Okular cilindar koji u sebi ima dvije ili više leća kako bi slika bila u fokusu. Okulari se mogu mijenjati ovisno o povećanju (2x, 5x i 10x).

Transcript

1 3. Kako "vidjeti" nanostrukture Nužan preduvjet za razvoj nanotehnologije bila je pojava novih moćnih mikroskopa koji su omogućili promatranje i manipuliranje predmetima na udaljenosti od 1 nm. Kad govorimo o snazi nekog mikroskopa najčešće govorimo o povećanju, no puno važnije od povećanja je rezolucija (najmanja udaljenost na kojoj možemo razlučiti dvije razdvojene točke). Po tzv. Reyleighovu kriteriju mogu se razlučiti dva elementa minimalno udaljena za 0.61 d gdje je λ valna duljina svjetlosti, n indeks loma sredstva u kojem se promatra (npr. nsin zrak), a ϑ polovica vršnoga kuta stošca kojemu je vrh u točkastom promatranom predmetu, a baza mu je površina leće objektiva. Nazivnik izraza naziva se numerička apertura: A = n sin ϑ. Moć razlučivanja zdravog ljudskog oka je oko četvrtine milimetra (250 µm) što znači da ćemo teško razlučiti više od 4 paralelne linije povučene unutar jednog milimetra. U 16. stoljeću razvijeni su prvi optički mikroskopi. Današnji optički mikroskopi su znatno napredniji i mogu postići povećanje do 3000 x, a moć razlučivanja mikroskopa koji koristi vidljivi dio spektra je 0,2 µm. Kod mikroskopa koji koriste ultraljubičasti dio spektra mogu se razlučiti strukture koje su međusobno udaljene i do 0,1 µm Optički mikroskop Dijelovi optičkog mikroskopa: Sl 3.1. Optički mikroskop Okular cilindar koji u sebi ima dvije ili više leća kako bi slika bila u fokusu. Okulari se mogu mijenjati ovisno o povećanju (2x, 5x i 10x). Objektiv cilindar koji sadrži jednu ili više leća kako bi sakupio svjetlost sa uzorka. Na donjoj strani tubusa nalazi se jedan ili više objektiva spojenih u cirkularni dio koji se može okretati pa se objektiv može mijenjati ovisno o potrebnom povećanju. Uobičajena su povećanja 4x, 5x, 10x, 20x, 40x, 80x i 100x. Stolić nalazi se ispod objektiva, na njemu je uzorak koji gledamo. U sredini stolića je otvor kroz koji svjetlost iz izvora prolazi prema uzorku. 1

2 3.2. Elektronski mikroskop Razvojem kvantne fizike početkom 20. stoljeća stvoren je temelj za razvoj elektronskih mikroskopa koji umjesto vidljive svjetlosti koriste snop elektrona. Valna duljina elektrona ubrzanog naponom od 100 kv iznosi 0,0037 nm i puno je manja od valne duljine vidljive svjetlosti koja iznosi nekoliko stotina nanometara (elektron se giba velikom brzinom pa treba koristiti relativističke relacije) godine H. Bosch je pokazao da električno i magnetsko polje djeluju na elektrone slično kao što staklene leće djeluju na svjetlost. E. Ruska je godine konstruirao prvi elektronski mikroskop (tzv. transmisijski elektronski mikroskop). Za svoj rad dobio je Nobelovu nagradu za fiziku godine. Prvi transmisijski elektronski mikroskop imao je mogućnost povećanja od samo 17 puta. Današnji elektronski mikroskopi postižu moć razlučivanja od 0,1 nm i povećanje od čak 10 6 puta. Ovi su instrumenti omogućili da zavirimo u svijet unutar stanica živih bića, upoznamo građu bakterija i virusa, pa čak i da vidimo molekulu DNK. Razlikujemo dvije vrste elektronskih mikroskopa - transmisijski elektronski mikroskop (Transmission electron microscope - TEM) i pretražni elektronski mikroskop (SEM Scanning electron microscope). Umjesto izvora svjetlosti u elektronskom mikroskopu postoji izvor elektrona, a umjesto staklenih leća koriste se tzv. elektronske leće. Elektronska leća može djelovati na snop elektrona pomoću električnog polja pa se takva leća naziva elektrostatska leća, ili pomoću magnetskog polja te je u tom slučaju zovemo magnetskom lećom. Kod elektrostatskih leća električno polje stvara nabijeni prstenasti kondenzator, dok kod magnetskih leća magnetsko polje stvara zavojnica kojom teče struja Transmisijski elektronski mikroskop - TEM Sl Usporedba optičkog mikroskopa i TEM-a 2

