Файл в формате PPT (4,2 МB)
реклама
Лекционный курс «Физические основы измерений и эталоны» Раздел ИЗМЕРЕНИЯ В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ Тема ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ. СКАНИРУЮЩИЙ АТОМНО – СИЛОВОЙ МИКРОСКОП АТОМНО - СИЛОВОЙ МИКРОСКОП ( АСМ ) Первый атомно – силовой микроскоп G. Binnig, Ch. Gerber and C.F. Quate, Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986) Современный атомно – силовой микроскоп Атомно – силовой микроскоп Потенциальная энергия взаимодействия атомов ( взаимодействие ван-дер-Ваальса ) Отталкивание атомов из-за перекрывания электронных оболочек Притяжение атомов обусловлено наличием индуцированных диполей Энергия взаимодействия Взаимодействие ван-дер-Ваальса + Радиус Ван-дер-Ваальса Перекрывание оболочек (кулоновское отталкивание одноименных зарядов) Суммарная энергия - rv Расстояние между центрами атомов Межатомное притяжение (дисперсионное взаимодействие индуцированных диполей) Взаимодействия электрических диполей + l - Дипольный момент (вектор) : Энергия взаимодействия диполь-диполь : Vdd 1 2 Dr 3 31 r 2 r Если 1 и 2 Dr r 5 1 параллельны: Если 1 и 2 коллинеарны: 1 ql 1 Vdd 2 2 2 1 2 Dr Vdd 2 3 1 2 Dr 3 Индуцированные диполи в атомах ( дисперсионное взаимодействие ) Флуктуация электронной плотности в одном атоме (образование мгновенного диполя) вызывает соответствующее смещение зарядов и в другом атоме (образование мгновенного индуцированного диполя ). Дипольные моменты – коллинеарны. Следствие - взаимное притяжение атомов. Взаимодействия ван-дер-Ваальса Энергия притяжения за счет дисперсионного взаимодействия (модель Лондона) : Энергия отталкивания электронных облаков: VL VR 3I1 2 I … энергия ионизации 4r 6 1, 2 поляризуемости атомов k rm Если r мало : m = 5 - 12 С учетом обоих эффектов – потенциал ван дер Ваальса : Для m = 12 – известный потенциал Леннарда – Джонса : VvdW VvdW A B 6 m r r A B 6 12 r r Атомно – силовой микроскоп Потенциальная энергия взаимодействия атомов Потенциал Леннарда-Джонса Первое слагаемое – дальнодействующее «диполь – дипольное» притяжение. Второе слагаемое – «обменное» отталкивание на малых расстояниях. ro – равновесное расстояние между атомами, U0 - значение энергии в минимуме. Атомно – силовой микроскоп Сила F отталкивание ЗОНД Контактный режим расстояние Режим «постукивания» (полуконтактный) (прерывисто – контактный) притяжение ПОВЕРХНОСТЬ Бесконтактный режим Атомно – силовой микроскоп Бесконтактный режим Контактный режим Расстояние от зонда до поверхности – единицы ангстрем Высокое разрешение Опасность повреждения поверхности Режим «постукивания» Расстояние от зонда до поверхности – сотни ангстрем Низкое разрешение Отсутствуют повреждения поверхности Расстояние от зонда до поверхности – десятки ангстрем Хорошее разрешение Отсутствуют повреждения поверхности Атомно – силовой микроскоп С помощью трехкоординатного пьезоэлектрического привода перемещают ОБРАЗЕЦ относительно зонда Атомно – силовой микроскоп Силу оценивают по величине изгиба упругой консоли – кантилевера (cantilever), на конце которой расположен зонд Изгиб обычно измеряют, регистрируя отклонение лазерного луча, отраженного от консоли Атомно-силовой микроскоп Сходство с механическим профилометром Оптическая система измеряет отклонения зонда, сканирующего поверхность Между атомами зонда и образца действуют силы 10-11 – 10-6 Н (при зазоре 1 Å ). Зонд атомно – силового микроскопа из углеродных нанотрубок Атомно-силовой микроскоп Различные формы кантилеверов Зонд на треугольной консоли Зонд на прямоугольной консоли Атомно-силовой микроскоп Новые консоли с флексоэлектрическими свойствами (2006 – 2008 гг) Флексоэлектрический эффект – появление электрического напряжения при сгибании и кручении пьезоэлектрика Флексоэлектрический эффект хорошо проявляет себя в нанокантилеверах из пьезокерамик – прямоугольных консолях толщиной в пределах 20–23 нм. Отсутствует необходимость в использовании лазеров Получение изображений с помощью атомно – силового микроскопа АСМ и СТМ Схема молекулы пентацена СТМ – изображение в режиме постоянного тока АСМ – изображение в бесконтактном режиме постоянной высоты Атомная структура поверхности диэлектрического материала Расположение атомов на поверхности углеродных нанотрубок Молекулы белков Костные клетки Изображение единичного элемента записи диска DVD размером около 200x400 нм Обнаружение отдельных частей молекул в атомно-силовом микроскопе Позолоченный зонд подвергают химической обработке Молекулы на зонде взаимодействуют с отдельными частями молекул на образце СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА Изображение в АСМ без химической обработки зонда На зонде – фрагменты –CH3 На зонде – фрагменты –COOH Магнито-силовая микроскопия (СТМ-зонд с магнитным покрытием) Участок магнито-оптического диска размером 5х5 мкм Рельеф поверхности Магнитная структура поверхности Сканирующая резистивная микроскопия АСМ в контактном режиме с одновременным измерением тока через зонд Изображения отдельных дислокационных дефектов на поверхности графита Рельеф поверхности Распределение тока по поверхности Использование атомно – силового микроскопа в качестве производственного оборудования нанотехнологий Нано-перо Молекулы в «нанотекст» поступают с поверхности зонда через мениск жидкости, образующейся из паров в окружающей атмосфере ЗОНД Поступление молекул «чернил» Направление записи Водный мениск Нано-перо Нано-перо Линии толщиной 10 нм образуют слова на кремниевой подложке. В качестве зонда АСМ использовалась углеродная нанотрубка Нано-перо Нано-скальпель Использование АСМ для рассечения хромосомы человека с целью выделения конкретного гена Нано-скальпель Рассечение клеток растения для выделения молекул одного из белков Нано-манипулятор Перемещение нанотрубки по поверхности микросхемы Нано-манипулятор Перемещение атомов железа на поверхности меди Сборка «невозможных» молекул из отдельных деталей Эта молекула, из 18 атомов цезия и 18 атомов йода была собрана путем последовательного присоединения отдельных атомов в атомно-силовом микроскопе АСМ для нефтегазового производства С помощью наноструктурных катализаторов выход бензина при переработке нефти был увеличен на 50% Катализатор с нанопорами Катализатор с нанокластерами Исследования закономерностей адсорбции ПАВ на пластовых породах Funding Schlumberger Oilfield Chemical Products Northwestern University The Alfred P. Sloan Foundation Средние коэффициенты извлечения нефти составляют от 20% до 40% Эффективный метод повышения нефтеотдачи >60% – гидроразрыв пласта жидкостями, содержащими ПАВ. . Well Bore Well Bore Taken from: Armstrong, K. et al. “Advanced Fracturing Fluids Improve Well Economics” Oilfield Review, Autumn 1995. Важные вопросы о поведении ПАВ в пласте СЭМ - изображение пластовой породы: Кварцевая песчинка Пора Происходит ли захват ПАВ в порах песчаника? При каких условиях образуются монослойные покрытия? Двуслойные? Многослойные? Поведение молекул ПАВ на поверхности кварца H3C + CH3 Строение молекулы ПАВ + + + + + + + + + Кварц + + + Кварц Br + + + N CH3 + + + + + + + + + + + + + + + + + Кварц + + + + + + + + + + + Кварц АСМ – изображения различных структур адсорбированных слоев ПАВ Taken from: Velegol et al. Langmuir 2000, 16, 2548. Š КОНЕЦ ЛЕКЦИИ
