ARANY VÉKONYRÉTEG ELEKTRÓDOK

Átírás

1 Budapesti Műszaki- és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikai Technológia Tanszék ARANY VÉKONYRÉTEG ELEKTRÓDOK FELÜLETÉNEK MINŐSÍTÉSE ELEKTROKÉMIAI ÉS ATOMERŐ MIKROSZKÓPIÁS (AFM) ELJÁRÁSOKKAL -Diplomaterv- Bonyár Attila Konzulens: Dr. Sántha Hunor Adjunktus, Elektronikai Technológia Tanszék december, Budapest

2 Kivonat Munkám célja az elektrokémiai elvű bioérzékelőkben munkaelektródként elterjedten használt arany vékonyrétegek felületi tulajdonságainak vizsgálata elektrokémiai és atomerő mikroszkópiás (AFM-es) eljárásokkal. Ennek kapcsán első lépésként megterveztem, legyártottam és minősítettem egy 3D RPT (Rapid Prototyping Technology) alapú elektrokémiai mérőcellát, amely kiküszöböl elektrokémiai méréseknél gyakran jelentkező problémákat (pl. elektrolit párolgás, változó effektív munkaelektród felület) és így garantálja az elektrokémiai mérések szükséges precizitását. Második lépésként bevezettem egy lokalizációs faktornak nevezett mennyiséget a vékonyréteg felületekről kontakt üzemmódban készült AFM-es képek strukturáltságának számszerű kiértékeléséhez. Ez az új felületjellemző paraméter a magasságpontok spektrális eloszlását is figyelembe veszi, így új információt szolgáltathat a vékonyrétegek felületéről az elterjedten használt, pontátlag jellegű felületi érdességet jellemző paraméterekkel szemben (pl. R a, R RMS ). AFM-es és elektrokémiai méréssorozatokkal vizsgáltam négy eltérő technológiával előállított vékonyréteg esetén a lokalizációs faktor, ill. egyéb felületjellemző paraméterek és a vékonyrétegekből fabrikált elektródok elektrokémiai viselkedésének korrelációját. Megállapítottam, hogy az általam vizsgált vékonyrétegek esetén az 1 µm µm 2 tartományon készített AFM-es képek esetén a lokalizációs faktor paraméter a többi vizsgált felületjellemző mennyiségnél jobban korrelál a vékonyrétegek elektrokémiai viselkedésével

3 Abstract Electrochemical biosensor devices often utilize gold thin films as working electrodes. The aim of my work is to characterize the surface properties of different gold thin films with electrochemical and atomic force microscopy (AFM) methods. In the first step I designed, fabricated and qualified a novel electrochemical measurement platform based on 3D RPT (Rapid Prototyping Technology) printing. The new platform enables precision electrochemical measurements by eliminating frequent problems causing deviations such as the electrolyte evaporation and the varying active electrode areas. For the quantitative structural evaluation of contact mode AFM pictures obtained on gold thin film surfaces I introduced a new parameter called localization factor. This new value takes into account the spectral distribution of the height points, thus it yields new information from the surface structure compared to other widespread parameters based on averaging the height points (e.g. R a, R RMS ). I examined the correlation between the surface parameters (roughness and localization factor) obtained on AFM pictures and the electrochemical behavior of the electrodes fabricated from four technologically different thin films. The results suggest that in the case of the examined thin films the localization factor shows a higher correlation with the electrochemical behavior than the other surface roughness parameters in the 1 µm µm 2 scan range

4 Tartalomjegyzék Kivonat Abstract Tartalomjegyzék Bevezetés Témafelvetés és célkitűzés Szakirodalmi áttekintés Elektrokémiai módszerek Az elektrokémiai mérőcella Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia Ciklikus Voltammetria A felületi érdesség elektrokémiai jellemzése A CPE jelenség Az aktív elektródfelület meghatározása A felületi érdesség AFM-es jellemzése A lokalizációs faktor bevezetése A 3D RPT technológia és alkalmazása Kísérleti eszközözök és módszerek Felhasznált anyagok Mintaelőkészítés Elektrokémiai eljárások AFM-es eljárások D nyomtatás Kísérleti eredmények és értékelésük Az elektrokémiai mérőplatform AFM A lokalizációs faktor meghatározása Az egyes felületjellemző paraméterek összevetése Elektrokémia Korrelációvizsgálat Konklúzió és további munka Összefoglalás Köszönetnyilvánítás Rövidítések jegyzéke Ábrajegyzék Hivatkozások listája Függelék

5 1. Bevezetés Napjainkban egyre fokozódik a tudományos és ipari érdeklődés a bioérzékelők iránt ben a bioérzékelők világpiaca kb. 11 milliárd USD forgalmat bonyolított [1], miközben 2010-re az évente megjelenő bírált szakfolyóirat cikkek száma a több ezres nagyságrendet is meghaladja a témakörben [2]. A definíció szerint biológiailag aktív anyagokat alkalmazó érzékelők alkalmazási területe igen szerteágazó. Az enzimeket alkalmazó katalitikus elvű bioérzékelők legnevesebb képviselői a vércukor érzékelők, melyek glükóz-oxidáz enzimet alkalmazva a cukor kémiai bontásán keresztül valósítanak meg cukorkoncentráció mérést. A piacon kapható kézi vércukormérők sokasága ma már mindössze egy csepp vérrel üzemel, így kínál gyors és fájdalommentes diagnosztikai lehetőséget a cukorbetegek számára. A véranalízis egy csepp vérből elv ma már potenciálisan kiterjeszthető lenne más véralkotókra is. Ma több világszerte folyó kutatás célja olyan hordozható kézi diagnosztikai berendezések fejlesztése, amelyek ezt az elvet alkalmazva a jövőben kiválthatnák a drága és időigényes laboratóriumi vérvizsgálatokat. Ezek közül a DVT-IMP nevű FP-6-os Európai Uniós projektnek a BME-ETT is aktív partnere volt 2007 és 2010 között [3]. A projekt célja egy olyan kézi mérőkészülék kifejlesztése volt, amely egy csepp vérből mélyvénás trombózis és/vagy tüdőembólia veszélyeztetettséget állapít meg betegeknél. A készülék ezt egy vérben megtalálható fehérje, az úgynevezett D-dimer koncentrációjának elektrokémiai detektálásán keresztül valósítja meg. Egy ilyen affinitás típusú immunoérzékelőben, az érzékeléshez felhasznált biológiai receptor molekula képes szelektíven és reverzibilisen célmolekulákat megkötni egy természetben előforduló kulcs-zár mechanizmus, az antitest-antigén összekötődés alapján. Az affinitás szenzorok másik elterjedt típusa, a DNS alapú érzékelők működési elve a komplementer ss-dns szálak specifikus összekötődésén (hibridizációján) alapul. Az ss-dns molekulák receptorként történő felhasználása rendkívül széles alkalmazási területet tesz lehetővé, hiszen DNS szintézis révén tetszőleges DNS szekvenciákat elő tudunk állítani a detektálandó cél-molekuláknak megfelelően. Ma már alkalmazzák őket betegség diagnosztikában, rákkutatásban, gén analízishez, környezeti vizsgálatokhoz, kórokozók detektálásához, vagy akár apasági vizsgálatokhoz is. Az új célmolekulákra érzékeny biorétegek kutatásán, új és érzékenyebb detektálási elvek fejlesztésén vagy ezek készülékekbe történő integrálásán túl a már meglévő és bevált metódusok alapkutatás szintű fejlesztése is kiemelt fontosságú területet képez. A bioérzékelők - 4 -

6 érzékenységének növelése, érzékelési tartományuk kiterjesztése vagy szelektivitásuk, megbízhatóságuk javítása alapvető cél, a kutatási terület által felvetett problémák megoldásához magas szintű, multidiszciplináris (vegyész/villamos/gépész- mérnöki, biokémikusi, orvosi) tudásra van szükség. Jelenlegi diplomamunkám témája az utóbbi fejlesztési területhez köthető. Alapkutatás szintű vizsgálataimnak célja, hogy az elektrokémiai elvű bioérzékelőkben munkaelektródként elterjedten használt arany vékonyrétegek elektrokémiai viselkedése és strukturális felépítése közötti kapcsolatot jobban megértsük és ez által az ilyen elvű érzékelők lényeges paramétereit javíthassuk

7 2. Témafelvetés és célkitűzés A bioérzékelőket a bioreceptor réteg típusa mellett (lásd bevezetés) csoportosíthatjuk a jelképzésre felhasznált fizikai vagy kémiai elv szerint is. A bioreceptor réteghez szorosan kapcsolódó fizikai-kémiai jelátalakító elemet szokás transzducernek is nevezni, melynek feladata, hogy a célmolekula bioreceptor rétegbe történő bekötődésének a hatására elektromos vagy optikai jelet generáljon, amely információt hordoz a reagáló anyagok koncentrációjáról [4]. A jelképzés területén fontos megkülönböztetnünk úgynevezett jelöléses és jelölésmentes technikákat. A fizikai jelölést pl. fluoreszcens markerekek [5] alkalmazó eljárásoknál a detektálandó célmolekulákat előzetesen megjelölik, a jelképezés pedig szorosan kötődök ezen jelölő molekulák későbbi reakciójához, pl. felvillanásához. Napjaink bioérzékelős kutatásainak célja a jelölésmentes módszerek elterjesztése, mivel a célzott alkalmazási területek nagy részében nincs módunk arra, hogy a célmolekulákat előzetesen drága markerekkel megjelöljük. Jelölésmentes detektálási módszerek közé sorolhatók az optikai elvet pl. felületi plazmon rezonanciát (SPR) [6,7], piezoelektromos elvet pl. kvarc-kristály mikromérleget (QCM) [8] vagy elektrokémiai elvet pl. elektrokémiai impedancia spektroszkópiát (EIS) [9,10] alkalmazó eljárások. A detektálási módszerek csoportosításánál továbbá el kell különítenünk azokat az eljárásokat, amelyek bár nagy pontosságúak, csak laboratóriumi körülmények között alkalmazhatók és nem integrálhatóak hordozható eszközökbe. Például a röntgen fotoelektron-spektroszkópiával (XPS) lehetőségünk nyílik atomi pontossággal megszámolni a receptor rétegbe bekötött célmolekuláinkat és ebből visszaszámolni azok koncentrációját [11,12], mégis ez a bonyolult és drága infrastruktúrát igénylő eljárás feltehetőleg soha nem lesz integrálható egy kézi mérőműszerbe. Szintén fontos követelmény az alkalmazott detektálási módszer esetén a párhuzamos mérések kivitelezhetőségének lehetősége. Párhuzamos mérésekkel egyrészt növelhetjük a méréseink megbízhatóságát a szórások átlagolással történő csökkentésén keresztül, ugyanazon bioreceptor réteg több ponton (pl. SPR) vagy több külön felületen (pl. munkaelektródon) történő mérésével. Másrészt több eltérő bioreceptor réteg egy hordozóra rögzítésével létrehozhatók olyan multi-bioérzékelő receptormátrixok, amelyeken párhuzamos méréssel több célmolekula jelenlétét és koncentrációját tudjuk egyidejűleg monitorozni. Erre példa tanszékünk jelenleg is futó DINAMICS nevű FP-6-os projektje, melynek célja kifejleszteni egy víztárózókban elhelyezendő berendezést, amely az ivóvíz hálózatba került kórokozók jelenlétét hivatott detektálni. Az itt alkalmazott optikai észlelő és felismerő mechanizmus a - 6 -