3 TEM je po građi sličan optičkom mikroskopu. Kao izvor elektrona elektronski top. Njega čini katoda, obično volframova nit, koja zagrijavanjem emitira elektrone. Termionska emisija je dana Richardsonov zakonom:. Sl Geometrija i shema termionskog triodnog elektronskog topa. a) Elektroni su emitirani s malog dijela površine zagrijane volframove niti (F) i ubrzavaju se prema anodi (A). Polje stvoreno između niti i anode, modificirano Wehneltovim cilindrom (W) koji služi kao rešetka, fokusira elektrone u točku V, b) Nit se grije prolazom struje iz izvora napona (P), a napon na rešetki je određen pasivnim otporom R b. Razlika potencijala između katode i anode iznosi između i 10 5 V. Elektronske leće imaju ulogu kao leće kod optičkog mikroskopa. Svi dijelovi mikroskopa kroz koje prolazi snop elektrona nalaze se u vrlo visokom vakuumu, jer bi čestice zraka mogle zaustaviti ili usporiti kretanje elektrona. Kako nastaje slika u transmisijskom elektronskom mikroskopu? Pri izlaganju uzorka snopu elektrona nastaju dvije osnovne pojave koje su važne za nastanak slike: 1. elektroni prolaze kroz uzorak (zbog toga uzorak mora biti vrlo tanak) to su neraspršeni elektroni koji čine elektronsku sliku uzorka (ona se povećava sustavom elektronskih leća). Elektronska slika se naziva mikrografija. 2. Raspršenje elektrona u različitim smjerovima. Dijelovi uzorka koji su deblji ili veće gustoće općenito će raspršiti više elektrona nego tanji uzorci ili uzorci manje gustoće. Ova pojava raspršenja snopa elektrona na uzorku omogućava stvaranje kontrasta na mikrografiji. Konačna slika nastaje na flourescentnom zaslonu, a njezini tamni dijelovi odgovaraju debljim i gušćim područjima uzorka. Današnja se granica razlučivanja najsnažnijih transmisijskih elektronskih mikroskopa približava iznosu od 0,1 nm uz povećanje slike od 1, puta. 3

4 Sl TEM Priprema uzoraka za TEM: Zbog niske prodorne snage elektrona, uzorci koji se pripremaju za elektronsko mikroskopiranje moraju biti izuzetno tanki. TEM se koristi za promatranje uzoraka koji su propusni za elektrone, pa zato debljina uzoraka rijetko može biti veća od 1 μm. Za rezanje uzoraka upotrebaljava se instrument koji se naziva ultramikrotom. Ultramikrotom ima dijamantni nož kojim se mogu rezati uzorci debljine do 20 nm. Uzorci se mogu i lomiti zamrzavanjem - uzorci se podvrgavju naglom zamrzavanju obično u tekućem dušiku i udaraju oštrim nožem. Za promatranje debljih uzoraka potreban je veći napon kako bi se povećala prodorna snaga elektrona. Uzorci moraju biti suhi (važno za biološke uzorke) jer bi voda iz uzorka u vakuumu isparila i ometala elektronski snop. Prednosti TEM-a: 4 Sl. 3.4 Krpelj snimljen s TEM-om (krpelj je preživio snimanje) -veliko povećanje -velika mogućnost primjene -jednostavan za upotrebu Nedostaci TEM-a: -veliki i skupi -potrebne su detaljne pripreme uzorka -mogućnost pojave artefakata uslijed pripreme uzorka

