opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi
Post on 12-Jan-2016
94 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi
Rok Žitko
Institut “Jožef Stefan”
Seminar DMFA, 3. februar 2007
Tipalni mikroskopi – leče 21. stoletja
• Zgodovina: iz česa je sestavljen svet?
• Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo?
• Ali lahko vidimo atome?– Vrstični tunelski mikroskop (STM)– Mikroskop na atomsko silo (AFM)
• Kaj raziskujemo s tipalnimi mikroskopi v Sloveniji?
Grški atomizem
Demokrit (460-370 pr. n. št.)
Levkip (5. st. pr. n. št.)
Arhaična ideja atoma, filozofski koncept
• Atom:
• majhen
• nedeljiv
• končne velikosti
• večen
• Praznina
• Nujnost
Renesansa in obuditev atomizma
• Galileo Galilei (1564-1642): z eksperimenti zavrže Aristotelovo fiziko.
• René Descartes (1596-1650): vse kar je fizičnega v vesolju, je narejeno iz majhnih drobcev.
• Robert Boyle (1627-1691): prvi sodobni kemik.
• elementi, spojine, zmesi
• delci različnih velikosti in oblik
Sodobni atomizem• Isaac Newton (1643-1727): končno veliki
trdi delci z maso, zanje veljajo Newtonovi zakoni
• Ruđer Josip Bošković (1711-1787): prva matematična teorija atomov
• John Dalton (1766-1844): zakon o stalnih razmerjih, sodobni koncept atoma
Daltonova atomska teorija
• Elementi sestavljeni iz atomov
• Vsi atomi danega elementa so enaki
• Atomi danega elementa so različni od atomov drugega elementa
• Atomi se sestavljajo v spojine
• Atomov ne moremo ustvariti, razdeliti v manjše dele ali uničiti; lahko se le preuredijo
• Avogadro (1776-1856): Avogadrov zakon, razjasni pojem molekule.
• James Clark Maxwell (1831-1879): statistična mehanika - kinetična teorija plinov, Maxwellova porazdelitev.
“Atom je telo, ki ga ni moč razdeliti na dva dela. Molekula je najmanjši možni sestavni del neke spojine. Nihče še ni videl, niti rokoval s posamezno molekulo.” (J. C. Maxwell, Nature, sep. 1873)
20. stoletje
• Albert Einstein (1879-1955): teorija Brownovega gibanja.
• Jean Perrin (1870-1942): Nobelova nagrada leta 1926 za “delo na nezvezni strukturi snovi, in še posebej za odkritje sedimentacijskega ravnovesja”.
Konec stoletje trajajočega akademskega prepira o atomski teoriji: molekule res obstajajo.
21. stoletje: nanotehnologija
Nanoavtomobil, univerza Rice, ZDA.
Ali lahko atome vidimo?
• Ne z optičnim mikroskopom: svetlobna dolžina 1000x večja od velikosti atoma.
Field ion microscopy (FIM)
Vir: Magnetic Materials Center,
NIMS, Japonska.
Konica iz volframa
Vrstični tipalni mikroskop(Scanning probe microscope, SPM)
• Vrstični tunelski mikroskop(Scanning tunneling microscope, STM)
• Mikroskop na atomsko silo(Atomic force microscope, AFM)
Mikroskop, ki sliko površine določi s fizičnim tipalom, ki potuje po vzorcu vrstico za vrstico (“skenira”).
Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno
medsebojno razdaljo?
• Sile med površinama– privlačna van der Waalsova– kemijska vezava (kovalentna vez)– odbojna sila ob mehanskem kontaktu
• Tunelski pojav in električni tok med kosoma snovi
Sile med površinama
F. J. Giessibl, Rev. Mod. Phys. 75 952 (2003)
Sile med površinama: van der Waalsova sila
Jacob Israelachvili, “Intermolecular & Surface Forces”, 2. izdaja, Academic Press (1997)
0
20
-20
-10
10
F (
nN)
0 1 20,5 1,5
D (nm)
Sile med površinama: sile kemijske vezave
0
20
-20
-10
10
F (
nN)
0 1 20,5 1,5
D (nm)
Tvorba kemijske vezi med najbolj izpostavljenima atomoma:
• kovalentna vez
• kratek doseg
• močno anizotropna
• (ionska vez)
kratek doseg!
e-
Tunelski pojav• Elektroni se obnašajo kot valovanje in/ali
kot delci (dualnost) → valovni paketi.
