CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - FBMI

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU 

(Optický mikroskop, SEM, STM, SNOM, AFM, TEM) 

Morfologie – nauka o tvarech. Studium tvaru povrchu vrstev a povlaků 

(nerovnosti, inkluze, kapičky, hladkost, ….). 

Topologie – matematická disciplína studující ty vlastnosti prostoru, 

které se zachovávají při spojitých deformacích, jako např. souvislost, 

kompaktnost n. dimenze (Technický slovník naučný SNTL, 1985). 

Opírá se o obecný výklad pojmu prostor, studuje vlastnosti útvarů.


(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM) 

Rozlišovací schopnost světelného mikroskopu 

d ~ l/ (2 .A), kde A je úhlová apertura, A = n sina, 

n – index lomu prostředí mezi předmětem a 

objektivem 

a - úhel sevřený optickou osou a krajními paprsky svazku 

vstupujícího do objektivu. 

(Rayleighovo kritérium – dva body jsou pozorovatelné odděleně, jestliže jejich 

vzdálenost je větší než 0,61 l/ (n . sin q) kde l je vlnová délka použitého světla, n 

index lomu prostředí a q je poloviční vstupní úhel zobrazovací soustavy). 

Hranice optické mikroskopie – nemůže oddělit dva obrazy jejichž vzájemná vzdálenost 

je menší než polovina vlnové délky použitého světla (plyne z Heiss. principu 

neurčitosti) 

Světelný zdroj s l = 400 nm – max. rozlišovací schopnost 200 nm. 

Lidské oko rozliší dva body vzdálené od sebe 0.2 mm. 

Rozlišovací schopnost s elektrony je …10 -11 mm 

(P. Tománek, Čs.čas.fyz.1, 2001)



SEM (scanning electron microscopy - rastrovací elektronový 

mikroskop) je jedním z nejuniverzálnějších přístrojů pro sledování a 

analýzu mikrostrukturálních charakteristik pevných látek a jejich 

povrchů. 

Řada zdrojů informací v rastrovacím elektronovém mikroskopu (jako 

např. Rentgenovo záření a Augerovy elektrony), poskytne důležité údaje 

o složení vzorku nejenom v jeho objemu, ale zejména v blízkosti 

povrchu. 

SEM - Interakce elektronů s látkou –Elektronový mikroskop – 

k zobrazení se používá fokusovaného elektronového svazku 

Elektronové čočky - elektrostatické 

- magnetické


Interakce svazku elektronů s pevnou látkou a její typické odezvy. E 0 je energie primárních 

elektronů, D E je charakteristická ztráta, Q je Braggův úhel.

SEM (Scanning Electron Microscopy – rastrovací 

elektronový mikroskop), Hulínský, Jurek, Zkoumání látek elektronovým 

paprskem, SNTL 1982 

Při energiích elektronů užívaných při mikroanalýze (5 až 50 keV) 

dosahují elektrony rychlostí, které se blíží rychlosti světla. 

Při průchodu hmotou se elektrony nejen rozptylují, ale také ztrácejí při 

srážkách s atomy část své energie. 

V zásadě mohou nastat při nárazu elektronu na atom dva případy : 

-elektron se odrazí (rozptýlí) do jiného směru beze ztráty své původní 

rychlosti (energie) – tzv. pružný rozptyl, 

-část energie předá atomu a dále se pohybuje se zmenšenou kinetickou 

energií (nepružný rozptyl). 

Při dopadu svazku elektronů na povrch se v blízkosti povrchu objeví 

kromě odražených elektronů ještě další skupina elektronů – sekundární, 

mající energii jednotek až desítek eV.

SEM 

Obr. Typické spektrum získané při ozáření stříbra elektrony o energii 160 eV. Oblast A – pružně 

odražené elektrony, B- nepružně odražené elektrony, C- přechodová oblast, D- 

sekundární elektrony. 

Emise sekundárních elektronů je nejvyšší při nízkých energiích primárních elektronů. 

Sekundární elektrony vznikají při pronikání primárních elektronů hmotou jako produkt 

nepružných srážek. Při ionizaci se uvolňují elektrony slupek atomů a mají – li dostatečnou 

energii, mohou se ve vzorku pohybovat. Jejich pohyb se zpomaluje a tak mohou uniknout ze 

vzorku jen v případě, že nejsou generovány hlouběji než v jisté maximální hloubce.

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - SEM 

Rastrovací elektronová mikroskopie SEM – 

Rentgenové záření, Augerovy elektrony – poskytnou údaje o složení 

vzorku 

Obraz se vytváří bod po bodu. 

Elektrony emitované tryskou jsou soustřeďovány do úzkého 

svazku,vychylování cívkami, paprsek probíhá po povrchu vzorku, řádek 

po řádku. 

Zvětšení 20 – 200 000 x 

Rastrovací obdélník má stranu cca 1 mikrometr. 

