Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης. Atomic Force Microscopy AFM

Transcript

1

2 Εισαγωγή Αρχή Λειτουργίας /Ανατομία AFM Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Τρόποι Λειτουργίας του AFM Γεωμετρία ακίδας και Μορφολογία επιφάνειας Εφαρμογές

3 Οπτικό μικροσκόπιο ~ Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης Scanning Electron Microscopy (SEM) 1931 Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης Transmition Electron Microscopy (TEM) 1986 Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης Atomic Force Microscopy (AFM) 1981 Σαρωτική Μικροσκοπία Σήραγγας Scanning Tunneling Microscopy (STM)

4 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης Atomic Force Microscopy (AFM) Διακριτική Ικανότητα AFM Σαρωτική Μικροσκοπία Σήραγγας Scanning Tunneling Microscopy (STM) x Βασικό πλεονέκτημα: 3 διαστάσεις

5 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Αλληλεπίδραση μεταξύ ακίδας και επιφάνειας δείγματος

6 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Family of SPM STM scanning tunneling microscope AFM Atomic force microscope FFM (or LFM) (Lateral or Friction) force microscope SEFM Scanning electrostatic force microscope SFAM scanning force acoustic microscope AFAM atomic force acoustic microscope SMM scanning magnetic microscope MFM magnetic force microscope SNOM scanning near field optical microscope SThM scanning thermal microscope SEcM scanning electrochemical microscope SKpM scanning Kelvin Probe microscope SCPM scanning chemical potential microscope SICM scanning ion conductance microscope SCM scanning capacitance microscope

7 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Αλληλεπίδραση μεταξύ ακίδας και επιφάνειας δείγματος Σαρωτική Μικροσκοπία Σήραγγας Scanning Tunneling Microscope (STM) Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης Atomic Force Microscope (AFM)

8 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM 1981 Swiss scientists Gerd Binnig - Heinrich Rohrer Atomic resolution, simple 1986 Nobel prize

9 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Χρησιμοποιούνται για τη μελέτη επιφανειών και τη μελέτη των ιδιοτήτων του υλικού στην τάξη μεγέθους έως μερικά μικρά.

10 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM

11 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Αρχή Λειτουργίας Μέτρηση της κατακόρυφης θέση της ακίδας. Ράβδος: πιέζει την ακίδα να πατάει καλά στο υλικό. Υλικό προς μελέτη. Βραχίονας μαζί με την ακίδα. Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής: μετακινεί το υλικό κάτω από την μύτη της ακίδας. Οδηγεί το σαρωτή, καταγράφει τα δεδομένα και τα μετατρέπει σε εικόνα.

12 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Βασικές Αρχές STM AFM

13 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Βασικές Αρχές STM Ακίδα - επιφάνεια δείγματος και electron tunneling current.

14 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Βασικές Αρχές Tunneling current: εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ ακίδας και επιφάνειας. Ακίδα - επιφάνεια δείγματος και electron tunneling current. Ακίδα Επιφάνεια Source:

15 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Παράδειγμα

16 Μικροσκόπιο Σάρωσης με Ακίδα Scanning Prode Microscopy SPM Ανάγκες Ανάγκη για την κατασκευή ενός μικροσκοπίου το οποίο θα παρέχει ατομική ανάλυση και σε μη αγώγιμα δείγματα. Δονητικές παρεμβολές (Vibrational interference) Φυσικές (σκόνες και ρύποι από τον αέρα) Χημικές βρωμιές (χημική δραστικότητα) Source:

17

18

19 Βασικά Μέρη Laser Φωτοανιχνευτής Κάτοπτρο Εύκαμπτος βραχίονας (cantilever) Scanner with sample Ηλεκτρονικό κύκλωμα

20 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM λέιζερ καθρέπτης φωτοαισθητήρας πρόβολος ακίδα (A+B) (C+D) Σταθερή τιμή κατά τη σάρωση

21 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Ακίδα

22 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Ακίδα Μέσω της ακίδας ανιχνεύουμε την επιφάνεια του δείγματος. Μήκος βραχίονα: μm Πλάτος: μm Πάχος: μm Υλικό: Si ή Si3N4 Ο βραχίονας μπορεί να είναι είτε μονός είτε τριγωνικός.

