SKANINGOWA MIKROSKOPIA Z ROZDZIELCZOŚCIĄ ATOMOWĄ

Prezentacja na temat: "SKANINGOWA MIKROSKOPIA Z ROZDZIELCZOŚCIĄ ATOMOWĄ"— Zapis prezentacji:

1 SKANINGOWA MIKROSKOPIA Z ROZDZIELCZOŚCIĄ ATOMOWĄ
STM Scanning Tunneling Microscopy Skaningowa mikroskopia tunelowa AFM Atomic Force Microscopy Mikroskopia siły atomowej MFM Magnetic Force Microscopy Mikroskopia siły magnetycznej

2 SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY: 1978-1982
Powierzchnia grafitu otrzymana przy użyciu skaningowego mikroskopu tunelowego Gerd Binnig Heinrich Rohrer

3 Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne
TUNELOWANIE (1) Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne Elektron może przejść przez ścianę mimo, że jego energia, z pozoru, na to nie pozwala

4 Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne
TUNELOWANIE (1) Obiekty mikroświata zachowują się inaczej niż obiekty klasyczne Elektron może przejść przez ścianę mimo, że jego energia, z pozoru, na to nie pozwala

5 TUNELOWANIE (2) V(x) d x E V0 Swobodny elektron o energii E pada z lewej strony na „barierę potencjału” o wysokości V część rzeczywista funkcji falowej ||2 duża ||2 mała Mimo małej energii elektron może przedostać się poza barierę. Prawdopodobieństwo przedostania wynosi: Zmiana szerokości d bariery może bardzo silnie zmienić natężenie prądu tunelujacych elektronów Prąd tunelowania / nA tunelowanie rozpad Szerokość bariery / nm

6 TUNELOWANIE (3) Tunelowanie może zachodzić między ostrzem a powierzchnią próbki VT - napięcie tunelowania (ok. 0.5 V) d odległość ostrze - próbka (ok. 1 nm) W - praca wyjścia elektronu (ok. 5 eV) A = eV -1/2 nm-1 Zmiana odległości próbka-ostrze może bardzo silnie zmienić natężenie prądu tunelujacych elektronów Prąd tunelowania / nA Odległość próbka ostrze / nm

7 MIKROSKOP TUNELOWY: ZASADA DZIAŁANIA

8 OSTRZE MIKROSKOPU TUNELOWEGO
Uzyskanie ostrza Promień krzywizny ostrza ok.1 nm 90 % prądu tunelowego zawiera się w obszarze 1 atomu

9 SKANER PIEZOELEKTRYCZNY
Zasada działania piezoelektryka: Elektroda Element piezoelektryczny pozwala na ruch ostrza w trzech kierunkach

10 SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY
napięcia sterujące piezoelektrykiem element piezoelektryczny: sterowanie odległością od próbki i skanowaniem wzmacniacz prądu tunelowego system kontroli odległości i skanowania opracowanie danych i wyświetlanie wyniku Próbka napięcie tunelowe mikroskop

11 PRZETWARZANIE OBRAZU STM

12 OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO
Cu

13 OBRAZ POWIERZCHNI MONOKRYSZTAŁU NIKLU

14 MANIPULOWANIE ATOMAMI
Przepływ prądu tunelowego oznacza istnienie oddziaływania między próbką, a ostrzem. Takie oddziaływanie może być zarówno przyciągające, jak i odpychające. podnoszenie atomu opuszczenie atomu

15 OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO
Żelazo na Cu (111) Żelazo na Cu (111) Różne stadia przygotowania „zagrody”

16 OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO
Sztuka manipulowania atomami, patrz:

17 OBRAZY Z MIKROSKOPU TUNELOWEGO zastosowania w biologii
Obraz (236nm x 192 nm) nici DNA poddanych liofilizacji i pokrytych przewodzącą warstwą Pt-Ir-C.

18 MIKROSKOP SIŁ ATOMOWYCH AFM
Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości mm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem. idea: 1986 Możliwość obserwacji powierzchni w powietrzu i pod cieczą Rozdzielczość: 0.01 nm

19 SIŁY MIĘDZY ATOMAMI Mod kontaktowy
Siły elektrostatyczne (przyciągające lub odpychaj.) m Siły Van der Waalsa (przyciągające ) nm Siły Coulomba (odpychające ) nm powierzchnia próbki Wysokość nad próbką Mod kontaktowy

20 Tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode) :
TRYBY PRACY AFM Tryb kontaktowy: duża rozdzielczość obrazów duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza Tryb bezkontaktowy: mniejsza rozdzielczość obrazów Tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode) : możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni) dobra zdolność rozdzielcza

21 OBRAZY Z MIKROSKOPU AFM
Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisami DNA wynosi około 4 nm.

22 MIKROSKOP SIŁ MAGNETYCZNYCH MFM
domeny magnetyczne płaska próbka magnetyczna ostrze pokryte warstwą magnetyczną droga ostrza Kontrast wynika ze zmiany pól rozproszonych wywołanych niejednorodnościami namagnesowania