Rozlišení 3 – 6 nm (zhruba o řád horší než v TEM)- Gricová, skripta ČVUT,1992 

SEM používá sekundární elektrony emitované z povrchu. Intenzita a 

úhel emise závisí na morfologii povrchu a na materiálu. Zesílení SEM je 

asi max. 250 000 x (oproti optickým mikroskopům s 300 x zesílením). 

SEM má dobré příčné a vertikální rozlišení.

SEM 

Elektronový mikroanalyzátor používající detekce a spektroskopie 

charakteristického rentgenového záření jako zdroje informace je 

výkonným přístrojem pro elementární analýzu malých objemů. 

Vzorek je analyzován většinou nedestruktivně a přístroj umožňuje 

studovat i rozložení koncentrace prvků po ploše. 

Přesnost stanovení chemického složení činí obvykle 1 až 2% z 

celkového obsahu stanoveného prvku.


SEM slouží k zobrazování i trojrozměrných preparátů s vysokým 

rozlišením a s velkou hloubkou ostrosti. 

Elektrony emitované tryskou a urychlené vysokým napětím jsou 

soustřeďovány do úzkého svazku, který je vychylován cívkami tak, že 

probíhá po povrchu vzorku, řádek po řádku. 

SEM má rozlišení převyšující rozlišení světelné optiky. Vyznačuje se 

velkou hloubkou ostrosti a možností lokální analýzy z vybraného místa. 

Zvětšení u elektronového rastrovacího mikroskopu je dáno poměrem 

délek stran obrazovky a rastrovacího obdélníku na vzorku. 

Pohybuje se v rozmezí 20 až 200 000. Rastrovaný obdélník na vzorku 

má stranu cca 1 mikrometr.


Hitachi

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU – SEM 

(Kraus,…Úvod do fyz. pevných látek, skripta ČVUT) 

Elektrony jsou emitovány wolframovou katodou, urychlovány kladným 

napětím 5 – 50 kV a elektronovou optikou koncentrovány do úzkého 

svazku (dosažitelný průměr má hodnotu jednotek nanometrů) 

dopadajícího na vzorek. 

Vychylovací čočky řádkovacího systému svazek elektronů rozmítají po 

pozorované oblasti povrchu- svazek přejíždí oblast bod po bodu a řádek 

po řádku. 

V rastrovacím elektronovém mikroskopu volíme jako odezvu na excitaci 

primárními elektrony buď pomalé sekundární elektrony, nebo rychlé 

elektrony pružně odražené. Po jejich detekci vhodným detektorem je 

vzniklým elektrickým signálem modulován jas elektronového paprsku 

dopadajícího na obrazovku (podobně jako v TV technice). 

Zvětšení (10 5 a více) je dáno poměrem strany obrazovky k délce úseku 

řádkovaného na povrchu vzorku.


(Kraus,…Úvod do fyz. pevných látek, skripta ČVUT) 

Rastrovací mikroskop má rozlišovací schopnost až 20 – 25 nm a 

hloubkovou ostrost i 300 krát větší než optické mikroskopy. (Hloubkové 

rozlišení závisí na detekovaných částicích. Nejblíže k povrchu vznikají 

sekundární elektrony, pružně rozptýlené elektrony přinášejí informaci z 

hloubek řádu 10 2 nm). 

Emise sekundárních elektronů je citlivá na povrchovou topografii, 

lokální elektrické a magnetické pole a na chemickém složení. 

Pružně odražených elektronů lze využít ke sledování povrchových 

nerovností,… 

Při malých zvětšeních, kde se může řádkovací mikroskopie srovnávat s 

mikroskopií světelnou, je elektronová technika bez konkurence díky své 

mimořádné hloubce ostrosti.


Metoda SEM je jednou z nejuniverzálnějších pro analýzu 

mikrostrukturálních charakteristik a je založena na principu interakce 

svazku primárních elektronů s hmotou vzorku. 

Analyzujeme emitované sekundární elektrony pro studium morfologie 

nebo primární odražené elektrony při zaměření na složení materiálu. 

Svazek primárních elektronů je změřen na určité místo, na němž dochází 

k přenosu energie, a jsou uvolňovány elektrony ze zkoumaného vzorku. 

Tyto dislokované elektrony (tzv. sekundární elektrony) jsou přitahovány 

ke kolektoru sekundárních elektronů, kde jsou převedeny na signál. 

Zachycený signál se přenáší na pozorovací obrazovku. Svazek 

primárních elektronů je cívkami vychylován tak, že řádek po řádku 

přejíždí vymezenou plochu vzorku. 

Čím je úhel dopadu primárního svazku vzhledem k normále pozorované 

plošky menší, tím je emise sekundárních elektronů silnější a ploška na 

obrazovce se jeví světlejší. Přístroje rastrovací elektronové mikroskopie 

obvykle užívají urychlovacího napětí 10 – 50 kV, mají rozlišovací 

schopnost 7 – 10 nm a je možné dosáhnout zvětšení až 300 000x.


