Мікроскопічні методи дослідження Лекція № 7 08. 04.

Мікроскопічні методи дослідження Лекція № 7 08. 04. 15 Методи дослідження нанорозмірних систем

Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал Н. Лесков «Левша» 2 Справа майстра:

, Краще один раз побачити ніж сто разів … почути 3 Пилок соняшника під електронним мікроскопом

Оптична мікроскопія та роздільна здатність 4 Роздільна просторова здатність – це та найменша відстань між двома точками об’єкта, при якій їхні зображення ще видимі роздільно Оптична мікроскопія Мікроскопія відбитого світла Мікроскопія світла, що пройшло Конфокальна Мікроскопія ближнього поля Нанооптика — розділ оптики, який використовує світло локалізований у просторі на розмірах а <<λ чи в об'ємі V << λ

5 Наноскоп: міфи та реальність Нанооптика: 1. Використання сильно локалізованого лазерного світла для дослідження наноструктур. 2. Збереження спектральної селективності. 3. Відгук речовини на локалізоване випромінювання суттєво відмінний від такого для вільного простору. Пята Нобелівська премія за мікроскопи 1925 — Ріхард Жигмонді за мікроскопію броунівського руху 1953 -Фріц Церніке — фазово-контрастний мікроскоп 1982 — Аарон Клуг рентгенівська микроскопія 1986 — Ернст Руска за електронний мікроскоп, а Герд Бінніг і Генріх Рорер — сканируюча тунельна микроскопія

Конфокальна мікроскопія

Контрастуючі агенти для конфокальної мікроскопії: 7 Наночасточки Si. O 2 , модифіковані флуоресцентними барвниками родамін 6 G (а) або вкриті оболонкою Zn. S (б) Наночасточки золота. Квантові крапки Zn. S/Cd. Se/In. P Нанолюмінофори: Na. YF 4 , Y 2 O 3 : Eu 3+ , YPO 4 : Eu 3+ Зображення клітини печінки (зелений колір – автолюмінесценція клітини, червоний – НЧ Cd. S Зображення клітини підшлункової залози, контраст від Na. YF 4 : Er 3+, Yb 3+, Gd 3+). T. Y. Ohulchansky. Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol. 2010 , 2(2), 162 -75. Як вносять НЧ у клітини? Як визначають токсичність? Як отримують зображення на мікроскопі? http: //www. jove. com/video/2808/evaluation-nanoparticle-uptake-tumors-real-time-using-intravital

Мікроскопія ближнього поля 8 Виготовлення ближньопольного оптичного волокна: а) хімічним травленням; в) напилення тонкої плівки металу

Взаємодія речовини з потоком електронів 9 Тонкий зразок Електрони, розсіяні назад Вторинні електрони. ОЖЕ – електрони, Е ≤ 10 е. V Рентгенівські промені світло Непружно розсіяні електрони Електрони, що пройшли без взаємодіїПружно розсіяні електрони Падаючий електронний пучок

10 Оптичний мікроскоп Просвічуючий електронний мікроскоп Оптичні лінзи Магнітн і лінзи Джерело світла Електронн а пушка Анод Зразок Люмінесцентн ий екран Просвічуючий електронний мікроскоп

Термінологія 11 Електронна мікроскопія — Сукупність електронно зондових методів дослідження мікроструктури твердого тіла та його локального складу та мікрополів за допомогою . електронних мікроскопів Електронний промінь Направлений промінь прискорених , електронів у вакуумі що використовується для просвічування “ ” зразків та вибивання вторинних. електронів Роздільна здатність Найменша відстань між двома , елементами мікроструктури що розрізняються на зображенні ( , визначається характеристиками ЕМ , ). налаштувань природи зразка Растр Система ліній сканування на поверхні зразка та на екрані — електронно променевої трубки Розгортка Періодичне відхилення електронного X Y пучка по осям та з метою . формування растру

12 Формування зображення Світлопольне зображення — збільшене зображення , мікроструктури що формується , електронами що пройшли крізь зразок з малими енергетичними ( ) втратами темні лінії на світлому фоніТемнополь не зображенн я — формується розсіяними електронами та використовується для дослідження сильно , розсіюючих зразків виглядає як “ ”. негатив Хроматичн а аберація — Зниження швидкості електрона після , просвічування зразка що призводить до погіршання , роздільної здатності посилюється з збільшенням . товщини зразка і зменшення прискорюючої напруги

13 Підготовка зразків Механічна обробка Механічне сточування зразка товщиною 100 мкм жорсткою підкладкою Електрохімічне травлення Використовується для провідних зразків в електрополіруючій рідині Йонне травлення Травлення зразка товщиною 50 мкм при обертанні Метод реплік Утворення тонкої плівки, що повністю повторює мікрорельєф поверхні. Бог не пошле інноваційні калачі, якщо лежати на печі…

ПЕМ в дії 14 Мікрофотографія (C 17 H 35 COO)Pb на вуглецевій підкладці 100 нм 20 нм U. Zschieschang, T. Yamamoto, K. Takimiya // Advanced Materials V. 23, P. 654– 658,