• Valovanje lahko prodre skozi tanko oviro, v katero klasični delec ne bi mogel vstopiti.Rečemo, da tunelira skozi prepovedano območje.
• Neposredna posledica zakonov kvantne fizike, nima analogije v klasični mehaniki.
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
L
Leo Esaki Ivar Giaever
1/2 Nobelove nagrade leta 1973 za “eksperimentalna odkritja o tunelskem pojavu v polprevodnikih oziroma v superprevodnikih”.
1/2 Nobelove nagrade za “teoretično napoved lastnosti supertokov skozi tunelsko pregrado, oziroma bolj natančno za tiste pojave, ki so v splošnem znani kot Josephsonov pojav”.
Brian David Josephson
Vrstični tunelski mikroskop
Heinrich Rohrer, Gerd Binnig
Nobelova nagrada leta 1986 za “izdelavo vrstičnega tunelskega mikroskopa”.
Prvi tunelski mikroskop (1981)
G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel“7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space”Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
Vir: IBM Zürich
Si(111)-7x7
Atomska ločljivost na bakru pri T=25 K (2005)
Pod površino sonapake v kristalu.
Površina bakra Cu(111)
Odsek F5, IJS9,2 nm
0,255 nm
Površina bakra Cu(211), T=7 K (2006)
Zoom
Spontano premikanje molekul pri 25 K
Molekule CO na površini bakra
z (razdalja med povr inama)š
I (tunelski tok)
atomskimehanski
stik
~10 Am
~1 nA
~1 pA
običajnitok priSTM
mejamerljivih
tokovpri STM
~2-3Å~10Å
Kako posnamemo sliko?
+Y
-Y
+X
-X
Kako posnamemo sliko?Y
X
Stm_ccm.swf
Kako izrišemo sliko?
Vir: IBM Almaden, http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html
Premikanje atomov
Atomi ksenona na površini kristala niklja
D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, 524-526 (1990).
Vir: Kai-Felix Braun,Freie Universität Berlin,disertacija.
N. Nilius, T. M. Wallis, W. Ho: Development of One-dimensional Band Structure in Artificial Gold Chains, Science 297 1853 (2002).
Kemijske reakcije s posameznimi molekulami
Saw-Wai Hla et al. Phys. Rev. Lett. 85 2777 (2000)
Ullmanova reakcija
2 C6H5I
C6H5-C6H5
Cu
benzen
bifenil
G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber“Atomic Force Microscope”Phys. Rev. Lett. 56, 930 - 933 (1986)
Mikroskop na atomsko silo
Cfc.swf
Calvin Quate
Christoph Gerber
Ročica
Tipalo
Vzorec
"Skener"
Laserski žarek
Tipala za AFM
Vir: Nanosensors AG, Švica
Atomska ločljivost pri AFM
F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000).
Si(111)-7x7
F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000)F. J. Giessibl, C. F. Quate, Physics Today, Dec. 2006.
Druge vrste tipalnih mikroskopov
• magnetic force microscope (magnetne lastnosti)
• lateral force microscope (trenje)
• electric force microscopy (naboj)
• magnetic resonance force microscopy (spin)
• ...
Nizkotemperaturni STM na IJS
Besockejeva merilna glava ali “čmrlj”
Erik Zupanič
Albert Prodan
Herman van Midden
Igor Muševič
Ivan Kvasič
Rok Žitko
Odsek F5, IJS
Tipalni mikroskopi na IJS
Igor Muševič, Miha Škarabot, F5
- tekoči kristali
- plastni materiali
- biološki vzorci
Multimode AFM Nanoscope III, DI
Tipalni mikroskopi na IJS
Veeco Dimension 3000
D. Mihailovič, Marko Uplaznik, odsek F7
- nanožice
- nanosenzorji
- hibridni nanočipi
Tipalni mikroskopi na IJS
• Omicron STM/AFM (M. Remškar, F5)
• NT-MDT (J. Kovač, F4)
Povzetek
• Vidimo lahko posamezne atome na površinah.
• Preučujemo lahko sile med dvema atomoma, torej kemijske vezi.
• Atome lahko premikamo.
Fotografija: Warren Nagourney, Univerza v Washingtonu (2000)
top related