Wady ostrza Ponieważ ostrze ma duży promień niektóre elementy ukształtowania powierzchni nie są rejestrowane (fioletowy element) Ponieważ ostrze ma kilka zakończeń w obrazie pojawiają się powtórzone struktury (duchy).

Czy zawsze widzimy rzeczywistość ? To widzi mikroskop STM Obraz STM powierzchni grafitu Rzeczywista struktura grafitu pierwsza warstwa druga warstwa Wynik obliczeń gęstości stanów STM mierzy lokalna gęstość stanów elektronowych !!!

Poniżej zobrazowano położenia zajętych i pustych stanów elektronowych atomów krzemu ulokowanych na powierzchni SiC(0001)-3x3. Poziomy zajęte Poziomy puste

Co możemy zobaczyć STM-em ? Powierzchnia cienkiej warstwy Au P. Cyganik at al., IF UJ (111)Au P.Cyganik at al., IF UJ

Cs na GaAs(100) Atomy Cs

Nanomanipulacje Metody elektryczne Schemat 2 Schemat 1     zaadsorbowany atom zostaje zlokalizowany i ostrze zostaje umieszczone nad nim     ostrze jest obniżane do momentu, w którym oddziaływanie pomiędzy ostrzem i atomem jest wystarczające do trzymania atomu w czasie przesuwania ostrza     ostrze jest przesuwane do właściwej pozycji     ostrze jest usunięte znad atomu (dyfuzja stymulowana polem) zaadsorbowany atom zostaje zlokalizowany i ostrze zostaje umieszczone nad nim do ostrza zostaje podany krótki impuls napięciowy przenoszący atom z powierzchni na ostrze ostrze jest przesuwane do właściwej pozycji do ostrza zostaje podany impuls o przeciwnej polaryzacji przenoszący atom z ostrza na powierzchnię (parowanie polowe, elektromigracja)

Xenon on Nickel (110) Iron on Copper (111)

Iron on Copper (111)

Iron on Copper (111)

Liczydło atomowe Liczydło zrobiono z molekuł C-60 ustawionych wzdłuż uskoków na powierzchni miedzi M.T. Cuberes, R.R. Schlittler, J.K. Gimzewski Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 3016.

Zapis informacji Ostra i twarda igła zostawia rysy a potem może to sama zobrazować - działa zatem jednocześnie jak głowica pisząca i czytająca.

A może by tak wziąć wiele igieł ? Tak postąpili naukowcy z IBM w Zurichu oraz Uniwersytetu w Bazylei i skonstruowali układ wielu igieł nazywając go ‘Milipede’

Nanometryczna maszyna drukarska Przy pomocy „Milipede” uzyskali gęstość zapisu 500 Gbit/cm2. Dyskietka 1.4 cala pomieści 20 Tbit (200 dysków 100GB) IBM Zurich

STM

A co zrobić, gdy próbka jest nieprzewodząca A co zrobić, gdy próbka jest nieprzewodząca ? Czy neutralne atomy mogą oddziaływać ze sobą ? 1 2 p1 – chwilowy moment dipolowy atomu 1 Pole elektryczne E1 w odległości r od dipola p1 ~ p1/r3 Moment dipolowy p2 indukowany w atomie 2 przez pole E1, p2 = a2 E1 , gdzie a2 – polaryzowalność atomu 2 Energia potencjalna oddziaływania dwóch dipoli e

Potencjał van der Waalsa Część odpychająca Potencjał oddziaływania pomiędzy dwoma wzajemnie indukującymi się dipolami. Odpychanie występuje ze względu na: zakaz Pauliego (utrudnia nakładanie się orbitali elektronowych), odpychanie elektrostatyczne jąder, które przy niewielkich wzajemnych odległościach nie są już całkowicie ekranowane przez otaczające je elektrony.

Pomysłowa natura Dlaczego muchy, żuki a nawet jaszczurki potrafią chodzić po suficie szkle lub porowatych powierzchniach lekceważąc prawa grawitacji.

Pomysłowa natura

Pomysłowa natura

Pomysłowa natura Dependence of the terminal element density (NA) of the attachment pads on the body mass (m) in hairy-pad systems of diverse animal groups (log{middle dot}NA(m-2) = 13.8 + 0.699{middle dot}log{middle dot}m(kg), R = 0.919)

Pomysłowa natura

Pomysłowa natura

Pomysłowa natura

Pomysłowa natura

Jak wykorzystać siły van der Waalsa ? „Montujemy” atom na sprężystej belce Część odpychająca Energia potencjalna Odległość Badamy siłę oddziaływania atomu z powierzchnią poprzez pomiar wygięcia belki Część przyciągająca FWaalsa 10-10 N Bardzo słabe oddziaływanie Bardzo czuła detekcja

