Skenuojančio zondo mikroskopai

Transcript

1 Skenuojančio zondo mikroskopai

2 SZM Istorija Skenuojantis tunelinis mikroskopas (STM) 1982 m. (Binnig, Rohrer, Gerber ir Weibel iš IBM) (Binnig ir Rohrer fizikos Nobelio premija, 1986). Atominės jėgos mikroskopas (AJM) 1986 m. (Binnig, Quate ir Gerber IBM bendradarbiaujant su Stanfordo universitetu). Skenuojantis artimojo lauko optinis mikroskopas m. (Betzig ir Pohl).

3 Skenuojančio zondo mikroskopų rūšys: Skenuojantis tunelinis mikroskopas (STM) Atominės jėgos arba skenuojančios jėgos mikroskopas (AJM) Skenuojantis artimojo lauko optinis mikroskopas Specializuoti skenuojantys mikroskopai (magnetinių jėgų, trinties jėgų, varžos ir talpos, termomikroskopai ir kiti.) Bet kokie mikroskopai, kurių veikimas pagrįstas paviršiaus skenavimu smailu zondu ir zondo paviršiaus sąveikos stebėjimu.

4 SZM veikimo principas Mikroskopas Z Zondas Bandinys Detektorius Valdymo elektronika X, Y Vibracijos izoliacija Valdymas ir rezultatų pateikimas

5 Skenuojantis tunelinis mikroskopas Taikymas: Atominės skiriamosios gebos mikroskopija Elektrocheminė STM Skenuojanti tunelinė spektroskopija Mažų srovių mikroskopija (mažai laidiems bandiniams)

6 Skenuojantis tunelinis mikroskopas Mikroskopas Z Zondas Bandinys X, Y I ~ e -γd d Grįžtamasis ryšys U Ampermetras Valdymo elektronika Tunelinė srovė: I ~ e -γd (vakuume γ 2Å -1 ) Vibracijos izoliacija

7 STM gauti vaizdai DNR, 500 nm laukas. C60 fulerenas ant silicio. 5,4 nm laukas. Deguonies atomai ant rodžio kristalo. 4nmlaukas.

8 STM spektroskopija Silicis, 5 nm laukas U = 1,744V Silicis, 5 nm laukas U = -1,744V e - e -

9 Atominės jėgos mikroskopas Matuojama jėga tarp zondo ir bandinio Grįžtamojo ryšio grandinė palaiko pastovią sąveikos jėgą tarp zondo ir bandinio Pargrindiniai darbo būdai: Kontaktinis Nekontaktinis Virpančio zondo (Tapping Mode)

10 Atominės jėgos mikroskopas Fotodetektorius Veidrodis Lazeris Vaizdas Bandinys Grįžtamasis ryšys

11 E Zondo paviršiaus sąveikos energija ir AJM darbo režimai Nekontaktinis AJM, zondas svyruoja 3-25 nm amplitude nm atstumu nuo paviršiaus Virpančio zondo AJM, zondas svyruoja nm amplitude, kiekvienu svyravimu pasiekdamas paviršių x Kontaktinis AJM, zondas nuolat kontaktuoja su paviršiumi

12 STM ir AJM zondai 90% 99% Srovės pasiskirstymas tarp STM zondo ir bandinio paviršiaus Sąveikos pasiskirstymas tarp AJM zondo ir bandinio paviršiaus

13 Zondo sąveikos su paviršiumi jėga: AJM skiriamoji geba F = kx Šiluminė energija vienam laisvės laipsniui: Įvertinama AJM skiriamoji geba:, sąveikos energija: kbt E = 2 U = 2 kx 2 du dx x = E du dx = (tarkime, kad signalas lygus triukšmui) kx = F F x = kbt 2 Kadangi, tai ir x = kbt 2F Esant kambario temperatūrai ir 100pN sąveikos jėgai: 23 1,38 10 J / K 293K 11 x = 2 m = 0, 02nm N

14 Kontaktinis AJM skystyje Krūviai Vandens sluoksnis Krūviai ekranuojami Vanduo eliminuoja kapiliarines jėgas Ore Vandenyje Atliekant matavimus vandenyje galima kompensuoti kai kuriuos kontaktinio AJM trūkumus: skiriamosios gebos praradimą dėl elektrostatinių sąveikų ir kapiliarinių jėgų