• Film morphology by SEM 

► smooth surface covered by small droplets 

► diameters of droplets of HA films: 5 μm – 20 μm 

► diameters of droplets of ZrO2 films: 1 μm – 5 μm 

HA film (magn. 400x) ZrO2 film (magn. 400x)



Studium povrchů – metody mikroskopie řádkovací sondou (scanning 

probe microscopy, SPM). 

K nejdůležitějším patří : 

STM – scanning tunneling microscopy – řádkovací tunelovací 

mikroskopie 

AFM- atomic force microscopy – mikroskopie atomárních sil 

NSOM – řádkovací optická mikroskopie blízkého pole – near 

field optical microscopy



STM – Scanning Tunneling Microscopy (rastrovací tunelová mikroskopie) 

STM - princip : 

• jsou-li dva vodivé materiály v dostatečné blízkosti (ale ne v kontaktu), 

mohou elektrony projít z jednoho materiálu do druhého (protéká 

tzv. tunelový proud). 

• Velikost tunelového proudu silně (exponenciálně) závisí na vzdálenosti 

materiálů a na přiloženém napětí. 

• Sondou je ostrý kovový hrot, na jehož konci se nachází jen několik 

atomů. Sonda sleduje změny tunelového proudu a sestavuje tak 

obraz lokální hustoty elektronů (obraz povrchu). 

• Základní předností je vysoké sub- atomární rozlišení 

• V okolí hrotu je přiloženým napětím vytvářeno silné elektrické pole, 

schopné vytrhnout atom z povrchu – umožňuje manipulaci s 

jednotlivými atomy 

• Pracuje se v UHV (10 -9 Pa) a lze dosáhnout atomárního rozlišení 

(zviditelnění jednotlivých atomů). 

• Hlavní nevýhodou STM je, že může být použita pouze pro vodivé 

vrstvy.

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - STM 

STM


Detekční princip STM je založen na jevu tunelování elektronů z povrchu 

pevné látky. Podstata vyplývá z vlnového charakteru elektronů v pevné 

látce, díky němuž je pravděpodobnost jejich výskytu vně povrchu 

nenulová i v případě, že energie elektronů nepostačuje k překonání 

povrchové energetické bariéry. 

Tyto elektrony jsou registrovány prostřednictvím vodivého hrotu (sondy) 

pohybujícího se těsně nad povrchem (0,1 – 1 nm), na který je přiloženo 

malé urychlující napětí (10 – 100 mV). 

Druhou elektrodu tvoří vodivý povrch vzorku. Proud protékající mezi 

povrchem vzorku a hrotem se nazývá tunelovací proud a jeho velikost 

závisí na lokálních vlastnostech povrchu, jako jsou jeho chemické 

složení, přítomnost atomů adsorbátu nebo tenkých filmů, nečistoty, apod. 

Typické hodnoty tunelovacího proudu se pohybují v rozsahu pA – nA. 

(Kalvoda, Parshin, skripta ČVUT FJFI)


STM je na http://www.civ.cvut.cz/info/download.php a STM Movie na 

www.physics.leidenuniv.nl/sections/cm/ip a Materialstoday, May 2005, Elsevier 

STM – (první demonstrace kvantově- mechanického tunelování v r. 

1960, první STM v r. 1981, Nobelova cena v r. 1986- Binning, Rohrer). 

Kvantově mechanická vlna se tuneluje skrz energetickou bariéru. V praxi 

musí mít bariéra rozměry blízké atomárním – pak je možno detekovat 

tunelový proud. V STM je bariérou prostorová mezera. To neznamená, 

že STM může pracovat pouze za vysokého vakua.. Naopak, mohou být 

studovány i biologické objekty ve svém přirozeném prostředí (např. ve 

vodě). 

Princip : velmi ostrý, elektricky vodivý hrot je umístěn do těsné 

blízkosti zkoumaného vzorku. Procházející proud je extrémně citlivý na 

vzdálenost hrot – vzorek. Je- li hrot umístěn tak, aby byl při jeho pohybu 

(rastrování) konstantní tunelový proud, pak získáme mapu obrysů 

povrchu vzorku s atomárním rozlišením.


Schéma STM (piezoelektrický pohyb třídimenzionální)

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - STM


Materialstoday, 

May 2005



May 2005



AFM– Atomic Force Microscopy (Mikroskopie atomových sil) 

AFM je typická ex- situ technika a svým použitím má místo mezi 

STM a SEM. Lze zobrazovat vodiče i izolanty. 

• Sondou je pružné raménko (cantilever), na jehož konci je ostrý hrot. 

• Hrot může být z různých materiálů (typickým je křemík) 

• Působení přitažlivých a odpudivých sil (Van der Waalsovy, 

elektrostatické, magnetické) dochází k ohýbání raménka, 

přičemž velikost tohoto ohybu je detekována. 