5 -ograničenje na uzorke koji su transparentni za elektrone, stabilne u vakuumu -mikrografije su crno-bijele Pretražni mikroskop s tuneliranjem (STM - Scanning Tunneling Microscope) Gerd Binning i Heine Rohrer (IBM, Švicarska, 1979.)su prvi inapravili STM i dobili Nobelovu nagradu za fiziku Sl STM Sl Princip rada STM-a Slika 3.5. pokazuje princip rada STM-a: metalni šiljak (tip) utaknut je u cijev s četiri piezoelektrične elektrode koje pod utjecajem upravljačkih napona svojim istezanjem i stezanjem omogućavaju vrlo fino pomicanje (u koracima ispod 0.1 nm) šiljka u x, y i z smjeru. Kada se šiljak postavi iznad neke metalne površine (sample) na udaljenosti od nekoliko desetinki nm može doći do toka elektrona (električne struje) između šiljka i površine (šiljak i metal se međusobno povežu preko izvora napona). Ako se šiljak nalazi točno iznad nekog atoma teći će nešto jača struja nego ako se nalazi na istoj visini ali između dva atoma. Pomicanjem šiljka 5

6 po površini možemo oslikati površinu tako da svakoj točci površine pridružimo vrijednost očitane struje. Ako tu ovisnost prikažemo na zaslonu računala vidjet ćemo realnu sliku raspodjele gustoće elektrona na površini. Vrlo često se maksimumi elektronske gustoće mogu neposredno povezati s položajima atoma na površini pa kažemo da imamo atomsko razlučivanje. STM mjeri struju tuneliranja: ev 4 e I r E r E ev T E ev r de Struja tuneliranja: s, t,,, DOS- gustoća energijskih stanja elektrona. 0 di s, dv Za male napone vrijedi: r, E DOS ev Sl Slika 3.6. pokazuje STM sliku (110) površine platine koja je karakterizirana kanalima među redovima atoma. Svijetle točke su atomi platine. Atomi platine koji su namjerno dodani na površinu smjestili su se u kanale u obliku monomera, dimera i trimera. Upotrebom STM-a kod vrlo niskih temperatura moguće je manipulirati pojedinačnim atomima, postavljati ih na unaprijed određena mjesta na površini i slagati potpuno nove structure. Slika 3.7. pokazuje takav primjer. Eksperiment je izveden na temperaturi tekućeg helija od 4 K. Na (111) površinu bakra koja je gusto slagana i vrlo glatka dodana je mala količina atoma kobalta. Šiljkom STM-a atomi kobalta su pojedinačno pokupljeni i potom premješteni na željeno mjesto. Sl Kvantni koral 6

7 Atom-po-atom izgrađena je elipsa od 35 atoma kobalta. Dodatno je u jedan fokus elipse stavljen atom kobalta. Rubni atomi kobalta vide se kao šiljci, a valovi unutar elipse su stojni valovi površinskih elektrona bakra. Oni su posljedica kvantizacije stanja površinskih elektrona koji se nalaze unutar ove dvodimenzionalne potencijalne jame. Dakle, ovdje vidimo sliku STM-a u atomskoj rezoluciji ali istovremeno i kolektivnu oscilaciju elektronske gustoće naboja u obliku stojnih valova. U ovim primjerima vidimo kako se STM može upotrijebiti za ispitivanje i izradu nanostruktura i to s razlučivanjem ispod jednog atoma. Sl Logo IBM napravljen pomoću STM-a (35 atoma ksenona na podlozi od nikla) Pretražni elektronski mikroskop (SEM - Scanning Electron Microscop) Da bismo razumjeli način rada SEM-a važno poznavati koje su moguće interakcije između elektronskog snopa i uzorka. Elektroni koji dolaze iz izvora (tzv. primarni elektroni) ulaze u uzorak i na razne načine interreagiraju s atomima uzorka. Ubrzani elektroni mogu proći kroz uzorak bez interakcije ili mogu biti elastično ili neelastično raspršeni. Moguće interakcije su: Sl Interakcije između elektrona i uzorka 1. Emisija sekundarnih elektrona, kod koje primarni elektroni više energije izbacuju iz tvari njezine elektrone. Sekundarni elektroni su niskih energija (manje od 50 ev) tako da samo oni stvoreni nekoliko nanometara ispod površine uzorka mogu izaći i biti detektirani. 7

