Υπεύθυνη : M. Μακροπούλου Σεμινάρια Φυσικής 2007 Υπεύθυνη : M. Μακροπούλου
Μικροσκοπία ατομικής δύναμης (Atomic Force Microscopy) Ικάριος Εμμανουήλ Α.Μ. 09101128
Ιστορική αναδρομή Πρώτος αιώνας π.Χ. , οι Ρωμαίοι χρησιμοποιούν το γυαλί για να μεγεθύνουν αντικείμενα. Τα πρώτα μικροσκόπια είχαν τη δυνατότητα να μεγεθύνουν κατά 6-10x. 1590 οι Δανοί Hans και Zaccharias Janssen ανακαλύπτουν για πρώτη φορά το μικροσκόπιο που αποτελείται από 2 ή περισσότερους φακούς. Ο Γαλιλαίος μαθαίνει τα πειράματά τους, εξηγεί το φαινόμενο και βελτιώνει το μικροσκόπιο. 1674 ο Anton van Leeuwenhoe, ο «πατέρας της μικροσκοπίας» δημιούργησε μικροσκόπιο με μεγέθυνση έως και 270x. 1872 με την άνοδο της τεχνολογίας ο Ernst Abbe υπολόγισε πώς θα μπορούσαμε να έχουμε μέγιστη ανάλυση στα μικροσκόπια 1903 ο Richard Zisgmondy έφτιαξε ισχυρό μικροσκόπιο το οποίο δούλευε με την βοήθεια του φωτός 1930 έχουμε τα πρώτα ηλεκτρονικά και οπτικά μικροσκόπια από τον Ernst Ruska που πήρε και βραβείο Νόμπελ το 1986
Ιστορική αναδρομή Μιλώντας για μικροσκοπία το μυαλό μας θα πήγαινε σε οπτικά ή ηλεκτρονικά μικροσκόπια Κλίμακα διακριτικότητας Οπτικά 1000Χ εικόνα μέχρι δύο διαστάσεις Ηλεκτρονικά 100.000Χ Μέσα του 1980 (1986) Ανακάλυψη του AFM Βασικό πλεονέκτημα 3 διαστάσεις Κλίμακα διακριτικότητας έως 1.000.000Χ
Κατηγορία στην οποία εντάσσεται η μέθοδος
Κοινό στοιχείο των μεθόδων Είναι μέθοδοι οι οποίες βασίζονται στην σάρωση επιφάνειας με διαφορετικές τροποποιήσεις η καθεμία από αυτές
Scanning Probe Microscopes - Γενικά Τέτοιου είδους Μικροσκόπια χρησιμοποιούνται για την μελέτη επιφανειών και για την μελέτη των ιδιοτήτων του υλικού στη τάξη μεγέθους έως μερικά μικρά
Scanning Probe Microscopes – Τεχνική Όργανο το οποίο φροντίζει για την μέτρηση της κατακόρυφης θέση της ακίδας Ράβδος η οποία πιέζει την ακίδα να “πατάει” καλά στο υλικό Το υλικό προς μελέτη Βραχίονας μαζί με την ακίδα Υπολογιστής ο οποίος οδηγεί τον σαρωτή καταγράφει τα δεδομένα και τα μετατρέπει σε εικόνα Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής ο οποίος μετακινεί το υλικό κάτω από την μύτη της ακίδας
Γενική διάταξη ενός AFM Συνήθως 2 οθόνες στην μια οι ρυθμίσεις και στην άλλη να βλέπουμε τη διαμόρφωση της επιφάνειας
Η σάρωση γίνεται χωρίς επαφή της ακίδας και της επιφάνειας προς μελέτη AFM Contact Mode Non-Contact Mode Contact mode Η σάρωση γίνεται με επαφή της ακίδας και της επιφάνειας προς μελέτη Non - Contact mode Η σάρωση γίνεται χωρίς επαφή της ακίδας και της επιφάνειας προς μελέτη
Μικροσκόπιο Ατομικής ΔΥΝΑΜΗΣ Μετρούνται δυνάμεις ανάμεσα στην ακίδα και στην προς εξέταση επιφάνεια μέσω της μετατόπισης της ακίδας Van der Waals Ηλεκτροστατικές Μαγνητικές Από επαφή …
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη – Ακίδα Μέσω της ακίδας ανιχνεύουμε την επιφάνεια του δείγματος Μήκος βραχίονα25-300μm Πλάτος 10-30 μm Πάχος 0.5-3 μm Υλικό Si ή Si3N4 Ο βραχίονας μπορεί να είναι είτε μονός είτε τριγωνικός (δηλ. με δυο μπράτσα)