• Ohyby jsou detekovány laserovým paprskem a slouží pro sestavení 

obrazu povrchu 

• Oproti STM nemusí mít vzorky vodivý povrch a ani hrot nemusí být 

vodivý. 

• AFM může být provozována jak v UHV, tak i na vzduchu.!!!!! 

Atomární rozlišení není rutinně dosahováno. 

• Hloubkové rozlišení je 1 nm - 2 nm.

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - AFM 

AFM

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU- AFM 

AFM - vynalezeno v roce 1985 (později než STM). 

Třídiomenzinální obraz povrchu. Dosahuje atomárního rozlišení. 

Od STM se liší tím, že jeho hrot je umístěn na pružném raménku. Vzorek 

musí být pevně přichycen, nebo robustní. 

Tunelovací hrot STM byl nahrazen hrotem mechanickým umístěným na 

speciální mikropružině (raménku). 

Namísto tunelovacího proudu snímá AFM okamžitý pohyb mikropružiny 

v důsledku sil působících ze strany povrchu vzorku na hrot. Ty 

můžeme rozdělit do několika skupin : 

• síly odpudivé velmi krátkého dosahu, 

• síly krátkého dosahu přitažlivé (Van der Valsovy síly úměrné v 

případě působení dvou dipólů faktoru 1/d 6 , kde d je vzdálenost mezi 

dipóly kvantově mechanické interakce) 

• síly dlouhého dosahu (magnetické a elektrostatické interakce se 

zákonem působení 1/d 2 ).


Mikropružina s hrotem je klíčovou částí AFM. Musí snímat síly řádu 10 -9 – 10 -8 N. 

Pružina musí dostatečně přesně sledovat povrch vzorku v průběhu posunu hrotu. 

Protože hrot kmitá při snímání povrchu obvykle s frekvencí několika kHz, měla by být 

rezonanční frekvence mikropružiny vyšší než 10 kHz. 

V současnosti nejrozšířenější systém detekce využívá odrazu laserového svazku od 

vrchní části mikropružiny pokryté zrcadlovou vrstvou a následné analýzy rozložení 

odraženého záření pozičně- citlivým detektorem. 

Měření s AFM může mít dva základní režimy (módy): 

-Kontaktní mód – ve kterém na hrot působí odpudivé síly velmi krátkého dosahu, 

-Nekontaktní mód, kdy jsou detekovány přitažlivé síly krátkého, resp. dlouhého dosahu. 

Bezkontaktní režim měření neumožňuje dosažení tak vysokého rozlišení, jako režim 

kontaktní. Je však velmi vhodný pro studium měkkých povrchů a proto je často 

aplikován pro studium povrchů tenkých organických vrstev (polymerů, LB filmů) a 

biologických preparátů. 

Charakterizace biologických preparátů, např. bílkovin, může být prováděna ve vodním 

prostředí zachovávajícím původní strukturu a vlastnosti studovaných preparátů. 

(Kalvoda, Parshin, skripta ČVUT)

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - AFM 


May 2005


Velkou výhodou AFM je, že nevyžaduje elektricky vodivý vzorek. 

Kantilever je zhotoven z křemíku, nebo nitridu křemíku, jeho délka je 

obvykle 1.5 x 10 -4 m a šířka 0.5 – 5 x 10 -6 m. 

Odklon raménka je zesílen opticky odrazem laserového svazku od jeho 

povrchu. 

Stejně jako u STM je vzorek vzhledem k hrotu rastrován 

piezoelektrickým skanerem. 

Typická skanovací délka je 10 -4 m. Kvalitní skaner zachytí změny velké 

asi 10 -10 m. 

AFM vyžaduje detailní pochopení fyzikálních a chemických vazebních 

sil a technologického procesu. 

AFM umožňuje měřit vazební síly jednotlivých molekul. 

AFM je vhodná i pro studium biologických membrán, proteinů vázaných 

na membrány, DNA molekul, atd.

AFM 

Metoda AFM je založena na mapování atomárních sil na povrchu 

zkoumaného vzorku. Sondou je tzv. cantilever – pružný nosník 

(raménko) na jehož konci je ostrý hrot. Hrot může být z různých 

materiálů, typickým je křemík, nebo na něm může být připevněna 

magnetická částice či molekula. 

Působením přitažlivých a odpudivých sil (Van der Waalsovy síly, 

elektrostatické nebo magnetické síly) dochází k ohýbání raménka.Ohyby 

jsou detekovány laserovým paprskem a slouží k sestavení obrazu 

povrchu, např. sledování profilu konstantní síly. 

AFM může být rovněž použit pro jiné účely než pro zobrazování. 

Používá se např. pro měření intra- a intermolekulárních sil, měření 

viskoelastických vlastností povrchu buněk in vivo, atd. 

AFM používaný jako přístroj má své nedostatky. Tkáně se zobrazují 

obtížně, protože jsou velmi měkké a členité a hrot sondy se může snadno 

při skenování povrchu vzorku zachytit.

