Αρχές λειτουργίας STM και AFM Ντούλιου Ευαγγελία

 Τι είναι το μικροσκόπιο;  Ποιά είδη μικροσκοπίων υπάρχουν;  Ποιές είναι οι αρχές λειτουργίας;

Ορισμός: Μικροσκόπιο είναι ένα όργανο που μας επιτρέπει να παρατηρούμε αντικείμενα (π.χ. κύτταρα, μόρια) που λόγω του μικρού τους μεγέθους δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε με γυμνό οφθαλμό

Οπτικά μικροσκόπια (ή μικροσκόπια φωτός)  Χρήση ορατής ακτινοβολίας δηλ. ~ nm  Εφεύρεση: τέλη 16 ου αιώνα!  «Πολύπλοκοι μεγεθυντικοί φακοί»  Μέγιστη διακριτική ικανότητα: 2000 Å

Ηλεκτρονικά μικροσκόπια  Χρήση ηλεκτρονίων αντί για φωτόνια!  Εφεύρεση: 1931 (prototype), Ernst Ruska & Max Knoll  Χρήση ηλεκτρικού πεδίου και ηλεκτρομαγνητικών φακών  Μέγιστη διακριτική ικανότητα: 0,5 Å (ΤΕΜ)

Μικροσκόπια σάρωσης με ακίδα (SPM, Scanning Probe Microscopy)  Σάρωση («εξερεύνηση») επιφάνειας με χρήση ακίδας και πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων  Εφεύρεση: 1981 (STM), Gerd Binnig & Heinrich Rohrer  Μέγιστη διακριτική ικανότητα: 1 Å  Δίνουν πληροφορίες στις τρεις διαστάσεις! («ανάγλυφη» εικόνα)

Τι είδους εικόνα παίρνουμε από ένα μικροσκόπιο SPM; Κλίμακα χρώματος / φωτεινότητας που αντιστοιχεί σε «υψόμετρο»!

 Ακίδα Βελόνα με εξαιρετικά λεπτή αιχμή, συχνά ενός ατόμου!  Πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος Στερεά που παράγουν τάση όταν μεταβάλλεται μηχανικά το μήκος τους και μεταβάλλουν το μήκος τους με εφαρμογές τάσης.

Scanning Tunnel Microscopy (Σαρωτική μικροσκοπία ρεύματος σήραγγας)

Φαινόμενο σήραγγας Η διέλευση ενός κβαντικού σωματιδίου (κύμα) από κλασικά απαγορευμένες περιοχές («φράγματα»). Η πιθανότητα διέλευσης μειώνεται με αύξηση του πάχους του φράγματος και της μάζας του σωματιδίου.

Δομή του οργάνου

Λήψη της «εικόνας» (τοπογραφία επιφάνειας)  Κύριες τεχνικές: ◦ Σταθερού ρεύματος (μέτρηση μετατόπισης στον άξονα z) ◦ Σταθερού ύψους (μέτρηση έντασης ρεύματος)  Μόνο αγώγιμες ή ημιαγώγιμες επιφάνειες  Εφαρμογή τάσης μεταξύ ακίδας-επιφάνειας  Σάρωση επιπέδου xy του δείγματος από την ακίδα, με βοήθεια πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων  Συσχέτιση συντεταγμένων (x,y) και ύψους z (άμεσα ή έμμεσα με ένταση ρεύματος)  Σχηματισμός εικόνας με βοήθεια κατάλληλου λογισμικού

 Δυνατότητες και Περιορισμοί ◦ Διακριτική ικανότητα ατομικής κλίμακας ◦ Τρισδιάστατη εικόνα ◦ Λειτουργία σε συνθήκες περιβάλλοντος ◦ Εφαρμογή μόνο σε αγώγιμα δείγματα ◦ Απαραίτητα προγράμματα και γνώσεις για την επεξεργασία των δεδομένων ◦ Πιθανότητα καταστροφής του δείγματος (λειτουργία σταθερού ύψους)  Τυπικές Εφαρμογές ◦ Μελέτη επιφανειών και φαινομένων προσρόφησης (κυρίως μεταλλικές επιφάνειες) ◦ Νανοτεχνολογικές εφαρμογές

Atomic Force Microscopy (Μικροσκοπία ατομικής δύναμης)

Ατομικές Δυνάμεις  Δυνάμεις van der Waals ◦ Ελκτικές ◦ Απωστικές  Άλλες (ηλεκτροστατικές, μαγνητικές δυνάμεις κλπ.)

Δομή του οργάνου

Λήψη της «εικόνας» (τοπογραφία επιφάνειας)  Κύριες τεχνικές: ◦ Συνεχούς επαφής ◦ Μη επαφής ◦ Ελαφρών χτυπημάτων  Σάρωση της επιφάνειας από έναν εύκαμπτο βραχίονα (πρόβολος) με την ακίδα στην άκρη  Ανίχνευση των εκτροπών του βραχίονα λόγω δυνάμεων που ασκούνται στην ακίδα με οπτικά μέσα  Έλεγχος της δύναμης που ασκείται στην ακίδα με παράλληλη μέτρηση συντεταγμένης z

 Δυνατότητες και Περιορισμοί ◦ Διακριτική ικανότητα ατομικής κλίμακας ◦ Τρισδιάστατη εικόνα ◦ Λειτουργία σε συνθήκες περιβάλλοντος ◦ Εφαρμογή σε ευαίσθητα και μη αγώγιμα δείγματα ◦ Δυνατή απεικόνιση βιολογικών δειγμάτων στο νερό ◦ Απαραίτητα προγράμματα και γνώσεις για την επεξεργασία των δεδομένων ◦ Πιθανότητα καταστροφής του δείγματος (λειτουργία συνεχούς επαφής)  Τυπικές Εφαρμογές ◦ Μελέτη επιφανειών ◦ Μελέτη βιολογικών δειγμάτων ◦ Νανολιθογραφία ◦ Φασματοσκοπία δυνάμεων

Η διπλή έλικα του DNA!

Chemical Force Microscopy (Μικροσκοπία Χημικών Δυνάμεων)  Επίστρωση ακίδας με χημικές ομάδες  Σάρωση επιφανειών με οργανικές δραστικές ομάδες  Μέτρηση αλληλεπιδράσεων ακίδας και δείγματος  Χαρτογράφηση της επιφάνειας

Ernst Ruska (1/2 του βραβείου) «για τη θεμελιώδη εργασία του στην ηλεκτρονική οπτική, και για τον σχεδιασμό του πρώτου ηλεκτρονικού μικροσκοπίου» και Gerd Binnig και Heinrich Rohrer (1/4 του βραβείου ο καθένας) «για τον σχεδιασμό του σαρωτικού μικροσκοπίου σήραγγας». Ernst Ruska Gerd Binnig Heinrich Rohrer

Ευχαριστώ για την προσοχή σας!