23 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Ακίδα Οι ακίδες καθορίζουν την ανάλυση των εικόνων. Σε αντίθεση με την Οπτική Μικροσκοπία στην οποία η μέγιστη δυνατή ανάλυση περιορίζεται από τα φαινόμενα διάθλασης του φωτός, η ανάλυση του AFM καθορίζεται από τις δυνατότητες των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και της ακίδας.

24 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Oxide sharpening of silicon tips Ακίδα

25 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Carbon Nanotube Tips Ακίδα

26 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Ακίδα Carbon Nanotube Tips

27 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Assembled Cantilever Probe (ACP) Ακίδα

28 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Ακίδα A mechanically cut STM tip (left) and an electrochemically etched STM tip (right)

29 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Παράδειγμα σε κάποια βακτήρια Ακίδα Μεγάλη Ανάλυση (αιχμηρή μύτη) Μικρή Διάμετρος Ακίδας Βαθιά και στενή μορφολογία (μικρότερη επιφάνεια)

30 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Σαρωτής - Scanner Ο πιεζοηλεκτρικός σαρωτής είναι υπεύθυνος για την καταγραφή της επιφάνειας στους άξονες Χ και Υ. Πως γίνεται αυτό;

31 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Σαρωτής - Scanner Ο πιεζοηλεκτρικός σαρωτής μετακινεί την επιφάνεια προς μελέτη κάτω από την αιχμή της ακίδας. Μόλις η αιχμή της ακίδας βρει μια ανωμαλία στην επιφάνεια υπάρχει μια αλλαγή της δύναμης την οποία δέχεται ο πιεζοηλεκτρικός σαρωτής. Οι συντεταγμένες κατά τους άξονες x,y είναι γνωστές από τη θέση του σαρωτή. Μέσω του μηχανισμού ανατροφοδότησης μετρούνται αυτές οι δυνάμεις και μέσω του υπολογιστή δημιουργείται η εικόνα του αντικειμένου μελέτης

32 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Τυπική σάρωση Σαρωτής - Scanner Ο σαρωτής είναι φτιαγμένος από ζιρκόνιο και τιτάνιο. Φτιάχνονται πιέζοντας μαζί την σκόνη από τα υλικά και παίρνουμε το μίγμα (την συμπιεσμένη σκόνη). Το αποτέλεσμα είναι ένα πολυκρυσταλλικό σώμα. Καθένας από αυτούς τους κρυστάλλους είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο. Σ αυτούς βασίζεται και η τάση που παίρνουμε από την πίεση που ασκείται. 10 Α ~ 100 μικρά ή 64 ~ 512 points/line

33 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Σαρωτής - Scanner Γρήγορος άξονας: χ Αργός άξονας: y

34 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Laser & Φωτοδίοδος Έτσι μέχρι τώρα καταφέραμε να σκιαγραφήσουμε τις κάθετες μόνο ανωμαλίες της επιφάνειας μας. Δηλαδή, μόνο κατά τον άξονα z. Ζ Πως παίρνουμε τρισδιάστατη εικόνα; Χ

35 Αρχές Λειτουργίας Ανατομία AFM Laser & Φωτοδίοδος Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ της επιφάνειας και της ακίδας προκαλούν στη βάση της ακίδας μια καμπή ή μια απόκλιση. Αυτές οι αποκλίσεις ή οι κάμψεις της βάσης της ακίδας με τη χρήση ενός απλού laser μπορούν να μετρηθούν από έναν ανιχνευτή (φωτοδίοδο στην συγκεκριμένη περίπτωση).

36 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Μέγεθος ακίδας

37 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Τρόπος Λειτουργίας Τρόπος Λειτουργίας με επαφή Contact mode Παλλόμενος Τρόπος Λειτουργίας Tapping mode Τρόπος Λειτουργίας χωρίς επαφή Non Contact mode Μικροσκοπία Πλευρικών Δυνάμεων Lateral Force Microscopy

38 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Τρόπος Λειτουργίας Τρόπος Λειτουργίας με επαφή Contact mode Η ακίδα έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια κατά την διάρκεια της σάρωσης. Τρόπος Λειτουργίας χωρίς επαφή Non Contact mode Η ακίδα ταλαντεύεται επάνω στην επιφάνεια χωρίς να την αγγίζει.

