Лекционный курс «Физические основы измерений» Раздел ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Тема ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ. 3. АТОМНО - СИЛОВОЙ МИКРОСКОП

G. Binnig, Ch. Gerber and C.F. Quate, Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986) Первый атомно – силовой микроскоп

Современный атомно – силовой микроскоп

Потенциальная энергия взаимодействия атомов ( взаимодействие ван-дер-Ваальса ) Отталкивание атомов из-за перекрывания электронных оболочек Притяжение атомов обусловлено наличием индуцированных диполей Атомно – силовой микроскоп

Взаимодействие ван-дер-Ваальса Энергия взаимодействия + - Радиус Ван-дер-Ваальса rvrv Расстояние между центрами атомов Перекрывание оболочек (кулоновское отталкивание одноименных зарядов) Межатомное притяжение (дисперсионное взаимодействие индуцированных диполей) Суммарная энергия

Дипольный момент (вектор) : +- Энергия взаимодействия диполь-диполь : Если 1 и 2 параллельны: Если 1 и 2 коллинеарны: Взаимодействия электрических диполей

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.

Энергия притяжения за счет дисперсионного взаимодействия (модель Лондона) : I … энергия ионизации 1, 2 поляризуемости атомов Энергия отталкивания электронных облаков: Если r мало : m = С учетом обоих эффектов – потенциал ван дер Ваальса : Для m = 12 – известный потенциал Леннарда – Джонса : Взаимодействия ван-дер-Ваальса

Атомно – силовой микроскоп Потенциальная энергия взаимодействия атомов Потенциал Леннарда-Джонса Первое слагаемое – дальнодействующее «диполь – дипольное» притяжение. Второе слагаемое – «обменное» отталкивание на малых расстояниях. r o – равновесное расстояние между атомами, U 0 - значение энергии в минимуме.

Атомно – силовой микроскоп ЗОНД ПОВЕРХНОСТЬ Сила F отталкивание расстояние Контактный режим Бесконтактный режим притяжение Режим «постукивания» (полуконтактный) (прерывисто – контактный)

Расстояние от зонда до поверхности – единицы ангстрем Высокое разрешение Опасность повреждения поверхности Контактный режим Бесконтактный режим Режим «постукивания» Режим «постукивания» Атомно – силовой микроскоп 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

Сходство с механическим профилометром Оптическая система измеряет отклонения зонда, сканирующего поверхность Между атомами зонда и образца действуют силы – Н (при зазоре 1 Å ). Атомно-силовой микроскоп

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

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 СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА Молекулы на зонде взаимодействуют с отдельными частями молекул на образце

Изображение в АСМ без химической обработки зонда На зонде – фрагменты –COOH На зонде – фрагменты –CH 3

Использование атомно – силового микроскопа в качестве производственного оборудования нанотехнологий

Молекулы в «нанотекст» поступают с поверхности зонда через мениск жидкости, образующейся из паров в окружающей атмосфере Нано-перо Направление записи Водный мениск Поступление молекул «чернил» ЗОНД

Нано-перо

Линии толщиной 10 нм образуют слова на кремниевой подложке. В качестве зонда АСМ использовалась углеродная нанотрубка Нано-перо

Использование АСМ для рассечения хромосомы человека с целью выделения конкретного гена Нано-скальпель

Рассечение клеток растения для выделения молекул одного из белков Нано-скальпель

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 нанокластерами Катализатор с нанопорами

Funding Schlumberger Oilfield Chemical Products Northwestern University The Alfred P. Sloan Foundation Исследования закономерностей адсорбции ПАВ на пластовых породах Средние коэффициенты извлечения нефти составляют от 20% до 40% Эффективный метод повышения нефтеотдачи >60% – гидроразрыв пласта жидкостями, содержащими ПАВ. Taken from: Armstrong, K. et al. Advanced Fracturing Fluids Improve Well Economics Oilfield Review, Autumn Well Bore Well Bore

Важные вопросы о поведении ПАВ в пласте Происходит ли захват ПАВ в порах песчаника? При каких условиях образуются монослойные покрытия? Двуслойные? Многослойные? СЭМ - изображение пластовой породы: Пора Кварцевая песчинка

Поведение молекул ПАВ на поверхности кварца Taken from: Velegol et al. Langmuir 2000, 16, АСМ – изображения различных структур адсорбированных слоев ПАВ Кварц Строение молекулы ПАВ