opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi
DESCRIPTION
Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi. Rok Žitko Institut “J o žef Stefan”. Seminar DMFA , 3. februar 200 7. Tipalni mikroskopi – leče 21. stoletja. Zgodovina: iz česa je sestavljen svet? Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo? - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/1.jpg)
Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi
Rok Žitko
Institut “Jožef Stefan”
Seminar DMFA, 3. februar 2007
![Page 2: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/2.jpg)
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?
![Page 3: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/7.jpg)
• 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)
![Page 8: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/8.jpg)
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.
![Page 9: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/9.jpg)
21. stoletje: nanotehnologija
Nanoavtomobil, univerza Rice, ZDA.
![Page 10: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/10.jpg)
Ali lahko atome vidimo?
• Ne z optičnim mikroskopom: svetlobna dolžina 1000x večja od velikosti atoma.
![Page 11: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/11.jpg)
Field ion microscopy (FIM)
Vir: Magnetic Materials Center,
NIMS, Japonska.
Konica iz volframa
![Page 12: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/12.jpg)
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”).
![Page 13: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/14.jpg)
Sile med površinama
F. J. Giessibl, Rev. Mod. Phys. 75 952 (2003)
![Page 15: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/15.jpg)
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)
![Page 16: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/16.jpg)
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-
![Page 17: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/17.jpg)
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.
![Page 18: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/18.jpg)
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2
![Page 19: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/19.jpg)
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2
![Page 20: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/20.jpg)
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
![Page 21: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/21.jpg)
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
![Page 22: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/22.jpg)
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
![Page 23: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/23.jpg)
Tunelski pojav
Kristal 1 Kristal 2e-
L
![Page 24: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/25.jpg)
Vrstični tunelski mikroskop
Heinrich Rohrer, Gerd Binnig
Nobelova nagrada leta 1986 za “izdelavo vrstičnega tunelskega mikroskopa”.
Prvi tunelski mikroskop (1981)
![Page 26: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/28.jpg)
Površina bakra Cu(211), T=7 K (2006)
Zoom
![Page 29: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/29.jpg)
Spontano premikanje molekul pri 25 K
Molekule CO na površini bakra
![Page 30: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/31.jpg)
Kako posnamemo sliko?
+Y
-Y
+X
-X
![Page 32: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/32.jpg)
Kako posnamemo sliko?Y
X
Stm_ccm.swf
![Page 33: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/33.jpg)
Kako izrišemo sliko?
Vir: IBM Almaden, http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html
![Page 34: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/34.jpg)
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).
![Page 35: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/35.jpg)
Vir: Kai-Felix Braun,Freie Universität Berlin,disertacija.
![Page 36: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/36.jpg)
N. Nilius, T. M. Wallis, W. Ho: Development of One-dimensional Band Structure in Artificial Gold Chains, Science 297 1853 (2002).
![Page 37: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/37.jpg)
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
![Page 38: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/39.jpg)
Tipala za AFM
Vir: Nanosensors AG, Švica
![Page 40: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/40.jpg)
Atomska ločljivost pri AFM
F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000).
Si(111)-7x7
![Page 41: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/41.jpg)
F. J. Giessibl et al., Science 289 422 (2000)F. J. Giessibl, C. F. Quate, Physics Today, Dec. 2006.
![Page 42: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/42.jpg)
Druge vrste tipalnih mikroskopov
• magnetic force microscope (magnetne lastnosti)
• lateral force microscope (trenje)
• electric force microscopy (naboj)
• magnetic resonance force microscopy (spin)
• ...
![Page 43: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/43.jpg)
Nizkotemperaturni STM na IJS
![Page 44: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/44.jpg)
Besockejeva merilna glava ali “čmrlj”
![Page 45: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/45.jpg)
Erik Zupanič
Albert Prodan
Herman van Midden
Igor Muševič
Ivan Kvasič
Rok Žitko
Odsek F5, IJS
![Page 46: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/46.jpg)
Tipalni mikroskopi na IJS
Igor Muševič, Miha Škarabot, F5
- tekoči kristali
- plastni materiali
- biološki vzorci
Multimode AFM Nanoscope III, DI
![Page 47: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/47.jpg)
Tipalni mikroskopi na IJS
Veeco Dimension 3000
D. Mihailovič, Marko Uplaznik, odsek F7
- nanožice
- nanosenzorji
- hibridni nanočipi
![Page 48: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/48.jpg)
Tipalni mikroskopi na IJS
• Omicron STM/AFM (M. Remškar, F5)
• NT-MDT (J. Kovač, F4)
![Page 49: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/49.jpg)
Povzetek
• Vidimo lahko posamezne atome na površinah.
• Preučujemo lahko sile med dvema atomoma, torej kemijske vezi.
• Atome lahko premikamo.
![Page 50: Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022061605/568145b2550346895db2b7e6/html5/thumbnails/50.jpg)
Fotografija: Warren Nagourney, Univerza v Washingtonu (2000)