Mikroskopie, která umožnila vidět Feynmanův svět. Na

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