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - AFM

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU- AFM


RESULTS – growth rate, morphology 

• Layers with thickness between 100 nm and 260 nm were fabricated after an average deposition 

time of ~ 12 min (TD2 sample - MSPLD - 50 W) 

• Deposited TiC layers were smooth, no droplets were observed


Hrot STM Hrot AFM


Hlava AFM-STM Variable temperature STM

AFM – (Encyclopedia- Materials Characterisation – R.W. Cahn) 

Topografie povrchu 

AFM (atmomic force microscopy) = SFM (surface force microscopy = scanning force 

microscopy) 

Ostrý hrot (tip) skanován nad vzorkem 

Jsou detekovány přitažlivé a odpudivé síly mezi hrotem a povrchem 

V praxi jsou síly odpudivé stabilnější a jsou proto více detekovány 

Typické síly 0.1 mikronewtonu, nejmenší poloměr křivosti tipu je 0.03 mikrometru 

Tip je obvykle statický a pohybuje se vzorek (skanován piezoelektrickým převodníkem) 

Zobrazování i nevodivých povrchů 

Užitečné zesílení je od x 10 3 do více jak x 10 7 . 

Atomární rozlišení řádu 0.1 – 0.2 nm – lze docílit na hladkých vzorcích 

Vertikální vzdálenosti mohou být měřeny s rozlišením lepším než 1 nm. 

Přístroj je obvykle provozován na vzduchu, ale tip a vzorek mohou být také v kapalině. 

Provoz ve vakuu je možný, ale není běžný

AFM – (Encyclopedia- Materials Characterisation – R.W. Cahn) 

AFM není moc vhodná pro studium nerovných povrchů. 

AFM je velmi vhodná pro studium hladkých povrchů s defekty menšími než 1 mikrometr. 

Jsou- li tip a vzorek vzdáleny od sebe na velkou vzdálenost (stovky nebo tisíce meziatomárních 

vzdáleností), pak je mezi nimi síla nulová. 

Jak se vzdálenost snižuje, rostou síly přitažlivé s menší vzdáleností. 

Při několika meziatomárních vzdálenostech dosahují přitažlivé síly svého maxima a pak 

s klesající vzdáleností klesají, až dosáhnou nuly – tj. rovnovážná poloha. 

Další zmenšování vzdálenosti je doprovázeno růstem odpudivých sil. 

Přitažlivé síly : van der Walsovy 

Raménko (kantilevr) – pro měření malých sil – nitrid křemíku s pyramidálním tipem 

Kantilevr široký asi 10 mikrometrů, tloušťky 0.6 mikrometrů a délky 100 mikrometrů má 

silovou konstantu 0.08 Nm-1. 

Mechanické skanování pomocí piezoelektrického převodníku ve tvaru válce (jedna elektroda na 

vnitřní stěně a čtyři separátní na vnější stěně). Jeden konec válce připevněn k základně 

mikroskopu a vzorek je přichycen na opačné straně. Napětím lze docílit posuvů v x a y 

směru asi 100 mikrometrů a v ose z asi 10 mikrometrů.

AFM – (Encyclopedia- Materials Characterisation 

– R.W. Cahn) 

Omezení AFM 

Vysoká citlivost pro malé změny ve vertikálním směru, ale je to provázeno 

limitovaný vertikálním rozsahem. 

Piezodriver dovoluje skanování až do 250 mikrometrů. Mechanický x-y stolek 

umožňuje umístit kantilever- detektor systém do 5 mm oblasti. 

Aplikace 

Hlavně v oblasti materiálového inženýrství 

Při malých zesíleních (x 10 3 až x 10 6 ) doplňuje AFM topografická měření jiných 

mikroskopů.



SNOM (Scanning Near- Field Optical Microscopy) 

NSOM (Near Field Scanning Microscopy) 

PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscopy) 

STOM (Scanning Tunneling Optical Microscope) 

= optický rastrovací mikroskop s lokální sondou, pracující v blízkém poli 

Standardní optický mikroskop má rozlišení dané difrakčním limitem a je asi 500 nm, se 

špatnou hloubkou ostrosti při velkém zvětšení. 

Optická analogie k STM je tunelování fotonů v SNOM. 

Používá se optická sonda poblíž povrchu vzorku. 

Oddaluje- li se sonda od povrchu, pak se rozlišení snižuje, ale vertikální rozlišení je 

zachováno díky režimu PTM (Phonon Tunneling Microscope). 

Vzorek musí být dielektrický. 

Miniaturní detektor je umístěn do těsné blízkosti osvětleného předmětu, do zóny, která 

se nazývá zóna blízkého pole. 

Vertikální rozlišení je asi stejné jako SEM, ovšem příčné rozlišení je menší. 

Nedestruktivní měření charakteristik transmisních i reflexních vzorků s příčným 

superrozlišením vyšším než 100 nm.