15 AJM skystyje Kristalizuotas bakterinis baltymas, 200 nm laukas

16 Matavimas virpančiu zondu Fazė Amplitudė Fotodetektorius Veidrodis Lazeris Bandinys Grįžtamasis ryšys Priklausomai nuo paviršiaus klampumo kinta liežuvėlio su zondu vibravimo amplitudė ir fazių skirtumas tarp virpinančiojo ir išėjimo signalų. Fazė

17 Matavimas virpančiu zondu A Darbinis taškas Q 1 Q 1 >Q 2 Didžiausias mikroskopo jautrumas pasiekiamas tada, kai da maksimali. dν Q 2 Jautrumą riboja rezonatoriaus (liežuvėlio su zondu) kokybė Q. υ 2 υ 1 υ rez υ

18 AJM darbo režimų palyginimas Kontaktinis Nekontaktinis Virpančio zondo z z z x x x

19 DNR, topografija ir fazinis vaizdas (325 nm laukas). Poliuretanas, topografija ir fazinis vaizdas (5 µm laukas). Molibdeno oksidas (6 µm laukas)

20 Viskoelastinių medžiagų AJM Virpant zondui dideliu dažniu klampūs skysčiai tampa kieti. Karboksiloksanas ant grafito, 12,5µm laukas. A Matavimo dažniai υ Klampaus skysčio rezonansinė kreivė

21 Lateralinės (skersinės) jėgos metodas Guma 20µm Keramika 30µm F Metalas + oksidas 0,8µm

22 Laidumo arba talpos mikroskopija Bandinys R 1, C 1 R 2, C 2 Jei matuojama talpa naudojamas kintamos srovės šaltinis. Mikroskopas Ekvivalentinė schema R 1, C 1 - kontaktinė varža ir talpa, R 2, C 2 bandinio varža ir talpa.

23 Specialieji AJM metodai Termomikroskopas tº Magnetinių jėgų AJM Elektrinių jėgų AJM Kaitinimo srovė Skirtingo šilumos laidumo/talpos paviršiaus dariniai Magnetinės medžiagos zondas Įmagnetinti paviršiaus dariniai Laidus zondas virpa virš paviršiaus Elekrtiniai krūviai 2 1 Norint atskirti matuojamas jėgas (magnetines, elektrines) nuo paviršiaus topografijos kiekviena eilutė skenuojama du kartus pirmas kartas topografijai, antras kartas (pakėlus zondą keleto nm atstumu nuo paviršiaus) norimoms savybėms matuoti.

24 Specialiaisiais AJM metodais gauti vaizdai Magnetinė galvutė, topografija ir magnetinės jėgos vaizdas (14µm). DVD-RW, topografija ir elektrinės jėgos vaizdas (5µm). Silicis, topografija ir jėgos moduliacijos vaizdas (1µm).

25 Nanomodifikavimas Tekstas suformuotas AJM zondu ant polimetakrilato polimero. 1,6µm laukas Modifikuojama vien AJM arba elektrochemiškai. Dažniausiai naudojami deimantiniai zondai, jėga iki dešimčių µn.

26 Jėgos atstumo priklausomybės matavimai 1. F x 3. x Limpančiu (su polinėmis grupėmis, antikūnais, histidino ir Ni 2+ kompleksu ir t. t.)zondu tempiant (arba spaudžiant) bandinį registruojama jėgos priklausomybė nuo atstumo.

27 λ α x x min = 0.61λ (Reilio kriterijus) Optinio mikroskopo skiriamosios gebos riba

28 λ x d x min = d Skenuojantis artimojo lauko optinis mikroskopas

29 Detektorius 3 4 Artimojo lauko mikroskopo taikymo principai

30 1,00E+00 Apertūros skersmuo [nm] ,00E-02 1,00E-04 P/P0 1,00E-06 1,00E-08 1,00E-10 1,00E-12 Spinduliavimo galios sumažėjimas dėl mažos apertūros

31 λ d x x min = d Arimojo lauko miroskopas su metaline adata

32 Artimojo lauko mikroskopu gauti vaizdai Širdies audinys, topografija ir artimojo lauko vaizdas (10µm laukas). Ca2+ dinamikos neurone stebėjimas. Naudotas Fluo-3 indikatorius.