A szubmikronos anyagtudomány néhány eszköze. Havancsák Károly ELTE TTK Központi Kutató és Műszer Centrum július.

Átírás

1 1 A szubmikronos anyagtudomány néhány eszköze Havancsák Károly ELTE TTK Központi Kutató és Műszer Centrum július.

2 Mikroszkópok 2 - Transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM), - Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM), - Pásztázó alagútmikroszkóp (STM), - Atomi erőmikroszkóp (AFM), - Pásztázó közeltér optikai mikroszkóp (SNOM).

3 Spektrométerek 3 - Mag mágneses rezonancia spektrométer (NMR), - Raman-spektrométer,

4 nano 4 A nano előtag a görög nanos = törpe szóból származik. 1 nm = 10-9 m, ami körülbelül 5 nagyságrenddel kisebb, mint az emberi szem felbontóképessége és egy nagyságrenddel nagyobb, mint a hidrogénatom átmérője. Nanotudomány: az 1 nm 100 nm tartományba eső objektumok felhasználása eszközkészítés céljára.

5 Mérettartományok 5 fullerén baktériumok bolha hajszál vörös vértest H-atom PtO 2 DNS vírusok nanolitográfia TiO 2 C nanocső

6 Mérettartományok 6 fullerén baktériumok bolha hajszál vörös vértest H-atom PtO 2 DNS vírusok nanolitográfia TiO 2 C nanocső

7 A Képképzés fajtái 7 A mikroszkópia két fajtája 1. Párhuzamos képképzés (optikai mikroszkóp, transzmissziós elektronmikroszkóp) Képképzés lencsékkel. A nyalábok interferenciája alakítja ki a képet. Felbontás: d 2n sina Ernst Abbe ( ) 2. Soros képképzés (pásztázó típusú mikroszkópok) képpont A pásztázás elvének felfedezése: Max Knoll Felbontás: a nyaláb (vagy a mérőszonda) mérete a mintán szabja meg.

8 Párhuzamos képképzés 8 Az ideális mikroszkóp (optikai, TEM) sugármenete Az ábra egy lencse leképezését mutatja az Abbe-elmélet szerint. A mintát az f(x,y) komplex függvény írja le. A fókuszsíkban az f(x,y) függvény Fourier-transzformáltja jelenik meg (mint a Fraunhofer-kép esetén). A lencse úgy működik, hogy a képsíkban ismételt Fourier-transzformáció eredményeképpen a tárgy nagyított képe jelenik meg.

9 Lencsehibák 9 Lencsehibák gömbi hiba szini hiba asztigmatizmus apertura diffrakció

10 Optikai mikroszkópok 10 Optikai mikroszkópia Látható fénnyel működik (~ 400 nm 800 nm). A tudomány ilyen mikroszkópot használt először. Antonie van Leeuwenhoek ( , Netherlands) Korának legnagyobb nagyítású (~300), egylencsés mikroszkópját készítette el Tudományos igénnyel alkalmazta. Felfedezte az egysejtűeket, baktériumokat, a vörös vértestet stb. Carl Zeiss ( ) (Ernst Abbe, Otto Schott) A fejlesztés irányai: - a mikroszkóp működési elvének feltárása (Abbe) - a lencshibák csökkentésének módjai - az üveggyártás fejlesztése

11 Mikroszkópok felbontása 11 A hagyományos fénymikroszkóp a nanotartományban (<100 nm) nem jöhet szóba, hiszen az Abbe-féle felbontási határ korlátot szab: d λ 2n sinu ahol u a lencse félnyílásszöge, n a tárgy és a lencse között lévő közeg törésmutatója, λ a fény hullámhossza (ferde megvilágításra vonatkozó összefüggés). Maximális értékek: n<1,5; u<65 o ; NA=nsinu=1,4; λ=550 nm; Ezzel látható fényre az elvi felbontási határ: ~ 200 nm. Ezzel szemben az elektronmikroszkópban az elektronok de Broglie-hullámhossza: λ h p ; E 2 p 2m λ h 1,2 ( nm), -27 m 0, g 2mE E( ev ). e 3 Pl. E=100 kev λ 3,8 10 nm. A lencse látószöge kicsi: u ~ Ma a nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkóp (HRTEM) felbontási határa 0,1-0,2 nm.