SNOM - lze docílit rozlišení < 100 nm (větší než je difrakční limit) 

Kombinací malé apertury (menší než je vlnová délka) pro osvětlení objektu 

spolu s umístěním detektoru velmi blizko ke vzorku (

SNOM 

Mikroskopy SNOM umožňují zkoumat optické vlastnosti povrchu vzorku s rozlišením, 

které je lepší než vlnová délka světla. Osvětlením vzorku v blízkém viditelném světle 

dosáhneme překročení difrakční bariéry a tedy rozlišení překračujícím možnosti 

optických mikroskopů pracujících s dalekým polem.

SNOM - existují různá schémata : 

1) Osvětlení vzorku v blízkém poli a detekce signálu ve vzdáleném 

poli (excitace světla přes sondu) 

2) Osvětlení vzorku ve vzdáleném poli a detekce v blízkém poli 

3) Oba procesy v blízkém poli – PSTM mód - vzorek je osvětlen 

totální vnitřní reflekční geometrií s evanescenčním polem

SNOM 

Schéma mikroskopu pracujícího v blízkém poli

SNOM 

Stejně jako u metody AFM, i při metodě SNOM se vytváří topografická mapa povrchu 

vzorku. U SNOM je však unikátní, že současně se vytváří i odpovídající fluorescenční 

mapa povrchu.

SNOM 

Důležitou komponentou je apertura menší než je vlnová délka 

světla. 

Je realizována zůženým (kónickým) optickým vláknem, pokrytým 

na vnější straně hliníkem (pro reflexi). 

Světlo se šíří vláknem (pro excitaci, nebo pro detekci) a tak lze 

docílit vysokého rozlišení. 

Rozlišení závisí na rozměrech špičky (tipu) vlákna a na vzdálenosti 

od vzorku. Obraz je vytvářen bod po bodu buď skanováním tipu, 

nebo vzorku. 

Lze např. detekovat jednotlivé molekuly virů a bakterií.

SNOM

a) Osvětlovací mód SNOM 

b) Kolektující mód 

c) Pro neprůhledné vzorky – reflexní mód (odražené světlo je kolektováno optikou umístěnou 

poblíž tipu (hrotu) 

d) PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope) – u povrchu vzorku se vytvoří evanescenční 

pole iniciované osvětlením ze vzdáleného zdroje. Tip působí jako rozptylovač 

evanescenčního pole a vzniknou homogenní vlny, které lze detekovat 

e) Invertované PSTM (Tunnel Near- Field Optical Microscope- TNOM) – světlo je 

rozptylováno evanescenčním polem tipu 

f) Plasmon Near- Field microscope – na povrchu kovové vrstvy jsou generovány povrchové 

plazmony a ty jsou rozptylovány tipem

SNOM 

Otvor v kovové vrstvě je menší 

než vlnová délka světla. 

Otvor je skanován v blízkosti 

objektu. 

Měření sil (střižná síla – shear 

force) mezi koncem sondy 

blízkého pole a vzorkem. 

Světlo je tunelováno přes bariéru 

(mezera).

SNOM - Shear force schéma – detekce sil mezi koncem sondy a 

vzorkem. Pro transparentní vzorky se měří v transmisním módu, 

neprůhledné vzorky se měří v reflexním módu.

SNOM - pro udržení optické sondy v blízkosti povrchu vrstvy je užit 

senzor ve tvaru laditelné křemenné vidličky. To umožňuje zvýšit odstup 

signál/šum. 

Informace o vzdálenosti povrchu se získá z odezvy naladěné křemenné 

„vidličky“ (ta je připevněna na optické vlákno) na interakci s povrchem 

vrstvy. 

Systém vlákno- křemen je excitován příčnými vibracemi pomocí 

externího napájení na rezonanční frekvenci křemene. 

Je využit piezoelektrický jev – v přítomnosti mechanických oscilací 

vzniká napěťová odezva elektrického výstupu křemene a to je využíváno 

pro informaci o amplitudě oscilací vlákna. Piezodriver excituje pomocí 

naladěného křemene oscilace vláknové sondy s počáteční amplitudou A 0 

(výstup z křemene). 

Přiblíží- li se povrch vzorku, pak dosáhnou oscilace vlákna nějakou 

předem zvolenou hodnotu a z křemene dostaneme amplitudu A. Tato 

hodnota se udržuje zpětnou vazbou při skanování povrchu vrstvy.

SNOM - Transmisní mód - apertura vlákna je skanována podél vzorku 

ve vzdálenosti menší než 10 nm.

SNOM - Reflexní mód – vzorek je ozářen vláknovou sondou a 

rozptýlené světlo je zrcadlem koncentrováno do fotonásobiče.

SNOM - Luminiscenční mód

STOM, SNOM, NSOM (P. Tománek,Čs. Čas. Fyz. 1, 2002) 

Miniaturní detektor se přiblíží do těsné blízkosti osvětleného předmětu, 

do zóny, která se nazývá zóna blízkého pole. 