Mikroskop sił atomowych - AFM Detektory optyczne Odchylenie belki wywołane działaniem siły van der Waalsa mierzymy poprzez detekcję przy użyciu układu detektorów optycznych odbicia promienia lasera od belki Promień lasera Belka Ostrze Próbka

Ostrze mikroskopu AFM O ile przygotowanie dobrego ostrza do mikroskopu STM jest stosunkowo proste, to wykonanie dobrego ostrza do mikroskopu AFM jest bardzo trudne. Ostrze do mikroskopu AFM (tip) jest zamontowane na belce (cantilever). Wybór odpowiedniej belki oraz ostrza zależy od konkretnego zadania badawczego. STM Oddziałuje jeden atom AFM Oddziałuje wiele atomów Przykładowe ostrza do mikroskopu AFM

Jaką belkę wybrać ? Jeżeli chcemy badać morfologię powierzchni to belka, na której zamocowane jest ostrze powinna mieć stałą sprężystości znacznie mniejszą od stałej sprężystości badanej próbki. Jednak jeżeli interesuje nas pomiar stałej sprężystości próbki lub np. chcemy zbadać zjawisko tarcia w skali atomowej, to powinniśmy użyć belki o stałej sprężystości większej niż stała sprężystości badanej próbki. Belka Ostrze

Rodzaje pracy Mod kontaktowy Ostrze jest w kontakcie z powierzchnią. Mierzymy wygięcia belki w trakcie przesuwu po powierzchni Zmieniamy odległość z tak, aby wygięcie było stałe. Notujemy odległości z(x,y) Ostrze może niszczyć powierzchnię

Zmieniamy odległość z tak, aby amplituda drgań była stała Rodzaje pracy Mod bezkontaktowy Ostrze unosi się nad powierzchnią (bardzo słaba siła) Zmiana siły oddziaływania powoduje zmianę częstości rezonansowej Zmiana częstości rezonansowej powoduje zmianę amplitudy Mierzymy zmianę amplitudy drgań Zmieniamy odległość z tak, aby amplituda drgań była stała

Mikroskop sił poprzecznych (Lateral Force Microscope) -LFM Ostrze jest w kontakcie z próbką Mierzymy przechył belki przy ruchu bocznym Uzyskujemy informację np. o tarciu Mikroskop magnetyczny Ostrze jest pokryte materiałem magnetycznym Mierzymy strukturę magnetyczną próbki

Zastosowanie Izolatory, materiały organiczne, biologiczne, itp. 8x8 nm Powierzchnia kryształu KBr Po zbombardowaniu elektronami KBr M. Szymoński at al., IFUJ

M. Targosz, P. Czuba, M. Szymoński, IFUJ Żywe erytrocyty Obraz komórek krwi uzyskany w buforze fosforanowym (PBS) M. Targosz, P. Czuba, M. Szymoński, IFUJ

Animacje zjawisk powierzchniowych Rozpylanie powierzchni Ag{111} jonem Ar o energii kinetycznej 100 eV Rozpylanie powierzchni Ag{111} jonem 4 keV Ar Rozpylanie powierzchni Ag{111} jonem Ga o energii kinetycznej 15keV Rozpylanie powierzchni Ag{111} fulerenem C60 o energii kinetycznej 15keV Powstawanie krateru na powierzchni Ag{111} bombardowanej jonem C60 o energii kinetycznej 15 keV Generacja fal uderzeniowych w krysztale srebra bombardowanego fulerenem C60 o energii kinetycznej 15 KeV

Animacje zjawisk powierzchniowych Emisja molekuł benzenu z monowarstwy benzenu ułożonej w rekonstrukcji (3x3) na powierzchni Ag{111} pod wpływem bombardowania 1 keV Ar Desorpcja molekuł  benzenu z monowarstwy ułożonej w rekonstrukcji 3x3 na powierzchni Ag{111} bombardowanej jonem 4 keV Ar Emisja molekuł benzenu z warstwy organicznej o grubości 3 monowarstw osadzonych na podłożu Ag{111} bombardowanym jonami 4 keV Ar Desorpcja zestalonego kryształu Ar o temperaturze 15K pod wpływem bombardowania jonem Ar o energii 70 eV Desorpcja zestalonego kryształu Ar o temperaturze 15K pociskiem Ar o energii kinetycznej 2 keV Molekularny ludzik - emisja molekuł benzenu z powierzchni Ag{111} pokrytej warstwą benzenu w rekonstukcji 3x3 po uderzeniu pociskiem 8keV Kr

Żródła internetowe wykładu http://users.uj.edu.pl/~ufpostaw/index_pl.html Autor: dr hab. Zbigniew Postawa