Παράδειγμα σε κάποια βακτήρια Σημασία μορφής ακίδας Παράδειγμα σε κάποια βακτήρια Μεγάλη Ανάλυση (αιχμηρή μύτη) Μικρή Διάμετρος Ακίδας Βαθιά και στενή μορφολογία (μικρότερη επιφάνεια)
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη – Laser & Φωτοδίοδος
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη – Laser & Φωτοδίοδος Ζ Έτσι μέχρι τώρα καταφέραμε να σκιαγραφήσουμε τις κάθετες μόνο ανωμαλίες της επιφάνειας μας. Μόνο δηλαδή κατά τον άξονα z. Πως όμως παίρνουμε τρισδιάστατη εικόνα? Υ Χ
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη – Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής Ο πιεζοηλεκτρικός σαρωτής είναι υπεύθυνος για την καταγραφή της επιφάνειας στους άξονες Χ και Υ Πως γίνεται αυτό;
Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη – Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής 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 όμως γνωστές από τη θέση του σαρωτή. Μέσω του μηχανισμού ανατροφοδότησης μετρούνται αυτές οι δυνάμεις και μέσω του υπολογιστή δημιουργείται η εικόνα του αντικειμένου μελέτης
10 Α ~ 100 μικρά ή 64 ~ 512 points/line Εξαρτήματα από τα οποία απαρτίζεται η διάταξη – Πιεζοηλεκτρικός σαρωτής Τυπική σάρωση Ο σαρωτής είναι κυρίως 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
Εφαρμογές Νανοδιατάξεις Πολυμερή υλικά Εύρεση Ελαττωμάτων σε υλικά Μεταλλουργία Αναλύσεις σε οπτικό δίσκο DVD Ανάλυση μεμβρανών Βιοιατρική κ.α.
Νανοδιατάξεις Μετρούμενα υλικά Νανοκρυστάλλους Νανοσυνθέσεις Νανοεπιφάνειες με κόκκους Νανοαγωγούς Νανοκεραμικά GaAs Carbon Nanotubes
Πολυμερή υλικά Μελετάμε τις ατέλειες στις επιφάνειες
Εύρεση Ελαττωμάτων σε υλικά AFM σαν εργαλείο μετρολογίας Ουσιαστικά στην βιομηχανία
Μεταλλουργία Συχνά στις βιομηχανίες για ανίχνευση καλής ποιότητας των υλικών αναλύοντας χαρακτηριστικά τους Μελετώντας την επιφάνεια των υλικών βρίσκουμε την αντοχή τους και την αντίδρασή τους σε διάφορους εξωτερικούς παράγοντες όπως θερμοκρασία κα. Πλεονεκτήματα Μεγάλη ανάλυση Τρεις διαστάσεις Εύκολο στην χρήση
Αναλύσεις σε οπτικό δίσκο DVD Αναλύσεις σε επιφάνειες οπτικών δίσκων
Ανάλυση μεμβρανών
Βιοιατρική Μελετούνται σε βάθος βακτήρια, κύτταρα, πρωτεΐνες , πολυσακχαρίτες, ιούς DNA Βρίσκονται ανωμαλίες Μορφολογία τους Τρισδιάστατη απεικόνιση
Φωτογραφίες από AFM
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)
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. 29
Τέλος παρουσίασης Βιβλιογραφία Pacific Nanotechnology www.pacificnanotech.com www.probestore.com Material Evaluation & Engineering Nuno C. Santos Miguel Castanho Nova scan ΕΙΧΗΜΥΘ Ερευνητικό Ινστιτούτο Χημικής Μηχανικής και Χημικών Διεργασιών Υψηλής Θερμοκρασίας Bioteckol http://www.farmfak.uu.se/