Ta obsahuje jak šířící se složky pole (tj. takové, které se šíří prostorem na 

velké vzdálenosti), tak i nezářivé složky, jejichž struktura se blíží 

struktuře evanescenčních vln. 

Šířící se vlna neobsahuje žádné informace o jemných detailech předmětu, 

menších než l/2. 

Nehomogenní nezářivé složky, které se nešíří, nesou informaci o 

subvlnových detailech předmětu. Bohužel detekce těchto vln není 

triviální, protože se nešíří a nemohou se tudíž dostat ke vzdálenému 

detektoru. 

Proto je nutné vnořit detektor do zóny blízkého pole, kde se tyto nezářivé 

složky vyskytují, tj. do vzdálenosti několika nanometrů od povrchu 

předmětu. Detekce těchto vln je poté možná díky optickému 

(fotonovému) tunelovému efektu.


Předmět může být osvětlen několika způsoby – každý definuje jednu 

variantu mikroskopu : 

1. STOM – je charakterizován osvětlením pomocí úplného vnitřního 

odrazu (a). – viz obr. Je určen pro transparentní předměty. Nejvíce 

používaný typ. 

2. SNOM – může pracovat buď při osvětlení předmětu vnějším 

odrazem, kde sonda představuje buď současně vysílač i přijímač 

(b), nebo při vnějším šikmém osvětlení (c). Umožňuje analýzu 

všech typů předmětu, transparentních i netransparentních a má 

výhodu, že ve srovnání s STOM je toto osvětlení izotropní. 

3. NSOM – pracuje pouze v transmisním režimu a hrot má pouze 

funkci vysílače osvětluje předmět (d). Je detekován signál ve 

vzdáleném poli.


Základním elementem 

mikroskopu je sonda. 

V praxi se používají 

tři základní typy sond : 

optické vlákno, 

AFM hrot 

a kovový hrot. 

Nejčastěji – optické 

vlákno zabroušené, 

či vyleptané do špičky, 

nepokovené, či 

pokovené.

NSOM (Kalvoda, Parshin, skripta ČVUT) 

Světelný zdroj využívaný aparaturami NSOM má průměr 

přibližně 25 – 100 nm. Je tvořen skleněnou kapilárou nebo 

jednomódovým vláknem, které jsou vytaženy do tvaru 

atomárně ostrého hrotu a pokryty z vnější strany (s 

výjimkou samotného konce hrotu) tenkým kovovým 

zrcadlem. 

Obraz SNOM je tvořen postupným řádkováním sondy po 

povrchu vzorku a snímáním intenzity prošlého světla (změn 

absorpce) nebo intenzity fluorescence. 

Rozlišení NSOM dosahuje 10 – 100 nm a o 1- 2 řády tak 

převyšuje rozlišení klasické optické mikroskopie pracující 

se vzdáleným optickým polem. Uvedené rozlišení dobře 

vyhovuje např. potřebám studia morfologie tenkých vrstev 

polymerních materiálů, biologických membrán, atd.



TEM – Transmission Electron Microscopy (prozařovací elektronový 

mikroskop) 

Pod pojmem mikroskop si lidé nejčastěji představují optický přístroj 

využívající viditelného světla pro pozorování velmi malých objektů. 

Prozařovací elektronový mikroskop je optický přístroj, který však 

místo světelného svazku používá elektrickým polem urychlené elektrony 

a místo skleněných čoček jsou použity elektromagnetické čočky. 

Dráha pohybujících se elektronů je ovlivněna magnetickým polem stejně 

jako světelný paprsek skleněnými čočkami. 

Obraz v elektronovém mikroskopu je pozorován na luminiscenčním 

stínítku nebo snímán CCD kamerou. 

Aby nedocházelo k interakcím elektronů s atmosférou, je celý systém 

umístěn ve vakuu.

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - TEM 

Mezní rozlišovací schopnost mikroskopu je úměrná vlnové délce 

použitého záření. Elektronové záření s podstatně kratší vlnovou délkou 

než má viditelné světlo umožňuje tedy dosáhnout mnohem vyšší 

rozlišovací schopnosti mikroskopu. 

TEM - vlnová délka elektronů závisí na urychlovacím napětí 

mikroskopu. 

U komerčně vyráběných mikroskopů se používá urychlovacího napětí od 

100 do 400 kV, vlnová délka elektronů je pak 3,7·10 -3 nm pro 100 kV a 

1,6·10 -3 nm pro 400kV, zatímco vlnová délka viditelného světla je 400 - 

750 nm. Rozdíl je až 5 řádů! 

Rozlišovací schopnost současných špičkových TEM přístrojů je 0,12 až 

0,17 nm. Při tomto rozlišení je možné pozorovat jednotlivé atomové 

sloupce. Připomeňme zde, že průměr atomu se pohybuje v řádu 10 -1 nm.

TEM 


Interakce svazku elektronů s pevnou látkou a její typické odezvy. E 0 je energie primárních 

elektronů, D E je charakteristická ztráta, Q je Braggův úhel.


