KCH/NANTM

1. KCH/NANTM Přednáška 2 Analytické metody používané v nanotechnologiích

2. Obsah • Úvod do mikroskopie • Skenovací elektronová mikroskopie • Transmisní elektronová mikroskopie

3. Mikroskopie • Primární neinvazivní metoda pro výzkum nanomateriálů • Kvantitativní informace • Struktura • Mikrostruktura • Vady a defekty • Distribuce fází • Velikost částic, zrna • Historie zpracování materiálů • Informace pro přípravu nových materiálů

4. Mikroskopie • Optická mikroskopie • Elektronová mikroskopie • SEM • TEM • Mikroskop atomárních sil (AFM) • Skenovací tunelový mikroskop (STM) • Skenovací sondový mikroskop (SPM) • Chemický silový mikroskop (CFM)

5. MikroskopieVývojové mezníky • Starověký Řím – zvětšovací skla • 13. století – první brýle (Itálie) • 16. století – první mikroskop • Neověřeno • Galileo Galilei • Bratři Janseniovi • 17. století • Anton van Leeuwenhoek • Nizozemí • Jediná kulová čočka • 250 – 300x • Bakterie, prvoci, krevní kapiláry • Robert Hook

6. Mikroskopievývojové mezníky • Stagnace • Do 20. století jen drobné inovace • Použití převážně pro biologické aplikace • Další vývoj • Potřeba výzkumu nových materiálů – železo, ocel, litina • Znalost vnitřní struktury

7. Optická mikroskopie

8. Optická mikroskopie • Světelný (optický) mikroskop • Paralelní zařízení • Zvětšený obraz • Rozeznávání detailů • Přímo pozorovatelný/fotografovatelný obraz • Obraz je zvětšován dvěma sadami spojených čoček • Objektiv • Okulár • Největší zvětšení v obyčejném světle – 1500 x

9. Optická mikroskopie • Průběh světla v mikroskopu

10. Optická mikroskopie • Zvětšení se mění výměnou objektivu nebo okuláru • Různé metody pozorování • Přímé procházející světlo • Temné pole • Šikmé osvětlení • Fázový kontrast

11. Optická mikroskopie • Konstrukce mikroskopu • Objektiv • Suchý • Imerzní (imerzní olej mezi objektivem a preparátem) • Zobrazovací vady • Sférická odchylka • Sinusová vada • Zklenutí obrazu • Deformace (soudkové a polštářkové zkreslení) • Chromatická aberace • Názvy objektivů • Achromáty • Plan-objektivy • Apochromáty

12. Optická mikroskopie • Objektivy • Numerická apertura • Číselné měřítko pro schopnost optiky zachycovat informace • Lepší kvalitu má ten objektiv, který má při stejném zvětšení vyšší numerickou aperturu • Rozlišovací schopnost • Závisí na numerické apertuře, kondenzoru a kvalitě osvětlení – vlnová délka • Nejmenší možná vzdálenost dvou od sebe odlišitelných bodů • Korekce zbytkových vad • Jas a kontrast obrazu

13. Optická mikroskopie • Okulár • Umožňuje sledovat obraz – promítá do oka zvětšený obraz • Kompenzují zbytkové vady • Projektivy • Ostatní prvky • Tubus • Monookulární/binokulární/trinokulární • Objektiv, okulár i ostatní prvky centrované - optická osa

14. Optická mikroskopie

15. Optická mikroskopie • Zdroje • Denní světlo • Sluneční světlo • Žárovky • Dnes halogenová • Zrcadlo, irisová clonka, kolektorová čočka • Kondenzor • Promítá svítící plochu do vstupní pupily objektivu

16. Členění mikroskopických metod • Zobrazovací • Umožňují analýzu povrchu i vnitřní struktury • Analytické • Lokální analýzy chemického složení • Fázová identifikace • Podle světla • Na průchod (zdroj-kondenzor-vzorek-objektiv) • Na odraz (objektiv zároveň kondenzorem) • Klasické uspořádání • Převrácené uspořádání (inverted)

17. Elektronová mikroskopie

18. Elektronová mikroskopie • Mnohem větší rozlišovací schopnost • U světelné mikroskopie limitována vlnovou délkou • Elektronová mikroskopie – často < 1 Å • Historie • Mezník 1936 – oficiálně první elektronový mikroskop • 1924 – Louis de Broglie – vlnový charakter částic • 1927 – potvrzeno pro elektron • 1920 – urychlené elektrony se ve vákuu chovají jako světlo • 100 000x menší vlnová délka • Šíří se přímočaře