8 jelöletlen ss-dns transzducer felületre rögzítésén (immobilizációján) és hibridizációján alapul, az alkalmazott multi-receptormátrix pedig akár több száz detektálni kívánt kórokozó DNS mintáját is tartalmazhatja [13]. A mai elektromos és optikai elvű bioérzékelőkben legelterjedtebben arany vékonyréteget használnak transzducer elemként. Az arany vékonyrétegek az alkalmazás szempontjából legfontosabb fizikai és kémiai paramétereit (elsősorban előnyeit) a következő pontokban lehet összefoglalni: Az arany vékonyrétegek előállítása fizikai rétegleválasztási technikákkal (PVD, vákuumpárologtatás, ill. vákuumporlasztás) egy kiforrott technológia, amellyel üveg és polimer alapú hordozóra egyaránt könnyedén felvihetünk arany vékonyréteget, bioérzékelős alkalmazásoknál jellemzően az 50 nm-től (optikai) a több száz nm-ig (elektrokémiai) terjedő tartományban. A vékonyrétegek mintázatkialakítása fotolitográfiai vagy lézeres ablációs eljárásokkal lehetővé teszi elektródmintázatok és elektródmátrixok kialakítását a 10 µm-es (lézer ablációs) és a szub-mikronos (fotolitográfia) mérettartományban is. A kis alapterületű, nagy sűrűségű elektródmátrixok (melyeken belül az elektródok külön címezhetők) alapvetőek a multi-bioérzékelős alkalmazásokhoz. Az arany-kén kovalens kötésen keresztül kémiailag egy egyszerű immobilizációs módszer áll rendelkezésünkre a bioreceptor molekulák felületre rögzítéséhez. A receptor molekula tövére tiol (SH) csoportot szintetizálva a receptor molekulák közvetlenül az oldatból, külső beavatkozás nélkül képesek az arany felületre kötni. Az arany-kén kovalens kötés önmagától kialakul, a receptor réteg kiépülése önszerveződő folyamat. Az előző ponthoz szükséges feltétel az arany egyik nagyon fontos tulajdonsága, hogy normál körülmények között a felülete nem oxidálódik és nehezen alakítható át kémiai vegyületté. Biofunkcionalizáció előtt a felület kémiai módszerekkel tisztítható, de nem kell oxidréteggel számolni. Az aranyat kis fajlagos ellenállása miatt elterjedten használják vezetékezésként és elektródaként, a megfelelően megválasztott detektálási elvet alkalmazó bioérzékelő így ezekkel a technológiákkal kompatibilissé tehető (pl. QCM elektródái)

9 Elektrokémiai alkalmazásokban az arany közömbös fémként viselkedik a leggyakoribb puffer oldatokkal és elektrolitokkal szemben (úgynevezett polarizálható elektród [14]), így jól alkalmazható munkaelektródként. Az arany vékonyréteg kiváló optikai tulajdonságai optikai elvű érzékelőkben aknázhatók ki. Például az 50 nm vastagságú arany vékonyrétegben a plazmonok megfelelő gerjesztéssel rezonanciára késztethetők, így ez a vékonyréteg optimális SPR-es alkalmazásokhoz is. A bioérzékelős alkalmazásokhoz használt arany vékonyrétegek felületi minősége és tisztasága kulcsfontosságú paraméter a működőképes bioreceptor rétegek létrehozásához és rajtuk reprodukálható mérések végrehajtásához. Mivel ebből a szempontból legoptimálisabb tulajdonságokkal az arany egykristály vékonyrétegek rendelkeznek, ezért sok nagy precizitású alapkutatást új receptor rétegek vagy detektálási elvek tesztelésére rajtuk végeznek [15,16]. Mivel a receptor immobilizáció és a cél-molekula detektálás közben végbemenő fizikai vagy kémiai folyamatok nem igénylik az egykristály szerkezetet, ezért az elterjedten használt alkalmazásokban, ill. alkalmazás közeli kutatásokban már egyszerűbb, polikristályos vékonyrétegeket használnak. A polikristályos arany vékonyréteg szerkezete (pl. szemcseméret) nagyban függ az előállítás technológiai paramétereitől és a választott hordozótól, így a különböző gyártóktól beszerezhető illetve önállóan előállítható vékonyrétegek felületi minősége jelentős eltéréseket mutathat. Az arany vékonyrétegek eltérő felületi minőségének hatásai a számunkra fontos, elsősorban elektrokémiai felhasználási területek szempontjából a következők lehetnek (az itt megfogalmazott állítások fizikai és kémiai hátterének részletesebb bemutatása a Szakirodalmi áttekintés című fejezet megfelelő részeiben olvasható): Az arany vékonyrétegek rossz felületi minősége hibákat okozhat a felszínen felépített biorétegekben (ú.n. defect sites), amik növelik a mérések szórását és rontják az eredmények reprodukálhatóságát. Egyes bioreceptor rétegek esetében gyakran használt anyagokból pl. mercapto-1-hexanol molekulákból (MCH) felépített önszerveződő monorétegek (SAM) esetében megfigyelték, hogy az egyébként sűrűn és pontosan rendezett réteg a felületi hibák közelében nem épül ki, vagy mérések közben felszakad. A felületet elektrokémiailag szigetelő rétegek hibáinál a szabad aranyfelület elektrokémiailag rövidzárként működik és hamis mérési eredményekhez vezethet [17,18]

10 Elektrokémiai mérések esetén a mért áramértékeket felületegységre leosztva, áramsűrűségként vesszük figyelembe. Ilyen módon kiküszöbölhető az eltérő elektródfelületek okozta szórás az eredményekben. Az arany vékonyréteg felületi érdességének függvényében a geometriai elektródterület és az aktív elektródfelület eltérnek egymástól, utóbbi pontos ismeretére van szükség a helyes áramsűrűség értékek megállapításához (lásd fejezet). Az elektrokémiai jel-zaj viszony szintén függ a geometriai elektródterület és az aktív elektródfelület arányától. Minél kisebb egy vékonyréteg felületi érdessége annál jobb az elektrokémiai jel-zaj viszonya (lásd fejezet). Elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS) mérések esetén jól tapasztalható, hogy az arany munkaelektródok felületi érdességtől és szerkezettől függő kapacitás diszperzió jelenséget mutatnak, amely megnehezíti a pontos kapacitás értékek megállapítását. Ez kapacitív elvű detektálást alkalmazó érzékelők esetén komoly probléma, mivel az ideális kapacitást feltételező eredményillesztések hamis mért értékeket szolgáltathatnak (lásd fejezet). Az arany vékonyrétegekből fabrikált elektródok felületi minőségének és érdességének ismerete tehát szükséges feltétel pontos elektrokémiai mérések elvégzéséhez. A valódi elektród felület megállapítására használható módszerekről jó összefoglalást írt Trasatti és Petrii [19], a mi laborunkban kivitelezhető és általam használ elsősorban elektrokémiai és mikroszkópiás módszerekről a 3. fejezetben adok részletes áttekintést további szakirodalmi példákkal. Összességében elmondható, hogy nincs tökéletesen alkalmas eljárás a felületi érdesség és az effektív elektródfelszín pontos megállapítására. Az elektrokémiai eljárások általában töltésszámláláson alapulnak (felületi adszorbens redukció ill. kapacitív töltőáramok), a pontos mérést nehezíti a mérési zaj, a számításokhoz használt referencia értékek (pl. oxid felületi sűrűség) alkalmazhatóságának korlátai, az integrációs határok nehézkes kiválasztása és még sok egyéb körülmény a mérések közben. A nagyobb felbontásra képes mikroszkópiás eljárások közül a pásztázó elektron mikroszkópia (SEM) bár strukturális mintázatok vizsgálatára alkalmas lehet, a topográfiai információ (pontok magassága) a képalkotási elv miatt megbízhatatlan. Az atomerő mikroszkópiát (AFM) ezzel szemben elterjedten használják nagyfelbontású és pontos topográfiai felületjellemzésre. A szakirodalomban leggyakrabban használt felületi érdességet jellemző paraméterek (R a és R RMS, definíciókat lásd a 3.3. fejezetben) egyszerű, pontátlag jellegű mennyiségek, amelyek nem veszik figyelembe a magasság pontok spektrális - 9 -

11 eloszlását. Így könnyen előfordulhat, hogy strukturálisan két jelentősen eltérő felületre egyező R a vagy R RMS értéket számolunk, ahogy az 1. ábra egyszerű, vonal menti illusztrációjából látható. 1. ábra Illusztráció két azonos felületi érdességű (R a ), de jelentősen eltérő spektrumú pontseregre Az 1. ábra szemléltető példája alapján könnyen belátható, hogy az eltérő struktúrából adódóan az elektrokémiai viselkedése jelentősen eltérhet két azonos R a és R RMS értéket mutató felületnek, ezért ezek a paraméterek nem jellemzik tökéletesen az elektródok viselkedését. Diplomamunkám célja ezek alapján egy olyan új felületjellemző paraméter (továbbiakban lokalizációs faktor) vizsgálata, amely szemben az R a és R RMS mennyiségekkel figyelembe veszi a pásztázó mikroszkópiával karakterizált felületek mért magasság pontjainak spektrális eloszlását is. Célom megvizsgálni, hogy az erre a célra általam bevezetett lokalizációs faktor milyen mértékben korrelál az eltérő technológiákkal előállított vékonyrétegekből kialakított elektródok elektrokémiai viselkedésével, összehasonlítva egyéb felületi érdességet jellemző paraméterekkel. A következő fejezetben szakirodalmi példákkal bemutatom a vizsgálataimhoz használt elektrokémiai és AFM-es eljárásokat, továbbá definiálom az eredmények kiértékeléséhez használt különböző felületjellemző paramétereket. Itt adom meg a leírását és elméleti hátterét is a lokalizációs faktor jellemzőnek is. A 4. fejezet kísérleti módszertanának ismertetése után az 5. fejezetben tárgyalom a mérési eredményeket és a belőlük levonható következtetéseket. A dolgozatban általam használt rövidítések és mozaikszavak jelentését az első előfordulásuk helyén adom meg. A könnyebb áttekinthetőség kedvéért a rövidítések és az ábrák a dolgozat végén összegyűjtve is megtalálhatók a Rövidítések jegyzéke illetve az Ábrajegyzék című fejezetekben

