Nanosystemy informatyki podpatrywanie „nano” Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej Nanosystemy informatyki podpatrywanie „nano” Nowak Sławomir

Podpatrywanie nano… Bez zdolności „patrzenia” na obiekty w nanoskali, uzyskanie znaczących postępów w nanotechnologii byłoby bardzo trudne. Temu celowi służą różne techniki mikroskopowe, spektroskopowe i dyfrakcyjne, dzieki którym możliwy jest szeroki wgląd w strukturę materii.

Podpatrywanie nano… Podglądanie “nano” jest realizowane na wiele sposobów, bo oczywiście normalne, „nieuzbrojone” oko nie dostrzega struktur mniejszych niż 100 µm. Aby więc „zobaczyć” stosuje się przeróżne instrumenty i techniki przetwarzania i filtrowania, w zależności co chcemy zobaczyć i jak to „coś” jest zbudowane”.

Techniki mikroskopowe Mikroskopu wykorzystują powiększanie do wytworzenia obrazu. Jako obraz nie rozumie się często tego, co normalnie widzą oczy, często są to różne rodzaje „sond”, wykorzystujących oddziaływania fizyczne, tworzące wzór, który zależy od położenia. Stanowi on podstawę do wytworzenia OBRAZU. Te oddziaływania to mogą bardzo „fizyczne” przy wykorzystaniu dźwigni lub igieł, wiązki promieni elektronowych, czy też coś zupełnie jeszcze innego.

Mikroskopy optyczne Wykorzystują strumień światła skupiony na badanej próbce. Odbite światło jest następnie skupione na soczewce i powiększane. Rozdzielczość mikroskopów optycznych może osiągać 200[nm]. Mikroskopy takie są stosunkowo niedrogie, mają niewielkie rozmiary i są łatwe w obsłudze.

Elektronowe Mikroskopy Transmisyjne (TEM) Elektrony ze źródła są kierowane do bardzo cienkiej próbki, praktycznie przezroczystej dla wysokoenergetycznych elektronów (100-300keV). Strumień takich elektronów jest skupiany w soczewce elektromagnetycznej i przesyłany na ekran fluorescencyjny lub obiektyw kamery aby można go było obserwować. Osiągana rozdzielczość może być rzędu 0.1[nm] dla najlepszych i najdroższych urządzeń tego typu. Warunkiem jest wspomniana „cienkość” próbek, typowo około 200[nm], a cały system musi pracować w warunkach wysokiej próżni, co ogranicza zakres zastosowań. Dzięki tym urządzeniom możliwe jest jednak obserwowanie struktur rzędu pojedynczych atomów).

Elektronowe Mikroskopy Transmisyjne (TEM)

Elektronowe Mikroskopy Transmisyjne (TEM) Obraz atomów węgla uzyskanych za pomocą TEM

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) Skupiony strumień elektronów “omiata” próbkę, następnie wykrywane są elektrony odbite od powierzchni. Wykrywany jest prąd „odbity”, który generuje obraz w zależności od pozycji strumienia elektronów w próbce. Rozdzielczość może osiągać 5[nm], lecz próbki mogą być znacznie większe niż w TEM, gdyż prąd nie przenika przez próbkę.

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM)

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) Przykładowy obraz z SEM – muszka owocówka.

Mikroskopy skaningowe (SPM) SPM – przełom w nanotechnologii Dziecinnie prosta idea – „macanie próbek”

Mikroskopy skaningowe (SPM) SPM – przełom w nanotechnologii Dziecinnie prosta idea – „macanie próbek” Ponad próbką przesuwana jest bardzo cienka sonda, mikroskop rejestruje oddziaływanie pomiędzy sondą a próbką. Typowymi przykładami SPM są: AFM, STM i SNOM:

Mikroskop sił atomowych (AFM) Atomowych rozmiarów igła jest zamocowana na dźwigni i przesuwana po próbce. Jeśli igła ulega odkształceniu, strumień lesera ulega odbiciu od odkształconej w ten sposób dźwigni i odbicie to jest rejestrowane i mierzone w foto-detektorze. Za pomocą AFM można mierzyć zarówno kształt powierzchni próbki, jak też siłę oddziaływań atomowych. Rozdzielczość AFM sięga 1[nm] a próbki mogą mieć stosunkowo dowolny charakter (mogą być mokre, suche, przewodzące lub być izolatorami).

