Nanofyzika

Úvod do moderní fyziky
lekce 10 – nanofyzika a nanotechnologie
(zobrazování struktur na atomové úrovni)
Nanofyzika
• zabývá se vlastnostmi látky v nanometrových šířkách
• látky o malých rozměrech mají speciální vlastnosti –
velký poměr povrchu ku objemu, větší vzdálenost
mezi energetickými hladinami v nanokrystalech (viz
částice v potenciálové jámě)
• nanotechnologie – manipulace s látkou na atomární
nebo molekulové úrovni
• multidisciplinární – nanomateriály, nanomechanika,
nanoelektronika, nanofotonika, nanobiotechnologie,
...
příklad - zobrazování struktur pevných
látek na atomární úrovni
• řádkovací tunelový mikroskop (STM - scanning
tunneling microscope)
• mikroskop atomárních sil (AFM – atomic force
microscope)
STM – řádkovací tunelový mikroskop
• 1981 – Gerd Binnig, Heinrich Rohr (Nobelova cena), funguje pouze
pro vodivé materiály
• hrot (např. wolfram) se přiblíží na vzdálenost 0.4 nm – 0.7 nm,
rovnovážná poloha mezi přitažlivými a odpudivými silami
• napětí způsobí, že se ke hrotu protunelují elektrony
• ostré hroty – pouze jeden atom na konci hrotu
• lze použít nejen pro zobrazování
povrchů, ale také pro manipulaci s
atomy zvyšováním/snižováním napětí
a přibližováním/oddalováním hrotu
rozlišení ve směru povrchu ̴ 10-10 m,
v kolmém směru je vyšší
režim konstantního proudu –
mění se výška hrotu
režim konstantní výšky –
mění se proud, rychlejší
AFM - mikroskopie atomárních sil
• 1986 – Gerd Binnig, Calvin Quate, Christof Gerber, umí
zobrazovat i nevodivé vzorky, poskytuje 3D obraz
• lze zkoumat i vzorky ve vodě, ve vakuu rozlišení až 0.01 nm
• ostrý hrot na ohebném nosníku (cantilever)
kontaktní režimy – s různou velikostí ohnutí (u drsných
povrchů hrozba zničení hrotu), s konstantním ohnutím
bezkontaktní režimy – hrot a vzorek na sebe působí van der
Waalsovou silou, velmi malá, proto je nosník rozkmitáván a
měří se velikost amplitudy, sledování změn amplitudy
• detekce ohnutí nosníku snímáno pomocí odraženého
laserového svazku, který dopadá na fotodetektor,
snímá se změna úhlu odrazu
• není třeba vysoké vakuum ani pokovení vzorku apod.
• pomalost snímání – maximální velikost obrazu stovky
mikrometrů
dříve - elektronový mikroskop
• 1931 – Ernst Ruska, Max Knoll – první elektronový mikroskop,
ale s rozlišením horším než optické mikroskopy, dnes rozlišení
1 nm (TEM), 0.1 nm (SEM)
• místo fotonů elektrony, místo skleněných čoček
elektromagnetické čočky (cívky)
• nevýhoda: složitá příprava vzorků (např. pokrývání vrstvou
vodivého materiálu, nesmí dojít k akumulaci náboje a vzniku
statické elektřiny), zkoumání vzorku ve vakuu
• transmisní elektronový mikroskop (TEM) – vysoce energetické
elektrony prochází skrz vzorek (do tloušťky 500 nm)
• rastrovací elektronový mikroskop (SEM) – zobrazení povrchu
vzorku pomocí sekundárních elektronů (vyražené z
atomového obalu) nebo zpětně odražených elektronů
příklad – fotonické krystaly a termoska
• termoska – využívá vakua jako tepelného
izolantu, teplo se však šíří také zářením
• fotonické krystaly – periodické nanostruktury
(s vyšší a nižší hodnotou permitivity), pomocí
nichž je možné usměrňovat šíření
elektromagnetického záření, „blokují“ fotony
určitých vlnových délek
• odstínění většího pásma vlnových délek
infračerveného záření?