39 AFM (CONTACT MODE) ΣΥΝΕΧΗ ΕΠΑΦΗ ΑΚΙΔΑΣ-ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ Λιγότερη ζωή για την ακίδα και το δείγμα. ΛΕΠΤΟ ΣΤΡΩΜΑ ΝΕΡΟΥ ΛΟΓΩ ΥΓΡΑΣΙΑΣ Ελκτικές δυνάμεις (τριχοειδείς δυνάμεις). ΟΤΑΝ ΠΛΗΣΙΑΖΕΙ ΣΕ ΑΠΟΣΤΑΣΕΙΣ Å Σε αυτό το εύρος υπερισχύουν οι απωστικές δυνάμεις. Δυνάμεις μικρής εμβέλειας (ισχυρές δυνάμεις).

40 AFM (NONCONTACT MODE) Η ΑΚΙΔΑ ΔΕΝ ΕΡΧΕΤΑΙ ΣΕ ΕΠΑΦΗ ΜΕ ΤΟ ΔΕΙΓΜΑ Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής ακίδας και δείγματος. ΜΕΤΡΑΜΕ ΣΕ ΑΠΟΣΤΑΣΕΙΣ nm Δυνάμεις μεγάλης εμβέλειας. Σε αυτό το εύρος υπερισχύουν οι ελκτικές δυνάμεις. ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΒΟΛΟΥ-ΑΚΙΔΑΣ ΕΚΤΕΛΕΙ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ Σταθερή συχνότητα.

41 AFM (SEMICONTACT MODE) ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΡΟΒΟΛΟΥ-ΑΚΙΔΑΣ ΕΚΤΕΛΕΙ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ Σταθερή συχνότητα. ΒΑΘΟΥΛΩΜΑ Αυξάνεται το πλάτος ταλάντωσης. Αντιδρά όπως τη μέθοδο επαφής. ΥΨΩΜΑ Μειώνεται το πλάτος ταλάντωσης. Αντιδρά όπως τη μέθοδο χωρίς επαφή.

42 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΠΑΦΗΣ ΗΜΙΕΠΑΦΗΣ ΧΩΡΙΣ ΕΠΑΦΗ ΤΑΧΥΤΗΤΑ Χ Χ Χ ΑΝΤΟΧΗ Χ Χ Χ ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ Χ Χ Χ ΑΥΞΑΝΕΤΑΙ ΠΡΟΣ : Χ Χ Χ

43 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Τρόποι Λειτουργίας & Είδη Δυνάμεων Μετρούνται δυνάμεις ανάμεσα στην ακίδα και στην προς εξέταση επιφάνεια μέσω της μετατόπισης της ακίδας Van der Waals Ηλεκτροστατικές Μαγνητικές Από επαφή

44 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Τρόπος Λειτουργίας

45 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Γεωμετρία Ακίδας και μορφολογία επιφάνειας

46 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια Γεωμετρία Ακίδας και μορφολογία επιφάνειας When the tip of the STM probe is sufficiently close to the surface of the specimen (~ 1nm) a tunneling current can become established

49

50

51

52 Αλληλεπιδράσεις με την επιφάνεια

53

54 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 1.Νανοδιατάξεις 2.Πολυμερή υλικά 3.Εύρεση Ελαττωμάτων σε υλικά 4.Μεταλλουργία 5.Αναλύσεις σε οπτικό δίσκο DVD 6.Ανάλυση μεμβρανών 7.Βιοιατρική κ.α.

55 Εφαρμογές

57 Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) Δείγμα γραφενίου SAMPLE graphite molybdenum sulfide boron nitride gold sodium chloride (001) lithium flouride (1014) cleavage plane of a calcite (CaCO 3) crystal REFEREN CE Binnig, et al., Europhys. Lett. 3, 1281 (1987) Albrecht, et al., J. V ac. Sci. Tech. A (1988) Manne, et al., A ppl. Phys. Lett (1990) Meyer, et al., A ppl. Phys. Lett (1990) Meyer, et al., Z. Phys.B (1990) Ohnesorge, et al., Science (1993)

58 Εφαρμογές Νανοδιατάξεις Carbon Nanotubes GaAs Πολυμερή υλικά

59 Εφαρμογές Εύρεση Ελαττωμάτων σε υλικά Αναλύσεις σε οπτικό δίσκο DVD AFM σαν εργαλείο μετρολογίας Ουσιαστικά στην βιομηχανία. Αναλύσεις σε επιφάνειες οπτικών δίσκων.