12 Elektronmikroszkópia 12 Az elektron anyag kölcsönhatás kiváltotta termékek 1. Előre szórt elektronok. Nincs energiaveszteség, nincs irányváltozás. A transzmissziós elektronmikrószkópiában (TEM) a világos látóterű (bright-field) képhez felhasználható. 2. Rugalmatlanul szóródó elektronok. Kis energiaveszteség, kis szögben szóródás. Felhasználható: elektron energiaveszteség spektroszkópiában és speciális képalkotásra. 3. Rugalmasan szóródó elektronok. Nincs energiaveszteség, az irányváltozás fok nagyságrendű. Kristályos anyag esetén az irányt a Bragg-törvény szabja meg. TEM diffrakció, TEM sötét látóterű kép (dark field), és a nagyfelbontású elektronmikroszkópia (HREM) használja. 4. Szekunder elektronok. A minta nyaláb felöli oldalán keletkeznek. Gyengén kötött, külső héjon lévő elektronoktól erednek, amelyeket a nyaláb kiüt a helyükről. Összegyűjtve topografikus (felületi) információt adnak a pásztázó elektronmikroszkópiában (SEM). 5. Visszaszórt (backscattered) elektronok. Az eredeti nyalábból rugalmas és rugalmatlan nagyszögű szórást szenvedett elektronok. Képalkotásra felhasználható (SEM).

13 Elektronmikroszkópia 13 Az elektron anyag kölcsönhatás kiváltotta termékek 6. Röntgen-sugárzás. Az elsődleges elektronnyaláb hatására belső héjon elektron vakancia keletkezik. A betöltődés során röntgen foton távozik. Az analitikus elektronmikroszkópiában (AEM) a legáltalánosabban használt jel. Kémiai összetétel meghatározásra használható.

14 Példa mikroszkópi és diffrakciós képekre: 14 Az ábrán egy Ir-Si atomokból álló minta elektronmikroszkópos képét és diffrakciós képét látjuk különböző hőmérsékletű hőkezelések után. Az első képpár az amorf kiindulási állapotot mutatja, széles gyűrűkkel a diffrakciós képen (az autokorrelációs függvény Fourier-transzformáltját látjuk). A második képpáron az látszik, hogy 400 C o -os hőkezelés után a minta aprószemcséssé vált (porminta), ami a diffrakciós képen keskeny gyűrűk kialakulásához vezet. A harmadik képpár 700 C o -os hőkezelés után az egyik nagy szemcse (egykristály) diffrakciós pontjait mutatja.

15 HRTEM mikroszkópi üzemmód A [011] kristályirányra merőleges keresztirányú (cross section) HRTEM felvétel a kvantumpöttyről 15 A TEM felbontása a nanotartomány vizsgálatát is lehetővé teszi. GaAs mátrixra növesztett InAs kvantum pötty TEM felvételei. b) a g=(001) diffrakciós iránnyal képezett világos látóterű kép c) a a g=(200) diffrakciós iránnyal képezett sötét látóterű kép d) a a g=(220) diffrakciós iránnyal képezett sötét látóterű kép

16 SEM 16 Pásztázó elektronmikroszkóp (scanning electronmicroscope=sem). Elterjedt, népszerű anyagvizsgáló eszköz, amellyel a felületközeli tartományok vizsgálhatók. Működési elv Az elektron nyaláb fókuszálva pásztázza a minta felületét sorról sorra. A katódsugárcső elektronnyalábja ezzel szinkronban pásztázza a képernyőt. Az elektronnyaláb által kiváltott szekunder elektronokat, visszaszórt elektronokat és röntgen fotonokat detektorok érzékelik. A detektorok jelével moduláljuk a képernyő nyalábját. Ahol valamilyen objektum miatt a felületről érkező termék intenzitása változik, ez a változás a képernyőn is látszik. Így alakul ki a kép. Soros képképzés. A képalkotáshoz nem kellenek lencsék. A lencsék tulajdonságai elsősorban a fókuszálás minőségében jelennek meg, ami közvetve befolyásolja a képalkotást. A maximális felbontás ma ~ 1 nm.

