Лекционный курс «Физические основы измерений и эталоны» Раздел ИЗМЕРЕНИЯ В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ Тема ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ. СКАНИРУЮЩИЙ АТОМНО – СИЛОВОЙ МИКРОСКОП

АТОМНО - СИЛОВОЙ МИКРОСКОП ( АСМ )

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

Схема молекулы пентацена СТМ – изображение в режиме постоянного тока АСМ – изображение в бесконтактном режиме постоянной высоты АСМ и СТМ

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

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

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

КОНЕЦ ЛЕКЦИИ