TEM - při dopadu elektronů na vzorek dochází k různým typům 

interakcí (obr.). 

V prozařovací elektronové mikroskopii se využívá hlavně pružného, 

téměř pružného a nepružného rozptylu. 

Při pružném rozptylu se mění směr pohybu elektronů, ale nemění se jeho 

energie. Odchylky velké většiny pružně rozptýlených elektronů 

od původního směru jsou velké. 

Při téměř pružném rozptylu se mění směr pohybu i energie, změna 

energie je malá, několik setin eV (tzv. fononový a plazmonový rozptyl). 

Při nepružném rozptylu je změna energie značná, naproti tomu změna 

směru poměrně malá, většina jich projde clonou v objektivu. 

V prozařovací elektronové mikroskopii se obvykle používají tenké 

vzorky o tloušťce 10 - 500 nm. Pro elektrony difraktující na takto 

tenkých vzorcích neplatí Braggův zákon zcela přesně, určuje však směr, 

v němž je difraktovaná intensita maximální. Braggovy úhly pro elektrony 

jsou malé, přibližně 1°.


Nejčastěji používaná technika se nazývá zobrazení ve světlém nebo 

temném poli. 

Pro zobrazení ve světlém poli jsou pomocí clony vybrány pouze prošlé 

elektrony, tzn., že jsou z obrazu vyloučeny všechny pružně rozptýlené 

(difraktované) elektrony. 

Při pozorování v temném poli jsou z obrazu vyloučeny prošlé 

elektrony a obraz vytvářejí elektrony difraktované jedním systémem 

rovin. 

Kdybychom se dívali na naprosto dokonalý krystal všude stejně silný, 

viděli bychom na stínítku pouze obraz konstantní intenzity. Jsou-li 

na nějakém místě krystalové roviny porušeny či zakřiveny přítomností 

poruchy, odráží se tam elektronový svazek s odlišnou intenzitou, což 

způsobí lokální změnu intensity obrazu. Elektronový mikroskop tak 

umožňuje tyto poruchy pozorovat.

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU- TEM 

TEM – Interakce elektronů s látkou. 

Vlnová délka elektronů závisí na urychlovacím napětí mikroskopu. 100 – 

400 kV ….vln. délka elektronů 3.7 x 10 -3 nm (pro 100 kV) až 1,6 x 10 -3 

nm (pro 400 kV)- oproti viditelnému světlu se jedná o 5 řádů !!!!!! 

Vzorky pro TEM musí být tenké – aby procházející elektrony nebyly 

příliš absorbovány a nedocházelo k vícenásobnému rozptylu elektronů. 

Rozlišovací schopnost může být větší než 1/10 až 1/20 tloušťky 

preparátu. 

V TEM se obvykle používají tenké vzorky o tloušťce 10 – 500 nm (1 – 

100 nm). 

Tloušťka zkoumaného preparátu d závisí na urychlovacím napětí. Např. 

pro 100 kV je d = 0.5 mikrometrů.


- Na obr. a (zobrazení ve světlém poli) vidíme typický obraz dislokačních čar 

na hranici mezi dvěma molybdenovými zrny. Hranice zrn je vůči elektronovému 

svazku nakloněna a na obrázku vidíme její projekci. Dislokace vidíme jako soustavu 

tmavých čar. 

Obr.: Dislokace na hranici zrn v molybdenu a) zobrazení ve světlém poli, měřítko 

odpovídá 100 nm, 

b) vysokorozlišovací elektronová mikroskopie, měřítko odpovídá 1 nm.


TEM 

Hitachi H-7600

SPM (scanning probe microscopy) 

SPM – na rozdíl od elektronového a optického mikroskopu „cítí“ povrch. 

Termín SPM zahrnuje : STM, AFM, mikroskop podélných sil (LFM -lateral force microscope), 

mikroskop magnetických sil (MFM - magnetic force microscope), mikroskop elektrických sil 

(EFM (electrical force microscope), NSOM (near- field scanning optical microscope), SThM 

(scanning thermal microscope) 

Všechny mikroskopy tohoto typu mají ostrý mechanický tip (sondu) která „cítí“ povrch vzorku 

pomocí detekce sil, které působí mezi tipem a vzorkem. 

Tipy jsou vyráběny z křemíku, karbidu křemíku a nebo diamantové (hlavně pro měření tvrdosti). 

V typickém „silovém“ mikroskopu je vychýlení kantilevru od 0.1 A do několika mikrometrů a 

typické síly jsou 10 -13 až 10 -5 N. 

Působí různé síly : 

- Pauliho a iontová odpudivá – ty působí na krátkou vzdálenost a jsou zanedbatelné při 

vzdálenostech nad 1 nm. 

- van der Walsova mezi elektrickými dipóly – působí na větší vzdálenosti a lze je uvažovat do 10 

nm 

- kapilární síly 

- magnetické a elektrostatické síly.

CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - FBMI

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?