12 3. Szakirodalmi áttekintés Szakirodalmi áttekintésemet az általam használt elektrokémiai eljárások általános ismertetésével kezdem (3.1. alfejezet), majd bemutatom, hogyan alkalmazhatóak ezek a módszerek az arany vékonyréteg elektródok felületének jellemzésére (3.2. alfejezet). Ezek után rátérek az atomerő mikroszkópia és az elterjedten használt felületjellemző paraméterek bemutatására (3.3. alfejezet), majd levezetem a lokalizációs faktor paramétert és tárgyalom alkalmazhatóságának lehetőségeit (3.4. alfejezet). Végül a 3D RPT nyomtatásról is adok egy áttekintést Elektrokémiai módszerek Az elektrokémiai elvű affinitás típusú bioérzékelőkben a detektálni kívánt célmolekulák receptor molekulákhoz történő bekötődésének kvantitatív detektálására többféle módszert használnak. A legelterjedtebbek közé tartozik például a ciklikus voltammetria (CV), az elektrokémiai impedancia spektroszkópia (EIS), a krono-coulometria és a kronoamperometria is. Ezen eljárásokban közös, hogy az elektród felület, mint transzducer, határfelületi tulajdonságainak (pl. kapacitás, impedancia) megváltozásán alapulnak, ezek mérésére pedig általánosan elterjedt háromelektródos mérőcellát és potenciosztát elektronikát alkalmaznak. A következő alfejezetekben először bemutatom az elektrokémiai mérőcellák felépítését, majd az általam használt két eljárás (CV, EIS) elméleti hátterét Az elektrokémiai mérőcella A háromelektródás mérőcella és a potenciosztát elektronika vázlatos felépítését a 2. ábra szemlélteti. A cella a munka-, ellen- és referencia elektródokból illetve az elektrolitból áll, ami az elektródok közötti ionvezetésért felel. A referencia elektród egyes esetekben elhagyható, ekkor kételektródos mérőcelláról beszélünk. A megfigyelni kívánt elektrokémiai folyamat a munkaelektród-elektrolit határfelületen játszódik le, a töltésátadási reakció során keletkező áram a munka- és ellenelektródok között folyik. A referencia elektród feladata, hogy potenciálját állandó értéken tartva rendelkezésre álljon egy stabil, töltésátadási reakcióktól független referencia pont a munkaelektród határfelületi potenciáljának méréséhez és szabályozásához. Vagyis ideális esetben a referencia elektródon nem folyhat áram, tehát meg kell oldani, hogy a munka- és referencia elektródok között a feszültség nagy része a határfelületen essen. Ennek eléréséhez egy speciális műszerre, a potenciosztátra van szükség

13 2. ábra A potenciosztát vázlatos felépítése [20]. A műveleti erősítő nagy bemeneti impedanciája miatt a referenciaelektródon nem - a valóságban nagyon kis - áram folyik. R s potenciométerrel állítható a referencia- és a munkaelektród közti potenciálkülönbség, míg a műveleti erősítő kimenetén mérjük a határfelületi potenciálesés hatására folyó áramot [20]. A munkaelektród esetünkben az arany vékonyréteg elektród. Referencia elektródoknak reverzibilis elektródokat használhatunk. Ezeket nem-polarizálható elektródoknak is nevezik, mivel a rajtuk átfolyó áram által létrehozott polarizációs túlfeszültség zérus (V p =0). Ezen elektródoknál a fémet telített sóoldata veszi körül az elektród belsejében. Aktiváláshoz illetve oldódáshoz szükséges energiaszint alacsony, így a fém reverzibilis reakciókon keresztül be tud oldódni az oldatba illetve ki tud válni a felületre a polarizáció hatására [14]. A belső sóoldatot egy membrán választja el a külső (minta) oldattól. A legelterjedtebb referencia elektródok az Ag/AgCl illetve Hg/Hg 2 Cl 2 (kalomel) elektródok. Ellenelektród céljára irreverzibilis (más néven polarizálható) elektródokat használhatunk. Ezen elektródok esetében a polarizációs túlfeszültség megegyezik az elektródra kapcsolt külső feszültséggel (V p =V külső ), vagyis ha egy ilyen elektródpárra külső egyenfeszültséget kapcsolunk nem fog közöttük áram folyni, a külső feszültség az elektródelektrolit határfelületen fog esni. Ezen tulajdonságot legjobban a platina közelíti meg, melyet platina háló (mesh) vagy szál formájában építhetünk a cellánkba, de egyes esetekben egyéb nemesfémet (pl. aranyat) is használhatunk. Mivel ezen elektródon játszódik le az ellentétes elektródfolyamat, ami az áram vezetéséhez szükséges, ezért fontos, hogy az ellenelektródunk felülete nagy legyen és a munkaelektródhoz lehetőleg közel és ahhoz viszonyítva centrikusan helyezkedjen el [21]

14 Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia Az EIS egy elterjedt elektrokémiai eljárás biofunkcionalizált elektródfelületek karakterizálására, minek során egy adott frekvenciaspektrumban váltakozó feszültséget kapcsolnak az elektrokémiai cellára, és közben mérik az ennek hatására az elektródokon átfolyó áramot. Az alkalmazott potenciálok és hatásukra kialakult áramok hányadosa adja a cella komplex impedancia spektrumát, melyet Bode-diagramon vagy Nyquist spektrumként ábrázolhatunk [22]. A mérések során a celláról felvett komplex impedancia spektrumok (Nyquist spektum) kiértékeléséhez különböző áramköri kétpólus helyettesítőképeket használhatunk, amelyekkel a fizikai jelenségeket egyszerű áramköri elemekkel (ellenállás, kapacitás) helyettesíthetjük. A 3. ábra összefoglalja a méréseimhez használt helyettesítőképeket, [20,21]. 3. ábra A gyakrabban használt elektrokémiai kétpólus helyettesítőképek. R s : soros ellenállás; R ct : töltésátadási/polarizációs ellenállás; C dl : kettősréteg kapacitás; W: Warburg impedancia A legegyszerűbb, töltésátlépéssel nem járó esetben (nem-faradikus eset) a cella soros RC-taggal modellezhető (3. ábra/a). Az elektróda-elektrolit határfelületen létrejövő C dl kettősréteg kapacitás (double layer capacitance) akkor jön létre, ha az adott kettősréteg kialakításában résztvevő ionok és az elektród között töltésátadás nem valósul meg. Elektromos áramköri viselkedése egyszerű esetben jól modellezhető egy kondenzátorral. Az R s soros ellenállás értékét két tényező határozza meg, egyrészt az elektrolit összetétele (ionerőssége, hőmérséklete stb.), másrészt a cella felépítése (elektródok geometriája és egymástól való elhelyezkedésük). Nagy frekvencián történő mérés esetén C dl rövidzárként viselkedik (az esetleges R ct söntölve van), ezért ilyenkor tiszta valós impedanciát, azaz a soros ellenállást mérhetjük a cellán (Nyquist spektrum kezdőpontja). R s -t ezért szokás az oldat vezetésének is nevezni (R e ). A töltésátlépéssel járó esetekben (Faradikus eset) ha a munkaelektród potenciálját az egyensúlyi helyzethez képest megváltoztatjuk, akkor a potenciálváltozás hatására töltésmegoszlás vagy töltésátlépés fog lejátszódni az elektromos kettősrétegben az elektródafelület és az elektrolit között. A potenciálváltozás és a hatására kialakuló, elektródon átfolyó áram hányadosa az R ct töltésátadási ellenállás (szokásos még a polarizációs ellenállás elnevezés is, R p jelöléssel). Ekkor a Randles cella modell használható (3. ábra/b), valamint:

15 1,ahol R a gázállandó, T a hőmérséklet, n a reakció rendűsége (vegyértékszám), F a Faraday állandó, j o pedig a csereáram sűrűség. Utóbbi felírható:,ahol k s a reakció standard sebességi állandója, c o és c R az elektrolitban lévő redoxi ionok oxidált illetve redukált formáinak koncentrációja, α o és α R pedig az anódos, ill. katódos reakció átlépési tényező. Abban az esetben, ha kiegyensúlyozott redoxi rendszert használunk, vagyis, R ct egyszerűsítve így írható: Tehát a töltésátadási ellenállás a koncentráció lináris függvénye. (Megjegyzés: j számításánál az Erdey-Grúz-Volmer egyenlet linearizált változatát vettem figyelembe, ami EIS esetén kis perturbációs jeleknél teljesül. Továbbá az egyszerűség kedvéért azt is feltételeztem, hogy a mérés során nem folyik egyenáram a cellán [23].) A Faradikus esetre igaz, hogy az elektrolitban jelen lévő ionoknak csak egy része vesz részt a töltésátadásban, amíg a másik részük nem vesz részt töltésátlépéssel járó reakcióban a munkaelektródon. Fontos feltétel az, hogy a második típusú ionból nagy mennyiség álljon rendelkezésre az elektrolitban, mert ilyenkor a töltésátlépési reakcióban részt vevő ion gyakorlatilag jelentéktelen mértékben járul hozzá a kettősréteg kialakításához. A töltésátadásban nem résztvevő ionokat együttesen háttér elektrolitnak nevezzük, míg a töltésátadásban a redoxi-ionok vesznek részt. Ha teljesül ez a feltétel, akkor a helyettesítőképben R ct -t és C dl -t párhuzamosan vehetjük figyelembe, ahogy a 3. ábra B-részén látható. A tisztán kapacitív esetben (3. ábra/a) az elektrolitot csak a háttér elektrolit alkotja, ami például tetszőleges sóoldat lehet (KCl, PBS). Alacsony frekvenciákon a sima Randles cella nem ad helyes képet a cella impedanciájáról, ugyanis ezen a tartományon már számolni kell a diffúzió hatásával is. A diffúzió reprezentálására a helyettesítőkép kiegészül egy Warburg-impedancia taggal (3. ábra C része). A töltésátadási reakció mindig anyagtranszporttal kapcsolt folyamat, mivel a töltésátadásban részt vevő ionok oxidált és redukált formáinak a felületi koncentrációját változtatja meg. Emiatt a Warburg-impedancia a töltésátadási ellenállással a helyettesítőképben sorosan kapcsolt [21]. A jelenséget szemléletesen leírhatjuk úgy, hogy nagy frekvenciájú gerjesztőjel esetén a diffúziós út, amit az ionoknak adott polarizáció mellett meg kell tennie rövid, míg ez az úthossz kisfrekvenciás gerjesztőjel esetén megnő

16 A 4. ábrán példát láthatunk egy jellegzetes Faradikus EIS spektrumra, feltüntetve a jellemző értékeket és tartományokat. A kinetika limitált tartományon a Randles cella helyettesítőképének megfelelően az impedancia spektrum félkörnek felel meg. A spektrum bal oldali metszéspontja a valós tengellyel a soros ellenállást, míg az illesztett félkör átmérője a töltésátadási ellenállást adja meg. A diffúzió limitált tartományon a Warburg-impedancia érvényesül, ez a tartomány azonban az érzékelési reakciók illetve a vékonyréteg elektródok karakterizálása szempontjából számunkra nem hordoz releváns információt. 4. ábra Egy jellegzetes Faradikus EIS spektrum és jellemző paraméterei: R s soros ellenállás; R ct töltésátadási ellenállás; C dl kettősréteg kapacitás; Z r, Z i az impedancia valós, ill. imaginárius része. (A spektrum egy tiszta felületű arany munkaelektród mérésével lett felvéve) Ciklikus Voltammetria A ciklikus voltammetria egy elterjedt elektrokémiai mérési módszer elektródok felületén végbemenő reakciók karakterizálására. A voltammetriában teljes áram-potenciál diagramokat használnak, amiket a munkaelektród potenciáljának potenciosztatikus, állandó sebességű változtatásával és az ezáltal a cellán átfolyó áram mérésével vesznek fel. A gerjesztés fűrészjellel történik, az így kapott hurok alakú áram-feszültség karakterisztikán megjelenő áramcsúcsok helye a reakciók kvalitatív, míg a csúcsok alatti terület a reakciók kvantitatív tulajdonságait jellemzik [4]. Töltésátlépés nélküli esetben a voltammogram mentes az áramcsúcsoktól, a cellán csak kettősréteg kapacitás töltő áramok (I c ) folynak át, melyek nagysága a kettősréteg kapacitáson (C dl ) túl csak az aktív elektródfelülettől (A act ) és a pásztázási sebességtől (v) függ [24]:

17 Az 5. ábra egy jellegzetes, reverzibilis redoxi-rendszerben felvett, Faradikus voltammetriás görbét szemléltet, a fontosabb paraméterek feltüntetésével. 5. ábra Egy jellegzetes voltammogram és jellemző paraméterei: I pc, E pc katódikus áramcsúcs, I pa, E pa anódikus áramcsúcs. E p = IE pc -E pa I. A görbe egy tiszta felületű arany munkaelektród mérésével készült, 5 mm [Fe(CN) 6 ] 3- / [Fe(CN) 6 ] 4- redoxi-rendszerben. Egy ideálisan reverzibilis redoxi-rendszerben a voltammetriás csúcsok távolságát ( E p ) a Butler-Volmer és Cottrell egyenletekből levezethető összefüggés határozza meg: 58 Ideális rendszer esetén a csúcsok távolsága tehát csak a folyamat töltésváltozásától (n) függ, de a valóságban az elektródfelület strukturális tökéletlensége, felületi szennyeződések és funkcionalizálás is befolyással vannak rá. A bioérzékelős alkalmazások nagy részében ezért ezt a paramétert használják a célmolekulák bekötődésének kvantitatív kimutatására. Ritkábban a csúcsáramok mérése is informatív lehet, melyek nagysága a Randles-Sevcik egyenletből [25]: / / / A Faradikus csúcsáramok tehát függenek a redoxi-ionok koncentrációjától (c), a folyamat töltésváltozásától (n) és a diffúziós állandótó (D). Fontos megjegyezni továbbá, hogy amíg a kapacitív töltőáramok az aktív elektródfelülettől függenek, addig a csúcsáramok az elektród geometriai területétől. Ezért könnyen belátható, hogy a redoxi-rendszereken alapuló elektrokémiai mérések jel-zaj viszonya (SNR), fordított arányosan függ az aktív

18 elektródfelület és az elektród geometriai területének arányától (roughness factor, továbbiakban f r ): ~ 7 Ebből következik, hogy az elektród felületének érdessége befolyásolja a jel-zaj viszonyát. Ideálisan (atomian) sima elektródfelületek esetén f r = 1, a gyakorlatban használt polikristályos arany vékonyréteg elektródoknál f r 1,1-1,3 közötti érték a jellemző. Speciális technológiákkal 1-nél kisebb f r -t is elő lehet állítani, ilyenek pl. az úgynevezett nano elektród együttesek vagy NEE elektródok (nano electrode ensembles). Ezek bemutatása és vizsgálata túlmutat jelenlegi diplomamunkám céljain, de olasz kutatócsoportok együttműködésével NEE-k közös karakterizálása már tervbe van véve. Az NEE-k előállítási technológiáiról és potenciális előnyeiről jó összefoglalást adnak Paolo Ugo és P. Menon munkái [24, 25, 26] A felületi érdesség elektrokémiai jellemzése A fejezet célja annak bemutatása, hogy az előzőekben ismertetett két elektrokémiai eljárás nem csak bioérzékelős alkalmazásokban használható célmolekulák bekötődésének kvantitatív kimutatására, hanem segítségükkel képet kaphatunk az elektródként használt vékonyrétegek felületi minőségéről is A CPE jelenség Széles körben elfogadott tény, hogy a Faradikus reakcióktól mentes esetekben az elektródokon EIS-el mérhető komplex impedancia a fejezetben leírtaknak megfelelően ideálisan kapacitív viselkedést mutat. Ilyen ideálisan kapacitív viselkedést azonban csak atomian sima felületű elektródok esetében mértek eddig a szakirodalomban, polikristályos szilárd elektródok esetén a mért kettősréteg kapacitás frekvenciafüggő viselkedést mutat. A jelenséget kapacitás diszperziónak nevezik [27] és karakterizálására konstans fázisú elemmel (CPE) helyettesítik a kettősréteg kapacitást. Ebben az esetben a komplex impedancia kapacitív része a következő alakban írható fel [28]: 1 A CPE együttható (T) mértékegysége Farad, ez tehát a valós kapacitív tag, míg a frekvenciafüggést a CPE kitevő (α) szimbolizálja. A 3. ábra helyettesítőképei CPE elemekkel kicserélve láthatóak a 6. ábrán

19 6. ábra A gyakrabban használt elektrokémiai kétpólus helyettesítőképek a CPE jelenség figyelembe vételével. R s : soros ellenállás; R ct : töltésátadási/polarizációs ellenállás; CPE: konstans fázisú elem; W: Warburg impedancia A CPE viselkedés hatása az EIS spektrumokra a 7. ábrán figyelhető meg. Faradikus folyamatoktól mentes esetben (6. ábra/a) a kapacitás fázistolása eltér az ideális kapacitás -90 o -os fázistolásától, a mért Nyquist spektrum ennek megfelelően szöget zár be az imaginárius tengellyel (az ideális kapacitás Nyquist spektruma pontosan ráfekszik az imaginárius tengelyre). Faradikus folyamatokkal járó esetben a jellegzetes Nyquist félkör torzul, a mért körszelet felfogható, az ideális félkör ϕ szöggel történő elforgatásával mérhető spektrumnak. 7. ábra A CPE jelenség hatása a mérhető EIS skeptrumokra. Bal: töltésátlépéssel nem járó eset [29], jobb: Faradikus eset [30]. Az elfordulás szögéből (ϕ) a CPE kitevő (α) könnyen átszámolható, értéke ideálisan sima elektród esetén α = 1 (ϕ = 0 o ), míg maximálisan érdes elektród esetén α = 0,5 (ϕ = 45 o ) A gyakorlatban alkalmazott komolyabb impedancia spektrum illesztő programok (pl. Zview) az illesztésnél automatikusan figyelembe veszik a CPE viselkedést kiválasztva a

20 ábra megfelelő helyettesítő képét. A CPE jelenség figyelembe vétele az eredmények illesztésénél kulcsfontosságú a kapacitás pontos meghatározása szempontjából, így a jelenség okának ismerete jelentőséggel bír az összes kapacitív változásokat kihasználó szenzortípus esetében. Pajkossy Tamás, a kutatási terület egyik legnagyobb szakértője a lehetséges okokat két nagy csoportba sorolja be [27, 31, 32]: 1) Geometriai irregularitások összessége a 10 nm-től 100 µm-ig terjedő skálán. Ebbe beleértendő az elektródfelület (természetes) felületi érdességének hatása, a különböző mikroszkopikus felületi hibák és az esetleges elektród porozitás is. A CPE hatás ebben az esetben abból származik, hogy a munkaelektród mikroszkopikus érdessége miatt az effektív elektrolit ellenállás változik a felület mentén nagyobb érték a mélyedésekben, mint a magasabb geometriai alakzatok tetején. 2) Atomi szintű felületi rendezetlenség a 10 nm alatti skálán. Az érdes felületek energetikailag inhomogénnek tekinthetők a különböző kristályhibák, diszlokációk miatt, így a felületi adszorpciós folyamatok aktivációs energiái is bizonyos mértékű inhomogén eloszlást mutatnak. Ezen specifikus ionadszorpciós folyamatok sebességi együtthatói az aktivációs energiák exponenciális függvényei, tehát kis eltérések az aktivációs energia szintekben nagyarányú különbséget okozhatnak a sebességi együtthatókban, ami kapacitás diszperzióhoz vezet. Ebbe a csoportba tartozik még az elektród (pl. arany) legfelső fémrétegének fázisátalakulása is (potenciál által kiváltott rekonstrukció). A szakirodalomban több publikáció is található, melyben az 1)-es állítás érvényességét vizsgálják például modellezéssel porózus elektródok esetén [28, 29]. Több forrás szerint a fraktáldimenzió a legrelevánsabb mikroszkopikusan megállapítható felületjellemző paraméter egyrészt a felületi topográfia [33], másrészt az elektródok elektrokémiai viselkedése szempontjából [28, 34] is. Risovíc konkrét összefüggést is megad a fraktáldimenzió és a CPE kitevő között [28]: Az összefüggés szerint tehát atomian sima elektród esetén D f értéke 2 (α = 1), míg ideálisan porózus elektród esetén D f értéke 3 (α = 0,5). Pajkossy, és vele összhangban Chilcott csoportjának viszonylag új eredményei ezzel szemben egyrészt cáfolják a fraktálszámmal való elektrokémiai kapcsolatot [35, 36], másrészt azt állítják, hogy a csupán mikroszkopikus geometriai egyenetlenségeket figyelembe vevő 1)-es modell csak a khz-ghz tartományban

21 ad kielégítő magyarázatot a CPE viselkedésre, de nem írja le jól a valóságban gyakrabban tapasztalt Hz-kHz tartományban megfigyelhető jelenségeket [31]. Szerintük a kisfrekvenciás tartományon a 2)-es modell 10 nm alatti, elsődlegesen atomi szintű folyamatai adnak magyarázatot a CPE viselkedésre. Bár a tudományos szakirodalomban vita folyik a jelenség pontos fizikai hátteréről és pl. Jorcin felvetései is igazolják, hogy a CPE jelenség konkrét oka még nem ismert [37], az biztos, hogy a CPE viselkedés mértéke kapcsolatban van az elektród felületének minőségével, felületi struktúrájával és érdességével ezért számomra megfelelő paraméter a pásztázó mikroszkópiával megállapított felületjellemző értékek összehasonlításához Az aktív elektródfelület meghatározása A ciklikus voltammetriát a bioérzékelős célmolekula detektálás alkalmazásoknál sokkal gyakrabban használják az elektródfém felületi minőségének és változásainak vizsgálatára. Ehhez a fém szempontjából inert elektrolitot kell választani, amivel a ph beállítás is megoldható, például pufferoldatot illetve erős savat vagy bázist. Példának a 8. ábra szemléltet egy arany elektródon 1 M-os kénsavban felvett CV görbét. 8. ábra Arany elektród 1 M kénsavban - ciklikus voltammogramm Az arany elektródon kénsavban felvett voltammogramm három fő részre osztható. Az A) tartományban csak kapacitív töltőáramok folynak keresztül a cellán, amit a már bemutatott (4) egyenlet ír le. Ezen a tartományon az áramoknak a pozitív és negatív ciklus során egymás tükörképének kell lennie, az ettől eltérő hiszterézisek lassú (irreverzibilis) potenciál által kiváltott felületi struktúraváltozásról tanúskodnak pl. felületi atom rekonstrukcióról [38]. A C)

