Αρχές λειτουργίας STM και AFM Ντούλιου Ευαγγελία.

Παρουσίαση με θέμα: "Αρχές λειτουργίας STM και AFM Ντούλιου Ευαγγελία."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Αρχές λειτουργίας STM και AFM Ντούλιου Ευαγγελία

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

3 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

4 Οπτικά μικροσκόπια (ή μικροσκόπια φωτός)  Χρήση ορατής ακτινοβολίας δηλ. ~ 350-780 nm  Εφεύρεση: τέλη 16 ου αιώνα!  «Πολύπλοκοι μεγεθυντικοί φακοί»  Μέγιστη διακριτική ικανότητα: 2000 Å

5 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)

6 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)

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

8  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.

9 Scanning Tunnel Microscopy (Σαρωτική μικροσκοπία ρεύματος σήραγγας)

10 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.

11 Δομή του οργάνου

12 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

13 https://www.youtube.com/watch?v=bo2Zq0Wsog4

14  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

15 Atomic Force Microscopy (Μικροσκοπία ατομικής δύναμης)

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

17 Δομή του οργάνου

18 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

19 https://www.youtube.com/watch?v=0jP7baCqFLw

20  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

21 Η διπλή έλικα του DNA!

22 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

23 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

24 Ευχαριστώ για την προσοχή σας!