19. Elektronová mikroskopie • Historie • Elektrony jsou ovlivňovány • Elektrickým polem • Magnetickým polem • Stejně jako čočky a zrcadla • 1934 – Ernst Ruska, Max Knoll: TEM4 • 2 elmag. čočky • 1936 – Ernst Ruska – TEM s lepší rozlišovací schopností než optický mikroskop (1986 Nobelova cena)

20. Elektronová mikroskopie • Historie • 2. polovina 30. let • Max Knoll a Manfred von Ardenne – počátky SEM • 1942 – Vladimir Zworykin – SEM • Další objevy • 1960 – detektor sekundárních elektronů • 1988 - ESEM

21. Elektronová mikroskopie • Základní parametry • Pozorování a zvětšování velmi malých předmětů • Funkčně podobný světelnému mikroskopu • Použití svazku urychlených elektronů • Použití elektromagnetických čoček • Nevýhody • Vysoká pořizovací cena • Výhody • Velmi velké zvětšení (řádově 1.106 x) • Vysoké rozlišení (0,1 nm) • Velká hloubka ostrosti • Nejen topografie, ale i materiálové složení

22. Elektronová mikroskopie • Vlnová délka elektronů dána jejich rychlostí • Regulace prostřednictvím urychlovacího napětí • Svazek urychlených elektronů ve vakuové trubici • Elektronová tryska • Kovová katoda (W, LaB6), Schottkyho autoemisní tryska (broušený W) • Následuje fokusace

23. Elektronová mikroskopie • Pozorování obrazu • TEM – fluorescenční stínítko • Pozorování okem • Záznam na film, fotografickou desku, CCD • SEM - PC

24. Elektronová mikroskopieInterakce elektronů se vzorkem • Vodivý vzorek • Interakce • Pružné – zanedbatelná výměna Ek • Nepružné – elektronové excitace (změna Ek) Absorpce

25. Elektronová mikroskopieZákladní typy • Transmisní (prozařovací, TEM) • Svazek elektronů prochází vzorkem • Průchod elektronů najednou • Fluorescentní stínítko • Ultratenké řezy (50 nm) • Skenovací (rastrovací, SEM, REM) • Povrchy „tlustých“ vzorků • Skenování (rastrování) povrchu po řádcích • Rastrovací-transmisní • Kombinace obou předchozích • Environmentální rastrovací • Nižší vakuum

26. Elektronová mikroskopie • Další signály • Sekundární elektrony • Mnohem menší energie než primární svazek • Povrchová topografie • Zpětně odražené elektrony • Vycházejí z větší hloubky • Lokální změny materiálu (závisí na atomové hmotnosti) • Materiálový kontrast • Charakteristické RTG záření • Kvalitativní a kvantitativní charakteristika vzorku

27. Elektronová mikroskopie

28. TEM • Často preferovaný pro nanomateriály • Rozlišovací schopnost: 1-2 nm • Urychlovací napětí: 80 – 200 kV • Zvětšení: 50 – 1 500 000 x • Výrobci: FEI, JEOL, LEO • Důležitá správná příprava vzorku • Vzorek umisťován na síťky s def. velikostí ok • Disperze • Ultratenké řezy • Vše ve vakuu

29. TEM Proud elektronů ze zdroje  elmag. čočky vzorek objektiv  projektiv  zobrazení • Zobrazení: • Stínítko • Film • Fotografická deska • CCD

30. TEM

31. HRTEM • HR = high resolution • Maximální rozlišení: 0,047 nm (JEOL R005) • Vhodné podmínky – urychlovací napětí ad. • Sledování jednotlivých atomů • Rozptyl elektronového svazku při interakci s elektronovými obaly atomů • Zobrazování interferujících vln rozptýlených elektronů • Fluorescenční stínítko

32. SEM • Skenovací = rastrovací = řádkovací • Rozlišovací schopnost: 1 nm • Zvětšení: 400 000 x • Analogie se světelným mikroskopem • Obraz tvoří sekundární signál • Odražené elektrony • Sekundární elektrony • Velká hloubka ostrosti • Vznik i dalších signálů: další informace o vzorku

33. SEM • Ovlivnění kvality obrazu • Urychlovací napětí • Náklon vzorku (správné umístění) • Nabíjení vzorku • Kvalita pokovení • Pracovní vzdálenost • Správná příprava vzorku • Odstranění vody a těkavých látek • Stabilita v elektronovém záření • Dostatečná vodivost • Vakuové napařování • Silné vakuum, tloušťka vrstvy 20 nm • Vakuové naprašování • Nižší vakuum, vrstva Au/Pd slitiny 2 nm • Chemická fixace na terčík

34. SEM • Elektronová mikroanalýza • Chemické složení materiálu • RTG záření • Augerovy elektrony

35. SEM

36. Pro dnešek vše 