google
Výsledek z mikroskopu
Laboratoř mikroskopie rastrovací sondou
Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v. v. i.
Mgr. Věra Mansfeldová
[email protected] www.jh-inst.cas.cz/~janda
Foto: archiv Věra Mansfeldová
Foto: archiv Věra Mansfeldová
Postup výroby na: http://iopscience.iop.org/0031-9120/43/1/002