8 2. Upadni elektroni se vraćaju raspršeni prema natrag (''backscattered electrons'') 3. Ako je primarni elektron iz atoma uzorka izbacio elektron tada u atomu ostaje šupljina. Ukoliko je šupljina u vanjskoj ljusci atoma, elektron iz višeg energijskog stanja će popuniti šupljinu uz emisiju elektromagnetsog zračenja u vidljivom dijelu spektra. Ovaj efekt je poznat pod nazivom katodoluminescencija. Ukoliko je šupljina u nekoj od unutrašnjih ljuski atoma moguća su dva procesa. Elektron iz višeg energijskog stanja može popuniti šupljinu uz emisiju karakterističnog x-zračenja (Röntgensko zračenje). Tako stvoreni visoko energijski foton (x-zračenje) može imati dovoljno energije da izbaci sekundarni elektron, t.z. Augerov elektron iz višeg kvantnog stanja atoma uzorka.. Slika 3.9. Dva načina na koja se pobuđeni atom može relaksirati. U oba slučaja elektron iz K ljuske biva izbačen a) karakteristično x-zračenje, b) Augerov elektron Prvi SEM uređaji napravljeni su između i 1942.g., a komercijalno ih je prvi počeo proizvoditi g. ''Cambridge Scientific''. Ovisno o namjeni, rade pod vakuumom od 10-2 do 10-8 Pa. Pomoću sustava elektromagnetskih leća elektroni se usmjeravaju prema površini uzorka, a razlučivanje i dubina prodiranja (od nekoliko nm do nekoliko µm) ovise o naponu, materijalu uzorka i veličini spota (presjek snopa na mjestu dodira s uzorkom). Tipični promjer fokusirajućeg elektronskog snopa je promjera 5 nm i struja snopa oko A. Kod ovog mikroskopa snop elektrona se pomiče (pretražuje, skenira) po uzorku. Pri tome može doći do raspršivanja elektrona na uzorku ili stvaranja tzv. sekundarnih elektrona. Ovi raspršeni i sekundarni elektroni se zatim sakupljaju i detektiraju pomoću posebnog elektroničkog uređaja. Pri tome svakom pretraženom dijelu uzorka odgovara jedna točka na ekranu; što veći broj elektrona uređaj detektira, točka je svijetlija. Kako snop elektrona prelazi preko uzorka, na ekranu se stvara slika predmeta sastavljena od mnoštva točaka. Pretražni elektronski mikroskopi koriste se za istraživanje površina, oni stvaraju detaljnu i realističnu trodimenzionalnu sliku površine predmeta koji promatramo. Sl SEM 8

