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

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

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.

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

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

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 (1840 1905) 2. Soros képképzés (pásztázó típusú mikroszkópok) képpont A pásztázás elvének felfedezése: Max Knoll 1935. Felbontás: a nyaláb (vagy a mérőszonda) mérete a mintán szabja meg.

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.

Lencsehibák 9 Lencsehibák gömbi hiba szini hiba asztigmatizmus apertura diffrakció

Optikai mikroszkópok 10 Optikai mikroszkópia Látható fénnyel működik (~ 400 nm 800 nm). A tudomány ilyen mikroszkópot használt először. Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723, Netherlands) Korának legnagyobb nagyítású (~300), egylencsés mikroszkópját készítette el Tudományos igénnyel alkalmazta. Felfedezte az egysejtűeket, baktériumokat, a vörös vértestet stb. Carl Zeiss (1816 1888) (Ernst Abbe, Otto Schott) A fejlesztés irányai: - a mikroszkóp működési elvének feltárása (Abbe) - a lencshibák csökkentésének módjai - az üveggyártás fejlesztése

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 0,911 10 g 2mE E( ev ). e 3 Pl. E=100 kev λ 3,8 10 nm. A lencse látószöge kicsi: u ~ 10-2. Ma a nagyfelbontású transzmissziós elektronmikroszkóp (HRTEM) felbontási határa 0,1-0,2 nm.

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).

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.

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.

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

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.

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

FEI Quanta 3D SEM/FIB 18

NMR 19 MAGMÁGNESES REZONANCIA 19

NMR 20 B o 20

NMR 21 B o B belső 21

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

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 2 4 (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.

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).

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.

És akkor... 26 Itt kezdődik a laborok látogatása