22 tartomány a hidrogénfejlődés szakasza, melynek során a vízből hidrogén redukálódik. Ez a tartomány az aranyfelület szempontjából nem különösebben informatív eltekintve attól, hogy mivel a hidrogénfejlődés közelében nincsenek áramcsúcsok megállapítható, hogy az aranyon a hidrogénnek nincs specifikus adszorpciója. A hidrogénfejlődésnek az elektród szempontjából lehet bizonyos mértékű tisztító hatása, de a túl intenzív gázfejlődés káros is lehet [39]. Az arany elektród érdességéről és felületi minőségéről a legtöbb információt a B) oxidációs-tartományból nyerhetjük. Az anódos oldalon több csúcsból álló rendszer jelenik meg miközben az elektródon az arany oxidálódik. A katódos pászta során egyetlen, a keletkezett oxid redukciójának megfelelő csúcsot találhatunk. A több oxidációs csúcsból arra következtethetünk, hogy a felületen többféle aktív hely található, ahol az adszorpció eltérő energia-felszabadulással jár. Teljesen más képet mutat egy polikristályos, illetve egykristályarany voltammogramja. Az irodalom alapján egykristály arany elektródok esetén az oxidációs csúcsok eltéréséből akár a kristályorientáció is megállapítható [38, 40]. Számunkra fontosabb, hogy a redukciós csúcs alkalmas lehet az elektród aktív felületének meghatározására. Feltételezve, hogy minden oxidációs és redukciós körben csupán egyetlen monoréteg oxid keletkezik, majd redukálódik, a redukciós csúcs kiintegrálásával meghatározható töltésmennyiségből (8. ábra besatírozott része) visszaszámolhatjuk az aktív elektródfelület nagyságát, mivel: Γ 11 Az integrálással számolt töltésmennyiség (Q Au0 ) az aktív elektródfelület mellet függ a töltésátadási reakció rendűségétől (n), a Faraday állandótól, illetve az adszorbens felületi sűrűségétől (Γ 0 ), ami a mi esetünkben megegyezik a fématomok felületi sűrűségével (N M ). Az aktív elektródfelület az integrált töltés és egy referencia érték hányadosaként számolható ki, ahol Q Au0ref polikristályos aranyra meghatározott értéke kb. 390 ± 10 µccm -2 [19,41]. 12 Ez az eljárás az aktív elektródfelület meghatározására kénsav mellett más elektrolitokban is elvégezhető pl. NaNO 3 ill. KNO 3 -ban [29] vagy akár PBS-ben is [41], de a pontos érték meghatározását sok dolog nehezíti. Ilyen pl. az integrálási potenciálhatárok pontos kiválasztása (kapacitív áramösszetevők megfelelő kiszűrése), vagy a referencia érték helyességének kérdésessége felületi hibákat tartalmazó aranyréteg esetén (az arany atomok felületi sűrűsége változhat). A voltammogramm felvételénél precíz mérési körülményeket kell biztosítani pl. az elektrolitot inert nitrogén vagy argon gázzal meg kell tisztítani az oldott

23 oxigéntől, illetve a mérési eszközöknek extrém tisztának kell lennie különben a mért voltammogrammra másodlagos reakciók is szuperponálódhatnak és így mérési eredményünk az aranyréteg szempontjából értékelhetetlenné válhat [38]. Ezen nehézségek miatt bizonyos esetekben nem megoldható az effektív elektródfelület precíz meghatározása a B) tartományon. Ekkor megpróbálhatjuk az A) tartomány adszorpciós folyamatokra kevésbé érzékeny kapacitív töltőáramait felhasználni f r mérésére. Ha a gerjesztő potenciált az A) tartomány közepén úgy válaszjuk meg, hogy szimmetrikusan párszor 10 mvra gerjesztjük a cellát eltérő pásztázási sebességek (v) mellett, akkor a potenciál tartományuk közepén mérhető I c áram és a pásztázási sebesség kapcsolatából meghatározhatjuk az elektród-elektrolit interfész differenciális kapacitását: 13 A kapacitív töltőáram-pásztázási sebesség lineáris függvény meredeksége tehát a differenciális kapacitás, amiből egy referenciaérték segítségével meghatározhatjuk az aktív elektródterületünket (lásd még (4) egyenletet): 14 A módszernek két nagy hátránya van. Egyrészt mivel az A) tartományon a legkisebbek a mért áramok, ezért a mérések során észlelhető zaj a kapacitív áramok pontos mérését sokkal jobban megnehezíti, mint az oxidációs/redukciós áramokat, amik több nagyságrenddel is nagyobbak lehetnek. Másrészt a referenciaként használt C * felületegységre vonatkoztatott kapacitás javasolt értéke (60 µfcm -2 ) sokkal kevésbé megalapozott és pontos, mint a Q Au0ref -re meghatározott értékek [19]. A ciklikus voltammetriát tehát az aktív elektródfelület, illetve f r elektrokémiai meghatározására használhatjuk és vethetjük össze a pásztázó mikroszkópiával meghatározott értékekkel. Bár az aktív elektródfelület nagypontosságú megállapítása függ a választott módszertől, referencia értékektől és a mérési elrendezés tisztaságától, a különböző technológiával előállított vékonyrétegek felületeinek egymáshoz viszonyított aránya mérhető és összevethető A felületi érdesség AFM-es jellemzése Az atomerő mikroszkópia a pásztázó mikroszkópok (SPM Scanning Probe Micsroscopy) családjának az egyik legnagyobb felbontásra képes tagja. Az első AFM mikroszkópot 1986-ban fejlesztette ki Gern Binning és Christoph Gerber az IBM és a

24 Stanford Egyetem együttműködése keretében [42], azóta széles körben használják anyagok nanoméretekben történő vizsgálatára. Mivel az általam karakterizálni kívánt arany vékonyréteg elektródok felületi érdessége az 1-10 nanométeres tartományban van, az AFM alkalmas vizsgálatukra. A 9. ábrán vázlatosan bemutatom az AFM hardware elemeit és működésének elvét. 9. ábra Az AFM-et alkotó alapvető hardware elemek blokkvázlata és a képalkotás elve Az AFM-es képalkotás elve meglehetősen egyszerű, ezt a felületi érdesség mérésekhez általam is használt kontakt üzemmód bemutatásán keresztül szeretném ismertetni. A vizsgálandó mintánk felületével egy hegyes tű érintkezik, melynek hossza kb. 2 µm, hegyének átmérője pedig kisebb, mint 10 nm [43] és amely egy µm hosszú rugós tartókonzol (továbbiakban az egyszerűség kedvéért kantilever) végén helyezkedik el. A kantilever rugóállandója kisebb, mint a vizsgált mintát alkotó atomok összetartó ereje, ezért a tű hegye és a minta felülete között ébredő atomi erők képesek elhajlítani a kantilevert, miközben a tű mozgása során közelebb kerül a felülethez, vagy eltávolodik attól. A kantilever elhajlását egy a felületéről visszaverődő lézernyalábbal és fotodetektorokkal alkalmazhatjuk képalkotásra. Az ETT tanszék Innova típusú mikroszkópjában egy négyszegmenses pozíció érzékeny fotodetektor található (PSPD Posotion Sensitive Photo Detector vagy QPD Quad Photo Detector). A felső és alsó két-két szegmens különbségét képezve ((A+B)-(C+D)) a

25 kantilever vertikális, a jobb oldali és bal oldali két-két szegmens különbségét képezve pedig ((A+C)-(B+D)) a kantilever laterális elhajlásáról kaphatunk információt. Az így előállított vertikális eltérülési jelet egy egyszerű visszacsatolásos szabályozási kör használja fel a szkenner Z irányú mozgatására. Első lépésben a jelet egy differenciál erősítő összehasonlítja egy előzetesen beállított referencia (továbbiakban setpoint) értékkel, majd az ebből képzett hibajelet a visszacsatolás vezérlő felszorozza egy PID szabályozó erősítő paramétereivel. Ez a Z irányú vezérlőjel egyrészt a piezoelektromos szkenner magasságát fogja szabályozni, másrészt ezt használjuk fel képalkotásra kombinálva a szkenner generátor XY irányú kitérítő jeleivel. A setpoint értékkel adhatjuk meg azt, hogy a tű hegye milyen erővel nyomja a minta felületét (a visszacsatolási kör ezt az értéket igyekszik fenntartani a hibajel minimalizálásával), míg a PDI szabályozó paramétereivel szimbolikusan azt állíthatjuk be, hogy a tű mozgása mennyire dinamikusan kövesse a felület váltakozásait. Az említett kontakt üzemmódon túl a diinnova AFM alkalmas pengetéses (tapping), pont-spektroszkópia, LFM (laterális-erő mikroszkópia), STM (pásztázó alagút mikroszkópia), EFM (elektromos-erő mikroszkópia), MFM (mágneses erő mikroszkópia) és SCM (pásztázó kapacitás mikroszkópia) üzemmódokra is, azonban ezeket kísérleteimhez nem használtam fel. A kontakt üzemmódban készült topográfiai képek gyakorlatilag magasság térképek az adott felületről. A pásztázási tartomány minden pontjához {(x i ;y j ), i = 1,,M, j = 1,,M } hozzárendelünk egy magasság értéket {z i, i = 1,,N}, ami arányos a megjelenített pixelintenzitással {I i, i = 1,,N}, ahol M a soronkénti/oszloponkénti pixelek száma (felbontás), és N az összes képpont száma ( ). A kiértékelésénél leggyakrabban használt felületi érdesség jellemző paraméterek az R a és az R RMS : Az R a és az R RMS egyszerű, pontátlag jellegű mennyiségek és nem veszik figyelembe a felület magasságpontjainak spektrális eloszlását. Ahogy a 2. fejezet 1. ábráján illusztráltam, ennek következtében strukturálisan eltérő felületekre könnyedén kaphatunk megegyező R a vagy R RMS értéket, vagyis ezek a jellemzők nem tükrözik hűen a felületek érdességét. A szakirodalomban is vizsgálták ezt a problémát. Bigerelle csoportja összehasonlította a mikron szinten használt felületjellemző paramétereket megmunkált felületekre, és kijelentik, hogy a

26 legrelevánsabb felületi érdességet jellemző paraméter a fraktáldimenzió (D f ) [33]. Poljacek csoportja különféle vizsgálómódszerekkel mérhető (SEM, AFM, MSP mechanical stylus profilometry és LPM non-contact laser profilometry) fraktáldimenzió értékeket hasonlít össze és rámutat, hogy az azonos felületeken különböző módszerekkel mérhető felületi érdesség és fraktáldimenzió paraméterek között jelentős lehet az eltérés, illetve a jellemzők meghatározásának nagy a bizonytalansága [44]. A alfejezetben már ismertettem a tudományos vitát arról, hogy a fraktáldimenzió korrelál-e a felület elektrokémiai viselkedésével, vagy sem. Mivel az elektrokémiai szakirodalomban a használt munkaelektródok felületének jellemzésére a leggyakrabban az R a, R RMS és f r értékeket adják meg, és mivel egyes vélemények szerint a legrelevánsabb mikroszkópiával (és elektrokémiailag is) mérhető paraméter a fraktáldimenzió (D f ), ezért ezt a négy jellemzőt választottam a vékonyrétegek felületének karakterizálásához, a következő fejezetben bevezetésre kerülő lokalizációs faktor mellett A lokalizációs faktor bevezetése A strukturális entrópiát (továbbiakban S str ) és betöltési számot (spatial filling factor, továbbiakban q) AFM-es képek kiértékeléséhez először Molnár László Milán kollégám alkalmazta a topográfiai képek háttérmintázatainak detektálásához és ezzel felületillesztő algoritmusok tökéletesítéséhez [45]. Munkám célja az, hogy megmutassam ezen jellemzők alkalmasak lehetnek az elektrokémiai mérésekhez használt arany vékonyréteg elektródok felületi érdességének jellemzésére is. Ezért első lépésben bemutatom a strukturális entrópia és betöltési szám paraméterek matematikai hátterét, majd potenciális alkalmazási területük elméleti megalapozottságát. A strukturális entrópiát először Pipek és Varga vezette be elektronsűrűség függvények tulajdonságainak vizsgálatára [46]. Mojzes Imre és Nagy Szilvia a következő lépésben megmutatta, hogy ez a mennyiség együtt a betöltési számmal alkalmas tetszőleges ponthalmaz karakterizálására, amennyiben a ponthalmaz elemei {Q i, i = 1,,N} teljesítik a következő két feltételt [47]: 0 ha i = 1,,N (17)