9 Osim sekundarnih elektrona i drugi oblici emisije sa uzorka (X zrake, katodoluminescencija, Augerov elektroni) mogu se detektirati i analizirati. Priprema uzoraka za SEM: -Sušenje na poseban način da uzorak ne bi promijenio oblik (npr. u tekućem CO 2 ) -Sušenje - smrzavanje lomljenje za analizu unutrašnjih struktura, naročito membrana. -Prevlačenje slojem metala uzorak mora voditi struju. Uzorak se prevlači atomima zlata (platine) u sloju debljine 2nm. Prednosti SEM-a: Sl Mrav (SEM) - visoka rezolucija -dubina polja - sposobnost da predmeti različite "visine" na uzorkovnoj površini ostanu u fokusu; - Mikroanaliza - sposobnost da se analizira sastav uzorka - Jednostavan je za upotrebu sa "user-frendly" interface-om - Većina primjena zahtijeva minimalnu pripremu uzorka - Generira podatke u digitalnom obliku Nedostaci SEM-a su: - Uzorci moraju biti čvrsti i moraju stati u mikroskopsku komoru; - Uzorak mora biti stabilan u vakuumu. Tekući uzorci i materijali koji sadrže vodu ne mogu se ispitivati u konvencionalnom SEM-u. Za to se koriste specijalizirani SEM-ovi. Praškasti uzorci moraju se fiksirati na supstrat držača tako da ne zagade SEM komoru; -Materijali koji nisu vodljivi moraju se staviti na vodljivi uzorak i prevući tankim vodljivim filmom kao npr. Au, Pt, Pd...; - EDS detektori na SEM-u ne mogu detektirati lake elemente (H, He i Li); - Potrebna je posebna edukacija za upravljanje SEM-om; - SEM se mora postaviti u prostoriju u kojoj je nema električnog i magnetskog djelovanja, te utjecaja vibracija; - postoji mali rizik od izlaganja zračenju - SEM je vrlo skup. 9

10 FESEM: Field emmission Scanning Electron Microscop FESEM je SEM ali umjesto klasične katode emisija elektrona se postiže pomoću jakih polja (FE-''field emission''). Za polje iznad Vm -1 struja nastala emisijom polja je veća od struje nastale termionskom emisijom. Vakuum kod emisije poljem mora biti manji od 10-7 Pa Mikroskop atomskih sila (AFM-Atomic-force microscopy) AFM je osmišljen 1986.g. (G.K. Binning, Quate i Gerber) i komercijaliziran 1989.g. (''Digital Instruments''). AFM mjeri interakcije atomskih sila na maloj udaljenosti (0.1 do 10 nm) između šiljaka senzora mikroskopa i površine uzorka. Interakcija između dva atoma dana je Lennard Jonnesovim potencijalom (interakcija među atomima probe i površine): Sl Lennard Jonnesov potencijal Uzorak se nalazi na nosaču kojemu je omogućeno gibanje u sva tri smjera. Vodljiva poluga na kojoj je šiljak giba se preko uzorka. Materijal od kojeg se izrađuje šiljak može biti: silicij, silicijev nitrid, dijamant ili nanocjevčica. Pomak poluge je proporcionalan sili koja djeluje između šiljka i uzorka, a veličina sile ovisi o konstanti elastičnosti poluge i njene udaljenosti od površine. 10

11 Sl AFM Moguća su tri načina rada: a) Kontaktni: šiljak prati neravnine i mjeri se promjena udaljenosti (razmak između šiljka i pojedinih neravnina na uzorku (udaljenost sonde od površine < 0,5 nm), mjere se sile u intervalu ( ) N (sonda najjače osjeća odbojnu Van der Wallsovu silu). b) Nekontaktni (udaljenost sonde od površine 0,5 2 nm) Pomoću piezoelektričnog kristala šiljak se održava na konstantnoj udaljenosti od površine. Potreban napon koji treba biti na piezoelektričnom kristalu daje kao rezultat topografiju površine (u nekontaktnom režimu mjere se privlačne Van der Waalsove sile). c) Vibrirajući način mjerenja šiljak titra, na amplitudu titranja utječu sile između šiljka i površine Sl Razlike među tri osnovna načina topografskog rada AFM-a. Kontaktni mod se koristi za hrapave površine, dok se nekontaktni i vibrirajući koriste za osjetljive i elastične površine Sl AFM 11

12 Prednosti AFM-a: -ne treba prethodna priprema uzorka; može raditi u vakuumu, zraku ili tekućinama; primjenljiv je gotovo na sve materijale (važno za proučavanje bioloških makromolekula); mogu se mjeriti inter- i intra molekularne sile, sile adhezije, elastičnost uzorka te tvrdoća površine Nedostatci: -snimanje ograničeno na površine uzoraka -skeniranje male površine 150x150 μm i visine μm -interakcija proba-površina može oštetiti površinu -šiljak se može oštetiti 12