Dlaczego Szwajcaria jest liderem w dziedzinie mikroskopów skaningowych?

Mikroskop sił atomowych (AFM)

Mikroskop sił atomowych (AFM) Pierwszy AFM

Mikroskop sił atomowych (AFM) Obrazy uzyskane przez AFM dla różnych próbek.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) Atomowych rozmiarów igła jest przesuwana w niewielkiej (rzędu atomów) odległości ponad próbką. Pomiędzy igłą a próbką przyłożone jest napięcie, które powoduje przepływ prądu tunelowego (dla odpowiednio małej odległości). (rzędu [pA] dla 1[V]). Prąd ten jest następnie mierzony I wykorzystywany do wygenerowania obrazu. Obrazy uzyskane z STM potrafią być bardzo spektakularne i są rzędu pojedynczych atomów. Próbka musi być jednak przewodnikiem prądu*). *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Zasada działania STM

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Pierwszy STM, opracowany w laboratoriach IBM

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Przykładowy obraz z STM

Optyczne mikroskopy tunelowe (SNOM) Podobnie jak w przypadku przewodników elektrycznych możliwe jest mierzenie prądu tunelowego, tak w materiałach przewodzących światło występuje zjawisko tunelowania optycznego. SNOM wykorzystuje spolaryzowana, wąską wiązkę światła, generowaną przez sondę, do mierzenia zmian pola elektromagnetycznego przy przesuwaniu sondy. Uzyskane rozdzielczości są znacząco niższe niż wynikające z długości fali światła, co stanowiło ograniczenie mikroskopów optycznych. *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Optyczne mikroskopy tunelowe (SNOM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Zasada działania SNOM

Optyczne mikroskopy tunelowe (SNOM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Obraz uzyskany w wyniku przetworzenia danych ze SNOM

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) The Field Emission Microscope (FEM), Field Ion Microscope (FIM) i Atom Probe Tomograph (APT) są przykładami mikroskopów, w których jony wzbudzane są przez próbkę w kształcie igły i wykrywana następnie przez detektor. Najnowszym przykładem jest Atom-Probe Tomograph (APT), który umożliwia trzywymiarową obserwację atom po atomie (z identyfikacją chemicznych składników) z rozdzielczością mniejszą niż 1[nm].

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) Zasada działania PPM

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) Przykładowy obraz z PPM (cień obiektu badanego, obraz przetworzony matematycznie)

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) Aby uzyskać sub-nanometrową rozdzielczość potrzebne jest odpowiednio małe źródło emisji, także o rozmiarach sub-nanometrowych. Technika PPM daje potencjalne możliwości dalszego rozwoju, podczas gdy SPM osiągnęły już właściwie granice swoich możliwości.

Inne metody podglądania „nano” obejmują m. in Inne metody podglądania „nano” obejmują m.in. spektroskopię, dyfrakcję i inne.

Spektroskopia Nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek. Spektrometry są to urządzenia pokazujące jak promieniowanie oddziałuje na próbkę. Wyniki interpretuje się jako funkcje energii i długości fali tego promieniowania. Spektroskopia służy raczej badaniu składu chemicznego substancji niż ich struktury.

Spektroskopia

Dyfrakcja Wykorzystuje fale elektromagnetyczne do obserwacji rozproszonej wiązki tego promieniowania przy przechodzeniu przez obiekt. Dzięki tej metodzie można obserwować np. uporządkowania atomów w próbce. W świetle widzialnym dyfrakcję na warstwach można obserwować jako rozproszenie światła białego na powierzchni płyty CD, które rozdziela się na poszczególne barwy na granicach poszczególnych ścieżek.

Podsumowanie Mamy coraz szersze możliwości podglądania świata „nano”. Wymienione techniki nie wyczerpują wszystkich technologii oraz koncepcji. Są też techniki hybrydowe. Wyniki często dalekie są od tego co uważamy za „obraz”. Obrazy często tworzone są po złożonej, matematycznej obróbce wyników obserwacji.