23 OBRAZY Z MIKROSKOPU MFM: BITY NA NOŚNIKU MAGNETYCZNYM
Zapis bitów na nośniku magneto – optycznym TbFeCo Dysk twardy

24 MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR
L Jak to działa dL Wirujący z bardzo dużą prędkością kątową  bąk symetryczny precesuje: moment pędu L obraca się wokół kierunku równoległego do działającej siły, czyli do osi precesji. Częstość precesji zależy od siły ciężkości G rsm  N R G L m Elektron, proton, jądro atomu mają moment pędu, który jest związany z momentem magnetycznym dL B Jeśli jądro umieści się w polu magnetycznym B, to na moment magnetyczny działa moment siły, co sprawia, że jądro precesuje wokół pola B z częstością zależną od pola

25 MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2)
Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku do B (a więc też częstości precesji) są możliwe (mechanika kwantowa). L m dL 1 B Czym większy kąt, tym większa energia jądra w polu B Kąt (a więc energię) precesji można zmienić przy pomocy zmiennego pola magnetycznego (zewnętrznego promieniowania)

26 MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2)
Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku do B (a więc też częstości precesji) są możliwe (mechanika kwantowa). L B Czym większy kąt, tym większa energia jądra w polu B 2 Kąt (a więc energię) precesji można zmienić przy pomocy zmiennego pola magnetycznego (zewnętrznego promieniowania) zaabsorbowana energia częstość zmiennego pola B

27 MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY NMR (2)
Tylko niektóre kąty ustawienia L w stosunku do B (a więc też częstości precesji) są możliwe (mechanika kwantowa). L B Czym większy kąt, tym większa energia jądra w polu B 2 Kąt (a więc energię) precesji można zmienić przy pomocy zmiennego pola magnetycznego (zewnętrznego promieniowania) zaabsorbowana energia częstość zmiennego pola B

28 MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY
Po pewnym czasie  precesją kończy się: jądro przechodzi do swojego stanu podstawowego Jądro można wprowadzić w stan precesji (zwiększyć jego energię) wysyłając foton o energii E ...i moment precesuje wokół B z częstością zależną od pola i momentu magnetycznego Jądro ma moment magnetyczny. Jeśli nie jest on równoległy do zewnętrznego pola B, to jądro ma zwiększoną energię...

29 SPEKTROSKOPIA NMR Jądra o spinie ½ mają tylko 2 możliwe ustawienia względem pola magnetycznego: równoległe i antyrównoległe. Obsadzenie tych stanów jest prawie równe. Np. dla wodoru w temperaturze 25 st.C jak : Zewnętrzne pole magnetyczne jest modyfikowane przez najbliższe otoczenie elektronowe a) atomu danego jądra, b) atomów sąsiednich. Powoduje to zmiany częstości rezonansowej. Jest to tzw. przesunięcie chemiczne. Tak samo magnetyzm sąsiednich jąder zmienia rezonans. Jest to tzw. sprzężenie spin-spin. Oba efekty możliwiają zbadanie składu chemicznego i struktury chemicznej danego ciała.

30 OBRAZOWANIE NMR Jeżeli zewnętrzne pole magnetyczne jest niejednorodne (istnieje gradient pola), to częstość rezonansowa będzie zależała od współrzędnej położenia jądra w próbce. Obserwując natężenie sygnału w zależności od głebokości można uzyskać przestrzenny rozkład atomów danego pierwiastka. Stosując gradient kolejno w kierunkach osi x, y i z otrzymuje się pełny, 3-wymiarowy obraz badanego ciała. Linie pola magnetycznego Indukcja pola magnetycznego w położeniach x1 oraz x2 jest różna. Badana próbka

31 NMR W BADANIU WIĄZAŃ CHEMICZNYCH
Jądra atomowe również w związku mają momenty magnetyczne. Bez pola B te momenty ustawione są chaotycznie... ...a w obecności pola B precesują wokół kierunku pola z częstością zależną od pola i momentu magnetycznego (zależnych od otoczenia, a więc sposobu wiązania) Zmiana ustawienia momentu (a więc pomiar częstości precesji) polem możliwa jest tylko wówczas gdy zmienne pole magnetyczne będzie miało częstość równą częstości precesji chaos prec esja NMR umożliwia badanie wiązań chemicznych i położeń najbliższych atomów w stosunku do atomów wodoru

32 NMR W MEDYCYNIE Pomiarowi podlega: *ilość zaabsorbowanej energii (informacja o gęstości protonów) *wielkość energii E (informacja o częstości precesji, a więc o polu B otoczenia) *czas relaksacji  (dodatkowa informacja o otoczeniu) Wartości  i gęstość protonów różnych tkanek są różne, a zmiany chorobowe również na nie wpływają. Dzięki temu mierząc absorpcję oraz czasy relaksacji dostajemy informację o stanie tkanek i narządów organizmu Tomografia rezonansu magnetycznego (F. Bloch, E. M. Purcell nagroda Nobla 1952, P. Lauterbur 1973) rezonans w wybranej warstwie Czas namagnesowywania zależy od rodzaju tkanki Badanie nieszkodliwe

33 NMR W MEDYCYNIE Jądra wodoru w H2O=„magnesiki”
„Magnesiki” ustawiając się w polu magnetycznym wirują i emitują fale radiowe

34 NMR W MEDYCYNIE Promienie rentgena NMR