27 Mivel az AFM-el készült képek normalizálhatóak oly módon, hogy a pixelintenzitások {I i, i = 1,,N} kielégítsék a két feltételt, ezért a strukturális entrópiát és a betöltési számot használhatjuk AFM-es képek karakterizálására is. A részvételi arány (participation ratio vagy delocalization measure, továbbiakban D) egy elterjedt mennyiség a mátrixsűrűség analízisben, amit először Dean [48] és Pipek [49] vezetett be egymástól függetlenül. Pixelintenzitásokra felírva a részvételi arány definíciója: 1 19 A részvételi arány illusztrálására látható egy példa a 10 ábrán. A feladat 15 golyó szétosztása 5 dobozba. Amennyiben az összes golyót egy dobozba tesszük, ugrásválaszról beszélünk (D = 1). Ahogy közelítünk az egyenletes eloszlás felé amikor minden dobozban egyenlő számú golyó található D folyamatosan nő, amíg el nem éri a dobozok számát (D = N = 5). 10. ábra Egyszerű példa a részvételi szám illusztrálására A részvételi arány elosztva a teljes pixelszámmal megkapjuk a betöltési számot: 20 AFM képek esetén a betöltési szám szemléletesen a nagyintenzitású pixelek arányát jelenti, ami egy N nagyságától független mérőszám. A betöltési szám továbbá kielégíti a következő egyenlőtlenséget is: A strukturális entrópiát a Shannon és Rényi entrópia definíciókból származtathatjuk. A Rényi entrópia sor pixelmátrixokra általánosított formája:

28 1 1 log 22 Bizonyítható, hogy a Shannon entrópia (S) a Rényi entrópia sor első tagja, azaz: log 23 A Shannon entrópia megmutatja, hogy a pixelintenzitás eloszlás mennyire tér el az egyenletestől. Egyenletes eloszlás esetén (amikor minden I i -nek u. akkora értéke van) homogén szürke képről beszélünk. A Rényi entrópia sor második tagja: log 24 Ez a mennyiség a jelentősen nagy intenzitású pixelek számával korrelál, más szóval ez a kiegészítő entrópia része a Shannon entrópiának. A két mennyiség közti különbség a rendszer struktúráját jellemzi, és strukturális entrópiának hívják: log 25 A strukturális entrópia tehát az intenzitás eloszlás eltérését jellemzi a tiszta ugrásválasztól (ami a tiszta fekete-fehér átmenet), és kielégíti a következő feltételt: 0 26 Az I i intenzitás eloszláson értelmezett (q; S str ) függvénypár neve átalánosított lokalizáció (generalized localization) és a vizsgált eloszlás topológia információtól mentes struktúrájának analízisére használhatjuk. Például, ha az I i intenzitás eloszlásnak egy jól definiált formája van (pl. exponenciális vagy Gaussi), akkor az eloszlás képe a S str (q) térképen illeszkedni fog a megfelelő, jól elkülönülő egyeneshez, ami ehhez az eloszláshoz tartozik. Ez lehetőséget teremt a képek eloszlás szerinti karakterizálására, ahogy az 11. ábrán látható. 11. ábra Egy arany vékonyréteg felületről készült 1 µm 2 -es AFM kép, és az általánosított lokalizációja

29 SEM-el készült képek esetén először Varga Bernadett nevezte lokalizációs faktornak, azt a mérőszámot, amely megmutatja, hogy a kép pontjain számított általánosított lokalizáció melyik jellegzetes (exponenciális jellegű) eloszlás általánosított lokalizációjához van a legközelebb [50, 51]. Diplomamunkám célja az, hogy az általánosított lokalizációra alapozva egy lépéssel tovább haladva egy olyan új kvantitatív jellemzőt vezessek be, amely alkalmas arany vékonyréteg elektródok felületének minősítésére, és hogy megmutassam, hogy egy ilyen új paraméter jellegénél fogva jobban korrelál az arany vékonyrétegek elektrokémiai viselkedésével a hagyományos, pontátlag jellegű felületjellemző paraméterekhez képest A 3D RPT technológia és alkalmazása A 3D nyomtatás egy dinamikusan fejlődő eljárás, amelyet elterjedten használnak minden olyan területen, ahol prototípus szintű részegységekre vagy fizikai modellekre van szükség pl. légi és hadiipar vagy orvosi műszerek fejlesztése. A mai 3D nyomtatók már olyan finom felbontóképességgel rendelkeznek (pl. 16 µm rétegvastagság), amely lehetővé teszi azok mikrofluidikai fejlesztésekben történő alkalmazását is. Ennek ellenére még várat magára a 3D nyomtatásban rejlő lehetőségek teljes körű kiaknázása az alkalmazott kutatás-fejlesztés területén. A szakirodalom alapján ma a kutatók csak ritkán és speciális esetben alkalmaznak RPT-vel gyártott egységeket például fluidikai csatlakozások megvalósítására [52, 53] vagy pl. prizmatartó keretként felületi plazmon rezonancia berendezésben [54]. Orvosbiológiai alkalmazások közül a legjelentősebb a szájsebészeti felhasználás a diagnosztika támogatásához, ill. a terápiás beavatkozás és a szükséges implantátum megtervezéséhez [55]. Laborunkban két eddig máshol még nem publikált formában aknázzuk ki a technológia lehetőségeit mikrofluidikai alkalmazásokhoz. Egyrészt a 3D RPT-vel előállított alakzatokat öntőformaként használjuk PDMS (polidimetil-sziloxán) alapú mikrofluidikák előállításához. Ezzel a technikával sikeresen állítottunk elő pl. mikrofluidikai cellát felületi plazmon berendezéshez (12. ábra A) vagy sejtlízis-cellát (12. ábra B). A második újszerű alkalmazási terület a 3D nyomtatással előállított struktúrák alkalmazása direkt fluidikai egységekként. Az e célra történő felhasználás feltétele, a nyomtatáshoz használt akril alapú fotopolimer műgyanta (amely a nyomtatás során UV fény hatására kikeményedik) megfelelő kémiai kompatibilitása. A nyomtatáshoz használt alapanyagokról (Fullcure 750, illetve Fullcure Support 705) a gyártó szegényes dokumentációt szolgáltat a kémiai paraméterekkel (pl. vízfelvétel, anyagok kioldódása, ph állóság) kapcsolatban

30 12. ábra A) PDMS alapú mikrofluidikai cella felületi plazmon rezonanciás berendezéshez, B) PDMS fluidikai cella sejtlízis berendezéshez, az öntéshez használt RPT formákkal Az interneten fellelhető, a modellanyag kémiai kompatibilitását megcélzó vizsgálatok elsősorban az akril alapanyagok biokompatibilitására koncentrálnak, amit fontos megkülönböztetni a kémiai kompatibilitástól. Ezek során azt vizsgálják, hogy az állati szövetekbe beültetett RPT struktúrák okoznak-e ekcémás jelenséget (pl. bőrirritációt) [56], illetve hogy az RPT anyag jelenléte citotoxikus hatású-e (van-e negatív hatása sejttelepek növekedésére) [57]. Ezen vizsgálatokból a mi alkalmazási területünkre sajnos nem tudunk releváns következtetéseket leszűrni, mivel bennünket kémiailag érdeklő tulajdonságok a következők: Oldószer felvétel mértéke. Ez elektrolitok esetében ioncserélt vizet jelent. Az akril alapú anyag emissziójának mértéke, vagyis különböző (elsősorban vizes) oldószerek esetén bocsát-e ki magából szennyező molekulákat a 3D nyomtatással előállított struktúra. Oldott anyagok felvételének mértéke. Elektrolitok esetében az oldott sók illetve redoxi-ionok felvételét kell vizsgálni, emellett minden más bioérzékelő működéssel kapcsolatos és előforduló molekula vizsgálata indokolt lehet (pl. DNS, alkántiolok, avidin és egyéb fehérjék). Mivel a struktúrák kémiai tulajdonságairól és kompatibilitásáról az irodalom sem tesz említést, a vizsgálatokat magamnak kell elvégezzem, hogy megbizonyosodhassak afelől, hogy az RPT-vel előállított mérőcella alkalmas nagypontosságú elektrokémiai vizsgálatok elvégzésére. Ezen vizsgálatokat és eredményeiket az általam tervezett elektrokémiai mérőplatform bemutatásával együtt az 5.1. fejezetben tárgyalom

31 4. Kísérleti eszközözök és módszerek Ebben a részben bemutatom az általam elvégzett kísérletekhez használt alapanyagokat, eszközöket, műszereket és eljárásokat Felhasznált anyagok A tisztításhoz és mérésekhez használt anyagok, azaz a 6-mercapto-hexanol (MCH), a potassium ferrocianid és ferricianid ([Fe(CN) 6 ]K 3, [Fe(CN) 6 ]K 4 ), a ruténium hexaamine klorid [Ru(NH 3 ) 6 ]Cl 2, [Ru(NH 3 ) 6 ]Cl 3 ), a hidrogén-peroxid (H 2 O 2 ), az ammónium-hidroxid (NH 3 OH), a kálium nitrát (KNO 3 ), a 94 %-os kénsav (H 2 SO 4 ) és a PBS (phosphate buffered saline) a németországi Sigma Aldrich-tól lettek beszerezve Mintaelőkészítés Az AFM-es és elektrokémiai mérésekhez használt arany vékonyréteg hordozók típusait és tulajdonságait az 1. táblázat foglalja össze. A kiindulási hordozóra az adhéziós réteg és az arany vékonyréteg minden esetben vákuumpárologtatással lett felgőzölve. 1. táblázat A mérésekhez használt hordozók és tulajdonságaik Jelzés Hordozó típusa Hordozó vastagsága [mm] Adhéziós réteg típusa Adhéziós réteg vastagsága [nm] Aranyréteg vastagsága [nm] Forrás # 1 üveg 0,7 titán (Ti) Atomfiz. tsz. # 2 üveg 1,45 titán (Ti) Optilab Kft. # 3 üveg 1 króm (Cr) KFKI # 4 poliészter 0,1 titán (Ti) Atomfiz. tsz. Az üveg alapú hordozókat lézerrel 2,5 cm * 2,5 cm-es méretű lapkákra vágtuk az ETT Lézertechnológia Laboratórium munkatársainak segítségével. A lézeres daraboláshoz egy frekvencia háromszorozott Nd:YAG (Neodymium-adalékolt Yttrium Aluminium Gránát) típusú lézert használtunk. A lézer hullámhossza 355 nm, a fókuszátmérője kb. 30 µm volt. Az elektródmintázat kialakítására a lézert impulzus üzemben működtettük, a Q-kapcsoló frekvenciája 70 khz volt. A poliészter fólia alapú hordozókat méretre vágva kaptuk a gyártótól. Ezen hordozókon a tanszék egyéb elektrokémiai méréseihez lift-off technikával elektródmintázatot is kialakított a gyártó, ez a mintázatkialakítás a saját méréseimet nem befolyásolta. Az AFM-es és elektrokémiai mérések előtt a hordozókat ultrahangos káddal tisztítottam 96 %-os etanolban (EtOH) 15 percig, hogy eltávolítsam az aranyfelületet borító

