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 μαςεπιτρέπει να παρατηρούμε αντικείμενα(π.χ. κύτταρα, μόρια) που λόγω του μικρούτους μεγέθους δεν μπορούμε ναπαρατηρήσουμε με γυμνό οφθαλμό
Οπτικά μικροσκόπια (ή μικροσκόπια φωτός)
Χρήση ορατής ακτινοβολίας δηλ. ~ 350-780 nm
Εφεύρεση: τέλη 16ου 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 ηλεκτρομαγνητικώνφακών
Μέγιστη διακριτική ικανότητα: 0,5 Å (ΤΕΜ)
Μικροσκόπια σάρωσης με ακίδα (SPM, ScanningProbe Microscopy)
Σάρωση («εξερεύνηση») επιφάνειας με χρήση ακίδαςκαι πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων
Εφεύρεση: 1981 (STM), Gerd Binnig & Heinrich Rohrer
Μέγιστη διακριτική ικανότητα: 1 Å
Δίνουν πληροφορίες στις τρεις διαστάσεις!(«ανάγλυφη» εικόνα)
Τι είδους εικόναπαίρνουμε από έναμικροσκόπιο SPM;
Κλίμακα χρώματος /φωτεινότητας πουαντιστοιχεί σε«υψόμετρο»!
Ακίδα
Βελόνα με εξαιρετικά λεπτή αιχμή, συχνά ενόςατόμου!
Πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος
Στερεά που παράγουν τάση ότανμεταβάλλεται μηχανικά το μήκος τους καιμεταβάλλουν το μήκος τους με εφαρμογέςτάσης.
Scanning Tunnel Microscopy
(Σαρωτική μικροσκοπίαρεύματος σήραγγας)
Φαινόμενο σήραγγας
Η διέλευση ενός κβαντικού σωματιδίου (κύμα)από κλασικά απαγορευμένες περιοχές(«φράγματα»). Η πιθανότητα διέλευσηςμειώνεται με αύξηση του πάχους του φράγματοςκαι της μάζας του σωματιδίου.
Δομή του οργάνου
![C:\Documents and Settings\UseR\Local Settings\Temporary Internet files\Content.IE5\FU2WY85C\writing-hand-silhouette[1].jpg](data/images/img17.jpg)
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 βοήθειαπιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων
Συσχέτιση συντεταγμένων (x,y) και ύψους z (άμεσα ή έμμεσαμε 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 επεξεργασίατων δεδομένων
◦Πιθανότητα καταστροφής του δείγματος (λειτουργίασταθερού ύψους)
Τυπικές Εφαρμογές
◦Μελέτη επιφανειών και φαινομένων προσρόφησης (κυρίωςμεταλλικές επιφάνειες)
◦Νανοτεχνολογικές εφαρμογές
Atomic Force Microscopy
(Μικροσκοπία ατομικήςδύναμης)
Ατομικές Δυνάμεις
Δυνάμεις van derWaals
◦Ελκτικές
◦Απωστικές
Άλλες(ηλεκτροστατικές,μαγνητικέςδυνάμεις 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 πουασκούνται στην ακίδα με οπτικά μέσα
Έλεγχος της δύναμης που ασκείται στην ακίδα μεπαράλληλη 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 τωνδεδομένων
◦Πιθανότητα καταστροφής του δείγματος (λειτουργία συνεχούςεπαφής)
Τυπικές Εφαρμογές
◦Μελέτη επιφανειών
◦Μελέτη βιολογικών δειγμάτων
◦Νανολιθογραφία
◦Φασματοσκοπία δυνάμεων
Η διπλή έλικα του DNA!
Chemical Force Microscopy(Μικροσκοπία Χημικών Δυνάμεων)
Επίστρωση ακίδας με χημικέςομάδες
Σάρωση επιφανειών με οργανικέςδραστικές ομάδες
Μέτρηση αλληλεπιδράσεων ακίδαςκαι δείγματος
Χαρτογράφηση της επιφάνειας
Ernst Ruska (1/2 του βραβείου) «για τη θεμελιώδηεργασία του στην ηλεκτρονική οπτική, και για τονσχεδιασμό του πρώτου ηλεκτρονικού μικροσκοπίου»και Gerd Binnig και Heinrich Rohrer (1/4 τουβραβείου ο καθένας) «για τον σχεδιασμό τουσαρωτικού μικροσκοπίου σήραγγας».
Ernst Ruska Gerd Binnig Heinrich Rohrer
Ευχαριστώ για την προσοχή σας!Ευχαριστώ για την προσοχή σας!