Аберації 15 Фактор впливу на роздільну здатність Оптимальне значення Реальні значення Примітка Прискорююча напруга 100 -300 к. В 60 -180 к. В При низьких напругах електрони слабко розсіюються на зрізі, що понижує контраст Фокусна відстань об’єктиву 1. 5 – 2 мм (сильне збудження лінзи) 5 -6 мм (слабке збудження лінзи) Чим сильніше збуджена лінза, тим сильніший контраст і сильніша сферична аберація Діаметр апертурної діафрагми 50 -100 мкм 20 -30 мкм Чим менший діаметр, тим вищий контраст, однак сильніша дифракція Товщина зрізу зразка 10 -15 нм 50 -70 нм Чим товщий зріз, тим вище контраст, але нижча роздільна здатність

Обмеження ПЕМ 16 Умова контрасту: зразок – тонка плівка з гарно вираженою просторовою упорядкованістю електронної густини, однозначно пов’язаної з внутрішньою чи приповерхневою структурою зразка. Умова роздільної здатності: товщина зразка не перевищує 0, 1 мкм, зростання товщини призводить до зростання хроматичної аберації. Асиметричні часточки, нанесені на підкладку Двовимірні кристали; Спіральні утворення; Тонкі зрізи металічних зразків. Визначати тип та параметри кристалічних фаз; Оріентаційні співвідношення між фазою та матрицею; Будова межі зерен; Густина та розподіл дислокацій. Об’єкти Можливості

17 ПЕМ високої роздільної здатності Гратка Si вздовж осі 110 Ядро крайової дислокації в гратці Ge Когерентні двійники в кристалах: а)- Au; b)- Si; c)- Si.

Автоелектронна та автойонна мікроскопія 18 Вістря Атом метала. Зона йонізації Поляризований атом He Відкачка. Висока напруга Вістря Зображення в польовому йонному мікроскопі вольфрамов ої голки радіусу 12 нм, при 21 К

Природа взаємодії “зонд — поверхня” 19 Атомно-силова електронно-с илова магнітно-силова. SEM STM AFM

Скануючий електронний мікроскоп 20 Схема растрового електронного мікроскоп а 1 — катод, 2 — циліндр Венельта; 3 — анод; 4, 10 — діафрагми; 5, 6, 9 — електромагнітні лінзи; 7 — електромагнітна від хиляюча котушка; 8 — стігматор; 11 — рентгенівський спектрометр; 12 — зразок; 13 — вторинні електрони; 14 — підсилювач; 15 — електронно-променева трубка; 16 — генератор розгортки; 17 — блок управління збільшенням

Детектори в СЕМ 21 Вторинний електрон Відбитий електрони ОЖЕ- електрон Рентгенівське випромінювання. С ц интил яц ійний д етектор Н апівпровідниковий детектор

Електронна лавина в зразку

Формування контрасту в СЕМ 23 Композиційний контраст Топографічний контраст композиційний топографічний магнітний потенціальний

Топографічний та хімічний контраст

Підготовка зразків 25 Розмір зразків 60 Х 20 мм Стійкість до дії прискорених електронів та вакууму електропровідність Якість поверхні

Скануючий тунельний мікроскоп

Схема організації зворотного зв’язку в СТМ 27 Трубчастий п’єзосканер Біморфний п’єзоелемент

Метод постійного тунельного струму та постійної середньої відстані 28 Формування зображення

Реалізація атомної роздільної здатності

Атомно-силова спектроскопія 30 основазонд консоль основа Фотодіод

Формування зображення в АСМ 31 Постійна сила взаємодії зонд-поверхня Постійна відстань між датчиком та поверхні

Електросилова мікроскопія 32 Провідне покриття

Магнітно-силова мікроскопія 33 Магнітне покриття

Короткі нотатки 1. Для конфокальної мікроскопії наносистем необхідною умовою є фотолюмінесцентні властивості її компонентів або введення флуоресціюючого барвника для контрасту. 2. Для дослідження поверхні наносистем використовується просвічуюча, автоелектронна та автойонна мікроскопія. 3. Роздільну здатність просвічуючої електронної мікроскопії знижують аберації сферичного та хроматичного типу та явища астигматизму. 4. Скануючий електронний мікроскоп має високу роздільну здатність завдяки композиційним, топографічним, магнітним, потенціальним контрастам. 5. Вимоги до зразку у методу СЕМ: провідність, стійкість до дії прискорених електронів, якість поверхні зразку, розмір об’єкту. 6. Принцип дії скануючого тунельного мікроскопу базується на явищі тунельного струму і вимагає провідних властивостей від зразка. 7. Силові мікроскопи поділяються на атомно-силові, електронно-силові та магнітно-силові.

Рекомендована література: 1. Г. И. Штейн. Руководство по конфокальной микроскопии – Санкт Петербург – 2007 – 77 с. 2. М. Н. Либерсон. Преодоление дифракцоного предела в оптике – Соросов. обр. журн. – 2000, № 3, с. 99 -104. 3. Электронная микроскопия : учеб. пособие / А. И. Власов, К. А. Елсуков, И. А. Косолапов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 168 с. 4. Д. В. Штанский / Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения в нанотехнологических исследованиях // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2002, т. XLVI, № 5, с. 81 -89. 5. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Миргород – 2004 – 110 с. 6. В. Ю. Колосов, Исследование наноматериалов методами сканирующей электронной микроскопии // Екатеринбург – 2008 – 17 с.

Nanoart 37 Окиснення Міді

Кристали Zn. O