32 makroszkopikus szennyeződéseket. Az elektrokémiai mérések előtt egy második, kémiai tisztító lépést is alkalmaztam. Ennek során hidrogén-peroxid (H 2 O 2 ), ammónium-hidroxid (NH 3 OH) és ioncserélt víz 1:1:5 térfogatarányú összekeverésével előállított tisztítószerben (úgynevezett bázikus piranha keverék) áztattam a hordozókat. A kémiai tisztítás időtartama kb. 15 perc szobahőmérsékleten vagy 7 perc 75 o C hőmérsékletre fűtve. Mivel a bioérzékelős alkalmazásokban az arany vékonyrétegek felületének tisztasága kulcsfontosságú követelmény, ezért megfelelő hatékonyságú tisztító módszert kell választanunk a felületek előkészítéséhez. A gyakorlatban elterjedten használt tisztító módszerekről Fischer csoportjának munkája ad egy jó áttekintést [58]. Ennek alapján az általam választott tisztító eljárás hatékonysága kielégítő, és nem túl destruktív a felülettel szemben, ami szintén fontos a felületi érdesség vizsgálata szempontjából Elektrokémiai eljárások Az elektrokémiai mérésekhez az 5.1. fejezetben bemutatásra kerülő általam tervezett, 3D RPT technológiával előállított mérőplatformot használtam. A platform mérőcellájának hermetikus zárása megakadályozza az elektrolit párolgását a mérések során, fix pozícionálása pedig O-gyűrű segítségével rögzíti a munkaelektród geometriai területét (1,327 cm 2 ). A cellán belül standard háromelektródos elrendezést valósítottam meg. Referencia elektródnak higany/higanyklorid (Hg/Hg 2 Cl 2 ) kalomel elektródot használtam (Radelkis OP-0830P), ellenelektródként 8 mm átmérőjű platina huzalt. A méréseket 1 M H 2 SO 4 -ben, 1M KNO 3 -ban vagy 10 mm PBS-ben (ph 7.4) végeztem. A Ciklikus Voltammetria (CV) és Elektrokémiai Impedancia Spektroszkópia (EIS) kísérleteket egy Voltalab PGZ 301-es potenciosztáttal végeztem. Az eszköz a számítógéppel RS232 porton keresztül kommunikál, a mérések végrehajtását a VoltaMaster 4 programmal, az eredmények kiértékelését a ZView 3.2c programmal végeztem. A beállítások az egyes mérési módszereknél a következők voltak: EIS: 10 mv-os amplitúdójú, szinuszos AC hullámot használtam 100 khz és 1 Hz kiindulási, ill. végfrekvenciákkal. A DC potenciált a vékonyrétegek karakterizálásánál 200 mv és 1200 mv között változtattam 50 mv-os lépésenként. CV (kapacitív): A kapacitív töltőáramok méréséhez az OCP körül ± 20 mv-os fűrészjel gerjesztést állítottam be. A pásztázási sebességet 10 mvs -1 és 200 mvs -1 között állítottam pásztázásonként

33 CV (redukció): A redukciós áramcsúcsok vizsgálatához a fűrészjel nagyságát 1500 mv pozitív és -100 mv negatív határok között változtattam 100 mv/s pásztázási sebességgel. A mérési szekvencia elindítása előtt mindig meggyőződtem róla, hogy az elektrokémiai rendszer egyensúlyban van, ezt egyensúlyi potenciál (OCP) mérésével és 2 mvmin -1 drift engedélyezésével garantáltam AFM-es eljárások Az ETT Metrológiai Laboratóriumában elvégzett AFM-es méréseimhez Veeco diinnova típusú mikroszkópot használtam kontakt üzemmódban, MSCT-AUNM-10 típusú mérőtűvel. A pásztázásokat Veeco Large Area Scannerrel végeztem, amelynek maximális scan mérete 100 µm * 100 µm, Z irányú átfogása pedig 8 µm. A PID szabályozó értékeit minden pásztázás esetében optimalizáltam az AFM kézikönyvében megadott algoritmus alapján. A képek utófeldolgozásához (szintezés, zajszűrés) és a standard paraméterek kiértékeléséhez (R a, R rms, f r, D f ) a Veeco SpmLAB XP Analysis programot és az ingyenesen elérhető Gwyddion (v2.20) programot használtam D nyomtatás A bemutatott elektrokémiai mérőplatformot és a kompatibilitási tesztekhez használt téglatesteket 3D RPT-vel (Rapid Prototyping Technology) gyártottam le Objet Geometries Eden 250 típusú 3D nyomtatóval. Az alkalmazott akril alapú fotopolimer típusa Fullcure 720, amihez Fullcure Support 705 típusú támaszanyagot használtam. A frissen kinyomtatott formákat 7 %-os NaOH oldatban 30 percig áztattam a támaszanyag eltávolítása végett

34 5. Kísérleti eredmények és értékelésük A fejezet első részében az általam tervezett 3D RPT alapú elektrokémiai mérőcellát mutatom be, illetve alkalmazhatóságának vizsgálatát. A második részben az AFM-el mérhető paraméterekre koncentrálok: ismertetem az általam kidolgozott módszert és Matlab programot a lokalizációs faktor kvalitatív meghatározására, majd négy eltérő technológiával előállított arany vékonyréteg AFM-es karakterizálásának eredményeit mutatom be. A harmadik alfejezet az elektrokémiai mérések eredményét ismerteti, amiket a negyedik részben hasonlítok össze a felületjellemző paraméterekkel konvolúciós vizsgálattal. Az ötödik alfejezetben tárgyalom az eredményekből levonható következtetéseket és a továbblépés lehetőségét Az elektrokémiai mérőplatform Jelen diplomamunkám előzményének tekinthető önálló laboratóriumi munkám során terveztem egy új elektrokémiai mérőplatformot, azzal a céllal, hogy kiküszöböljek két jelentős problémát, amely a mérések során jelentkezik és rontja az eredmények reprodukálhatóságát. Az egyik probléma az elektrolit párolgásának a hatása nyitott elektrokémiai mérőcellák esetén, amely főként hosszú mérések során okozhat gondot (lassú reakciók, vagy sok egymás után mérendő elektród egy hordozón). A párolgás következtében az elektrolit besűrűsödik, a redoxi-ionok koncentrációja megnő, ami EIS esetében a mért töltésátadási ellenállás csökkenését okozza, a (3) egyenlet értelmében. A prototípus szintű elektrokémiai mérési elrendezések másik problémája az eltérő effektív (az elektrolittal kapcsolatban lévő) elektródfelületekből adódó szórás, ami például a cella pontatlan pozícionálásából származhat. Az új elektrokémiai mérőplatform tervezése során ezért a két fő szempont az volt, hogy a reakciócella hermetikusan zárjon, és fix pozícionálás legyen megvalósítható az elektródokat hordozó vékonyréteg chippel. Az irányelvek alapján kigondolt platform tervrajzai láthatók a 13. ábrán. A mérőplatform lehetővé teszi standard háromelektródás mérések elvégzését, vagyis az ehhez szükséges makro referencia elektród befogadását (pl. Radelkis OP-0830P). Ellenelektródként platina szálat vezethetünk be a cellába a 0,6 mm átmérőjű furaton keresztül. A cella effektív térfogata 155 µl, amely kellően kis mennyiségű reagens és elektrolit felhasználását teszi lehetővé. A cella feltöltése a két 1 mm-es furatba vezetett injekciós tűvel buborékmentesen kivitelezhető. A 25 mm *25 mm-es hordozón lévő elektródokhoz történő fix pozícionálást egy 13 mm-es belső átmérőjű O-gyűrű biztosítja. Fontos megjegyezni, hogy az O-gyűrű fix pozícionálása csak azt garantálja, hogy az egyes struktúrák egyenlő mértékben

35 érintkezzenek az elektrolittal, a mintázatkialakításból származó eltérő elektródfelületek továbbra is szórást adhatnak a mérésekhez. 13. ábra Az új elektrokémiai mérőplatform tervrajzai A 14. ábrán a platform összeszerelésének 3D-s látványterve látható, jobb oldalon a legyártott platformmal és a nyomtatáshoz használt Objet Eden 250 nyomtatóval. A platform előnye, hogy egyszerűen összeszerelhető, a hordozó cseréje és a cella feltöltése gyors. 14. ábra Az új elektrokémiai mérőplatform összeillesztésének 3D-s látványterve (bal oldali és középső képek), a kész platformról készült fotó (jobb alsó kép) és az Objet Eden nyomtató (jobb felső kép)

36 Önálló laboratóriumi munkám során elkezdtem a legyártott mérőcella minősítését, ami elsősorban a cella alapanyagául szolgáló akril fotopolimer modellanyag kémiai kompatibilitásának vizsgálatára irányult. Tömegmérésekkel megállapítottam, hogy az akril alapanyagú RPT struktúrák térfogategységre eső vízfelvételi képessége kb. 14 µlcm -3, ami a mérőcellánk geometriai paramétereit figyelembe véve akár 20 %-os töltésátadási ellenállás csökkenést is okozhat, ha a platform magába szívja az elektrolit vizét. Ennek a kiküszöbölésére a cella belső, elektrolittal érintkező felületeit szilikon alapú bevonattal (conformal coating) láttam el, amelyet a gyártó kifejezetten az általam használt Fullcure 750 anyaghoz gyárt a külső kémiai behatások elleni védelem növelése érdekében (Tech Spray Fine-L-Kote SR). A bevonat jól tapad az akril alapú modellanyaghoz és szórásos technikával felvive a felületre kb µm vastagságú, összefüggő réteget alkot. A bevonat hatékonyságát és így a mérőplatform alkalmazhatóságát elektrokémiai mérésekkel ellenőriztem. Önálló laboratóriumi munkám során próbálkoztam a konduktometriával, de a rendelkezésemre álló Radelkis konduktométerrel nem megoldható a mért értékek automatikus leolvasása és tárolása, ezért a hosszú méréseket körülményes kivitelezni vele. Mivel a Voltalab (és a VoltaMaster program) képes a mért eredmények tárolására, de nincs konduktometria üzemmódja, ezért EIS-el helyettesítem ezt a mérési módszert. Előző munkám során hibásan a töltésátadási ellenállás változását monitoroztam az idő függvényében, mivel az (3) alapján lineárisan függ az elektrolit koncentrációjától. Probléma forrása volt, hogy R ct értéke a gyakorlatban érzékeny lehet más paraméterekre is (pl. elektrolit tisztasága, lassú adszorpciós folyamatok az elektróda felületén stb.) így nem szelektív mérőszáma az elektrolit koncentrációváltozásnak. Erre a legideálisabb EIS-el mérhető paraméter a cella soros ellenállása (R s ), ami csak a cella és az elektródok geometriai paramétereitől, valamint az elektrolit koncentrációjától (vezetőképességétől) függ, így gyakorlatilag helyettesíthetjük EIS-el a konduktometriát. A párolgás hatásának következtében kialakuló R s driftek láthatók a 15. ábrán. Az EIS méréseket kémiailag frissen tisztított, 25*25 mm-es teli arany vékonyréteg elektródokon végeztem (melyeken nem volt elektródmintázat kialakítva) 5 mm ferro/ferri cianidot tartalmazó 10 mm-os PBS elektrolitban egy szilikongumiból kialakított nyitott mérőcellában, ill. az RPT mérőplatformomban. A megjelenített eredmények minkét esetben 3-3 külön hordozón elvégzett mérések átlagai