17 A SEM felépítése 17 A mikroszkóp felépítése Tipikus elektron energia: 500 ev-30 kev.

18 FEI Quanta 3D SEM/FIB 18

19 NMR 19 MAGMÁGNESES REZONANCIA 19

20 NMR 20 B o 20

21 NMR 21 B o B belső 21

22 Raman-spektroszkópia 22 C. V. Raman, indiai fizikus Raman 1928-ban mérte először a róla elnevezett szórást, 1930-ban K. S. Krishnan-nal együtt megosztott Nobel-díj. Az elektromágneses hullámok szórásán alapuló spektroszkópia. Szórás akkor következik be, ha a rendszernek nincs a gerjesztő hullám energiájával megegyező sajátenergiája. A Raman-spektroszkópia leggyakrabban látható, vagy UV gerjesztő fénnyel dolgozik. A szórásos spektroszkópia két lehetséges elrendezése: átlátszó anyagok átlátszatlan anyagok

23 Raman-spektroszkópia 23 Általában az elektromágneses hullámok szórásának mechanizmusát a Rayleigh-elmélet írja le. A részecskében lévő elektronok kényszerrezgést végeznek, és a létrejövő rezgő dipólmomentum a dipolmomentum második idő szerinti deriváltjával arányos amplitúdójú elektromágneses hullámot bocsát ki. Ennek négyzete a mért intenzitás: I r (1 cos 2 ) θ a dipólus tengelyéhez képest mért szög. Általában a szórás feltétele, hogy a részecske polarizálható legyen, vagyis az elektromágneses hullám hatására dipolmomentum jöjjön létre. P D ( ) ae( ) α a polarizációs együttható, amely tenzor mennyiség.

24 Raman-spektroszkópia 24 A kvantum-elmélet szerinti energia ábra: A gerjesztő elektromágneses hullám energiája nagyobb, mint a rezgési normál módusok energiája. A gerjesztés során a rendszer állapota virtuális energia szintre emelkedik. Ez az állapot nem sajátállapot, a rendszer gyorsan felveszi valamelyik sajátállapotát, miközben a különbségi energiát szétsugározza. Rayleigh-szórás: Ha kezdetben a rendszer alapállapotban volt, és alapállapotba tér vissza, akkor a gerjesztési frekvenciának megfelelő hυ energiájú elektromágneses hullámot sugároz. Raman Stokes-módus: Ha a rendszer kezdetben alapállapotban volt, és az első gerjesztési szintnek megfelelő gerjesztett állapotba tér vissza, akkor a szétsugárzott energia h(υ-ω). Raman anti-stokes-módus: Ha kezdetben a rendszer az első gerjesztési szintnek megfelelő sajátállapotban volt, és alapállapotba tér vissza, akkor a szétsugárzott energia: h(υ+ω).

25 Raman-spektroszkópia 25 A Raman-spektroszkópia alkalmazása A Raman-spektroszkópia széles körben használatos molekula rezgési módusok, szilárd testek fonon-módusainak vizsgálatára. A Raman-spektroszkópia az utóbbi időben különösen nagy jelentőséget kapott a nanorészecskék vizsgálatában (pl. szén nanocső rezgési módusai, C 6 fullerén vizsgálata). A molekulák Raman-spektruma jellemző a szóró molekulára, és ujjlenyomatszerűen alkalmazható például gáz fázis molekula-összetételének vizsgálatára. Pl. a műtőkben az altató gáz megfelelő összetételének ellenőrzésére Fullerén Raman-spektrumának Stokes-vonalai Gyakran a nanotartományban használatos mikroszkópokat (pl. AFM) egybeépítik Raman-spektroszkóppal.

26 És akkor Itt kezdődik a laborok látogatása