60 Εφαρμογές Μεταλλουργία Στις βιομηχανίες γίνεται χρήση AFM με σκοπό την ανίχνευση καλής ποιότητας των υλικών, αναλύοντας τα χαρακτηριστικά τους. Με τη μελέτη της επιφάνειας των υλικών βρίσκεται η αντοχή τους και η αντίδρασή τους υπό διαφόρους εξωτερικούς παράγοντες όπως θερμοκρασία κτλ. Πλεονεκτήματα Μεγάλη ανάλυση Τρεις διαστάσεις Εύκολο στην χρήση

61 Εφαρμογές Ανάλυση μεμβρανών

62 Εφαρμογές Βιοιατρική Μελετούνται σε βάθος βακτήρια, κύτταρα, πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, ιοί και DNA Βρίσκονται ανωμαλίες στη μορφολογία τους Τρισδιάστατη απεικόνιση

64 SO WHAT DO WE SEE? Nickel from an STM Sources: ZnO from an AFM

65 AND WHAT WE CAN DO? Using STMs and AFMs in Nanoscience Allows atom by atom (or clumps of atoms by clumps of atoms) manipulation as shown by the images below. Xenon atoms Source: Carbon monoxide molecules

66 The first demonstration of manipulating atoms was performed by Eigler and Schweizer (1990), who used Xe atoms on a Ni(110) surface to write the three letters IBM (their employer) on the atomic scale.

67 Πλεονεκτήματα Τρισδιάστατη «φωτογραφία» Πολύ μεγάλη ανάλυση Μπορούμε να μελετήσουμε υλικά που δεν είναι αγώγιμα Το προς μελέτη υλικό δε χρειάζεται ειδική προεργασία (π.χ. τοποθέτηση μεταλλικού μανδύα που μπορεί να καταστρέψει το δείγμα) Λειτουργεί και σε υδάτινο περιβάλλον (βιολογικά μακρομόρια ζωντανοί οργανισμοί)

68 Μειονεκτήματα Μέγεθος εικόνας (mm x mm) Η ανάλυση της φωτογραφίας εξαρτάται από την ακτίνα της ακίδας Μικρή ταχύτητα σάρωσης (αρκετά λεπτά) Χρειάζεται απομόνωση από εξωτερικές δονήσεις Χρειάζεται ειδική προετοιμασία για υλικά που μπορεί να παραμορφωθούν από το μικροσκόπιο λόγω της δύναμης που εμφανίζεται. Δεν υπάρχει γενική μέθοδος αλλά κάθε υλικό θέλει ξεχωριστή μελέτη.

69 Χρήση AFM για τη δημιουργία νανοδομών

70 Χρήση AFM για τη δημιουργία νανοδομών DIP-PEN «Πένα» σε νανοκλίμακα. Εναπόθεση μελανιού (π.χ. μόρια, πολυμερή) πάνω σε υπόστρωμα. Αργή διαδικασία γραφή με πολλαπλές ακίδες (multi-pen writing).

72 Χρήση AFM για τη δημιουργία νανοδομών Ηλεκτροχημική Εφαρμογή τάσης μεταξύ υποστρώματος και ακίδας. Μέσω χημικών αντιδράσεων αλλάζει η σύσταση του υποστρώματος.

73 Χρήση AFM για τη δημιουργία νανοδομών Θερμική Χρήση θερμαινόμενης ακίδας. Δημιουργία οδοντωτής επιφάνειας.

74 Χρήση AFM για τη δημιουργία νανοδομών NANOSHAVING Το AFM βρίσκεται σε contact mode Η ακίδα ασκεί μεγάλη πίεση στο υπόστρωμα Μετατοπίζεται υλικό από την επιφάνεια

75 Χρήση AFM για τη δημιουργία νανοδομών NANOCRAFTING Παρόμοια τεχνική με το nanoshaving Η ακίδα είναι εμβαπτισμένη σε διάλυμα Παράλληλα με το nanoshaving, εναποτίθεται το καινούργιο υλικό στην επιφάνεια