37 15. ábra A párolgás hatásának összehasonlítása egy nyitott szilikongumi mérőcella és az új RPT alapú mérőplatform között a soros ellenállás (EIS) alapján A két mérési elrendezés közti különbség jól szembeötlő a kb. 2 órás intervallumon. A nyitott cellában a párolgás hatására kialakuló, közelítőleg exponenciális jellegű ellenállás csökkenés szórása nagy, mivel a párolgás sebessége függ például a hőmérséklettől vagy a párolgási felület nagyságától, ami jelen esetben az elektrolit cseppbe belemártott elektródok által definiált meniszkusz. Legrosszabb esetben 2 órás mérés esetén az elektrolitunk soros ellenállása akár a kiindulási érték 60 %-ára is eshet. Ehhez képest a zárt platformban elvégzett mérések esetén a soros ellenállás driftje egy esetben sem haladta meg a ± 6 % -ot, ami lévén EIS mérésekről van szó és nem konduktometriáról, az illesztések rendszeres hibája miatt nem sokkal nagyobb a mérés pontosságánál. A töltésátadási ellenállás ezzel szemben mindkét esetben jelentősen driftel, azonban már tudjuk, hogy az RPT mérőplatform esetén ez nem az elektrolit vezetőképesség változásának hatása, ahogy azt eredetileg sejtettem. Feltehetőleg R ct driftje az elektródfelületek, ill. az elektrolit nem tökéletes tisztaságával van kapcsolatban. Mérési összeállításunk további fejlesztésére laborunk úgynevezett kesztyűs szekrény (glove box) építését kezdte meg, amin belül inert nitrogén atmoszféra fogja biztosítani, hogy a hordozók a kémiai tisztítás után ne érintkezzenek a levegővel illetve oxigénnel. Várhatóan az elektrokémiai méréseink reprodukálhatóságát tovább fogja növelni az új berendezés, ezért R ct driftjének vizsgálatára illetve a platform további minősítésére a szekrény elkészülése után fogok visszatérni. Addig a 15. ábra mérési eredményei alapján azt feltételezem, hogy a platformom a párolgási hatás kiküszöbölése miatt előnyösebb elrendezés a nyitott elektrokémiai celláknál és ezért a további méréseimet az RPT alapú mérőplatformban végzem el

38 5.2. AFM Az eltérő technológiával előállított arany vékonyrétegek (lásd 1. táblázat) AFM-es karakterizáláshoz és összehasonlításához összesen 140 kontakt üzemmódúmódú képet készítettem és értékeltem ki: 4 vékonyrétegről, típusonként 7 pásztázási méretben (1, 4, 9, 36, 100, 400, 900 µm 2 ) és felbontásonként 5 képet a reprodukálhatóság vizsgálhatósága érdekében. A 16. ábrán példaként 1 µm 2 -es AFM-es képeket láthatunk az egyes vékonyrétegekről. 16. ábra Az eltérő technológiával előállított vékonyrétegek 1 µm 2 -es AFM képei A képeket jól megfigyelhető, hogy az eltérő technológiával előállított arany vékonyrétegek szemcsézettsége, szemcsemérete (grain size) és ennek következtében felületi érdessége is eltérő. A képek alapján legsimábbnak a #4-es jelű vékonyréteg tűnik, feltehetőleg azért, mivel a poliészter fólia eleve simább kiindulási hordozó az üvegnél és mivel a felpárologtatott vékonyréteg továbbviszi a kiindulási hordozó érdességét. Mielőtt bemutatnám a képek kiértékelésének eredményeit az elterjedt felületjellemző paraméterek szempontjából, megmutatom, hogyan lehet a 3.4. fejezetben ismertetett elvet kvantitatív kiértékelésre használni, vagyis számszerűsítem a lokalizációs faktor jellemzőt

39 A lokalizációs faktor meghatározása A 3.4. fejezetben megmutattam, hogy az I i intenzitás eloszláson értelmezett (q; S str ) átalánosított lokalizáció függvénypár alkalmas lehet AFM-es képek topológia információtól mentes struktúrájának analízisére. A 17. ábrán példát láthatunk két eltérő technológiával előállított arany vékonyréteg 1 µm 2 -es AFM képének általánosított lokalizáció eloszlásaira. A két eloszlást a 16. ábrán is prezentált két képen (#1, #2) számoltam Dr. Nagy Szilvia és Molnár László Milán 2006-os Matlab programjával, amely munkám kiindulási pontját képezte. A program a megadott képeket állítható számú csempékre osztja (jelen esetben 3*3 = 9 db csempére), majd minden csempére kiszámolja az általánosított lokalizációt numerikus integrálok segítségével. Az eredményeket pontonként kirakja a S str (q) térképre, ahova kirajzolja jellegzetes eloszlások (exponenciális, Gaussi és exp(-x 4 )) általánosított lokalizációit is. A teljes program forráskódja megtalálható a Függelékben. 17. ábra Két eltérő technológiával előállított arany vékonyréteg (#1, #2) 1 µm 2 -es AFM képének általánosított lokalizációi összevetve jellegzetes eloszlások lokalizációival A 17. ábrán megfigyelhető, hogy a két vékonyréteg általánosított lokalizációi jól megkülönböztethetően elválnak egymástól. Amíg az #1-es típusú vékonyréteg átalánosított lokalizációja közelebb áll az exp(-x 4 ) eloszlás lokalizációjához, addig a #2-es jelű a Gaussihoz (~exp(-x 2 )) van közelebb. Ahhoz, hogy az AFM-ek képeken számolt általánosított lokalizációt számszerűsíteni tudjuk, bevezetem az úgynevezett lokalizációs faktor mennyiséget. Egy kép lokalizációs faktora (továbbiakban jele α) legyen az az érték, amelyre a képből számított általánosított lokalizáció és az exp(-x α ) alakú próbafüggvény általánosított lokalizációja a legkisebb négyzetes eltérést adja. A lokalizációs faktor tehát a választott, exponenciális jellegű próbafüggvény kitevője

40 Az AFM-es képek lokalizációs faktor szerinti kvantitatív kiértékeléséhez tehát meg kell találni azt az exp(-x α ) alakú próbafüggvényt, amelynek az általánosított eloszlására a legjobban ráillik az adott kép csempéin számolt általánosított eloszlások ponthalmaza. A feladat megoldásához jelentősen kibővítettem a kiindulási Matlab programot. Megoldásom első lépésében kiszámoltam a próbafüggvények általánosított lokalizációját az α: 0,2-16 intervallumon, 0,02 százados felbontással. Az eredményeket két darab mátrixban ([α;q], [α;s str ]) tárolom. Második lépésben a programom kiszámítja az összes α paraméter esetén a kép csempéiből számított általánosított lokalizáció [q;s str ] kép és az előre kiszámolt próbafüggvény általánosított lokalizációk [q;s str ] α négyzetes hibáit. Az ábrán bemutatott két általánosított lokalizációra a programommal kiszámított négyzetes hiba(α) függvények láthatók a 18. ábrán. 18. ábra Két eltérő technológiával előállított arany vékonyréteg (#1, #2) 1 µm 2 -es AFM képein számított általánosított lokalizációk és az exp(-x α ) alakú próbafüggvények általánosított lokalizációinak négyzetes hibái Ahogy látható, a különböző típusú vékonyrétegekre a négyzetes hiba(α) függvények az általánosított lokalizációhoz hasonlóan identikusan megkülönböztethetőek. A függvényeknek jól determinált minimumpontja van, ami egyszerűen, például polinom illesztés segítségével meghatározható. A minimumszámítást elvégezve azt kapjuk, hogy az #1-es jelű vékonyrétegről készült 1 µm 2 -es AFM képen számítható lokalizációs faktor 4,2-nek adódik, amíg a #2-es jelű 2,6-os lokalizációs faktort ad. A különböző vékonyrétegekről készült összesen 140 db kép könnyebb kiértékeléséhez a programomat Matlab Guide-dal egészítettem ki, ahogy a 19. ábrán látható. A program főablakának bal felső részében választhatjuk ki a kiértékelni kívánt képeket (egyszerre maximum 5 darab), amiknek az aktuális Matlab munkakönyvtárban kell lenniük. A Rajzol gomb megnyomása kirajzolja az öt képen számolt négyzetes hiba(α) függvényeket a felső koordináta rendszerbe. A program bal alsó részében kiválaszthatjuk, hogy az öt függvény

41 közül melyeket akarjuk belevenni az átlagolásunkba. Például, ha egy azonos típusú vékonyrétegen és azonos felbontás mellett készült kép négyzetes hiba(α) függvénye jelentősen eltér a többi hasonló kép négyzetes hiba(α) függvényétől, az lehet annak a következménye, hogy a kép szűretlen zajt, vagy egyéb torzulást tartalmaz. Ekkor lehetőségünk van ezt a kilógó képet figyelmen kívül hagyni, és kivenni az átlagolandó függvények közül. 19. ábra A lokalizációs faktor meghatározó programom főablaka Az Átlagolás gombra kattintva a program kiátlagolja a választott négyzetes hiba(α) függvényeket és kirajzolja őket az alsó koordináta rendszerbe (kék görbe). A görbe minimumának meghatározása polinom illesztéssel, a Curve Fitting Toolbox vezérlésén keresztül történik. Az illesztendő polinomok fokszáma 4 és 9 között változtatható, a minimum ott található, ahol az illesztett polinom függvény deriváltja előjelet vált. A program által számolt minimum hely tehát a kiválasztott képekre átlagolt lokalizációs faktor. A program jobb oldalán kiválaszthatjuk, hogy a kép általánosított lokalizációjának számításakor hány darab csempére osszuk fel a képet. A próbafüggvények előre kiszámolt általánosított lokalizációit tartalmazó adatsorokat külön be kell tölteni, mivel azokat a program nem számolja ki, hiszen ez jelentős időbe kerülne. Ez a módszer lehetőséget ad arra is, hogy amennyiben az általam használt exp(-x α ) alakú próbafüggvénytől eltérő