CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - FBMI
CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - FBMI
CHARAKTERIZACE – MORFOLOGIE POVRCHU - FBMI
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, SNOM, AFM, TEM)<br />
Morfologie <strong>–</strong> nauka o tvarech. Studium tvaru povrchu vrstev a povlaků<br />
(nerovnosti, inkluze, kapičky, hladkost, ….).<br />
Topologie <strong>–</strong> matematická disciplína studující ty vlastnosti prostoru,<br />
které se zachovávají při spojitých deformacích, jako např. souvislost,<br />
kompaktnost n. dimenze (Technický slovník naučný SNTL, 1985).<br />
Opírá se o obecný výklad pojmu prostor, studuje vlastnosti útvarů.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM)<br />
Rozlišovací schopnost světelného mikroskopu<br />
d ~ l/ (2 .A), kde A je úhlová apertura, A = n sina,<br />
n <strong>–</strong> index lomu prostředí mezi předmětem a<br />
objektivem<br />
a - úhel sevřený optickou osou a krajními paprsky svazku<br />
vstupujícího do objektivu.<br />
(Rayleighovo kritérium <strong>–</strong> dva body jsou pozorovatelné odděleně, jestliže jejich<br />
vzdálenost je větší než 0,61 l/ (n . sin q) kde l je vlnová délka použitého světla, n<br />
index lomu prostředí a q je poloviční vstupní úhel zobrazovací soustavy).<br />
Hranice optické mikroskopie <strong>–</strong> nemůže oddělit dva obrazy jejichž vzájemná vzdálenost<br />
je menší než polovina vlnové délky použitého světla (plyne z Heiss. principu<br />
neurčitosti)<br />
Světelný zdroj s l = 400 nm <strong>–</strong> max. rozlišovací schopnost 200 nm.<br />
Lidské oko rozliší dva body vzdálené od sebe 0.2 mm.<br />
Rozlišovací schopnost s elektrony je …10 -11 mm<br />
(P. Tománek, Čs.čas.fyz.1, 2001)
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM)<br />
SEM (scanning electron microscopy - rastrovací elektronový<br />
mikroskop) je jedním z nejuniverzálnějších přístrojů pro sledování a<br />
analýzu mikrostrukturálních charakteristik pevných látek a jejich<br />
povrchů.<br />
Řada zdrojů informací v rastrovacím elektronovém mikroskopu (jako<br />
např. Rentgenovo záření a Augerovy elektrony), poskytne důležité údaje<br />
o složení vzorku nejenom v jeho objemu, ale zejména v blízkosti<br />
povrchu.<br />
SEM - Interakce elektronů s látkou <strong>–</strong>Elektronový mikroskop <strong>–</strong><br />
k zobrazení se používá fokusovaného elektronového svazku<br />
Elektronové čočky - elektrostatické<br />
- magnetické
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
Interakce svazku elektronů s pevnou látkou a její typické odezvy. E 0 je energie primárních<br />
elektronů, D E je charakteristická ztráta, Q je Braggův úhel.
SEM (Scanning Electron Microscopy <strong>–</strong> rastrovací<br />
elektronový mikroskop), Hulínský, Jurek, Zkoumání látek elektronovým<br />
paprskem, SNTL 1982<br />
Při energiích elektronů užívaných při mikroanalýze (5 až 50 keV)<br />
dosahují elektrony rychlostí, které se blíží rychlosti světla.<br />
Při průchodu hmotou se elektrony nejen rozptylují, ale také ztrácejí při<br />
srážkách s atomy část své energie.<br />
V zásadě mohou nastat při nárazu elektronu na atom dva případy :<br />
-elektron se odrazí (rozptýlí) do jiného směru beze ztráty své původní<br />
rychlosti (energie) <strong>–</strong> tzv. pružný rozptyl,<br />
-část energie předá atomu a dále se pohybuje se zmenšenou kinetickou<br />
energií (nepružný rozptyl).<br />
Při dopadu svazku elektronů na povrch se v blízkosti povrchu objeví<br />
kromě odražených elektronů ještě další skupina elektronů <strong>–</strong> sekundární,<br />
mající energii jednotek až desítek eV.
SEM<br />
Obr. Typické spektrum získané při ozáření stříbra elektrony o energii 160 eV. Oblast A <strong>–</strong> pružně<br />
odražené elektrony, B- nepružně odražené elektrony, C- přechodová oblast, D-<br />
sekundární elektrony.<br />
Emise sekundárních elektronů je nejvyšší při nízkých energiích primárních elektronů.<br />
Sekundární elektrony vznikají při pronikání primárních elektronů hmotou jako produkt<br />
nepružných srážek. Při ionizaci se uvolňují elektrony slupek atomů a mají <strong>–</strong> li dostatečnou<br />
energii, mohou se ve vzorku pohybovat. Jejich pohyb se zpomaluje a tak mohou uniknout ze<br />
vzorku jen v případě, že nejsou generovány hlouběji než v jisté maximální hloubce.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - SEM<br />
Rastrovací elektronová mikroskopie SEM <strong>–</strong><br />
Rentgenové záření, Augerovy elektrony <strong>–</strong> poskytnou údaje o složení<br />
vzorku<br />
Obraz se vytváří bod po bodu.<br />
Elektrony emitované tryskou jsou soustřeďovány do úzkého<br />
svazku,vychylování cívkami, paprsek probíhá po povrchu vzorku, řádek<br />
po řádku.<br />
Zvětšení 20 <strong>–</strong> 200 000 x<br />
Rastrovací obdélník má stranu cca 1 mikrometr.<br />
Rozlišení 3 <strong>–</strong> 6 nm (zhruba o řád horší než v TEM)- Gricová, skripta ČVUT,1992<br />
SEM používá sekundární elektrony emitované z povrchu. Intenzita a<br />
úhel emise závisí na morfologii povrchu a na materiálu. Zesílení SEM je<br />
asi max. 250 000 x (oproti optickým mikroskopům s 300 x zesílením).<br />
SEM má dobré příčné a vertikální rozlišení.
SEM<br />
Elektronový mikroanalyzátor používající detekce a spektroskopie<br />
charakteristického rentgenového záření jako zdroje informace je<br />
výkonným přístrojem pro elementární analýzu malých objemů.<br />
Vzorek je analyzován většinou nedestruktivně a přístroj umožňuje<br />
studovat i rozložení koncentrace prvků po ploše.<br />
Přesnost stanovení chemického složení činí obvykle 1 až 2% z<br />
celkového obsahu stanoveného prvku.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - SEM<br />
SEM slouží k zobrazování i trojrozměrných preparátů s vysokým<br />
rozlišením a s velkou hloubkou ostrosti.<br />
Elektrony emitované tryskou a urychlené vysokým napětím jsou<br />
soustřeďovány do úzkého svazku, který je vychylován cívkami tak, že<br />
probíhá po povrchu vzorku, řádek po řádku.<br />
SEM má rozlišení převyšující rozlišení světelné optiky. Vyznačuje se<br />
velkou hloubkou ostrosti a možností lokální analýzy z vybraného místa.<br />
Zvětšení u elektronového rastrovacího mikroskopu je dáno poměrem<br />
délek stran obrazovky a rastrovacího obdélníku na vzorku.<br />
Pohybuje se v rozmezí 20 až 200 000. Rastrovaný obdélník na vzorku<br />
má stranu cca 1 mikrometr.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - SEM<br />
Hitachi
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> <strong>–</strong> SEM<br />
(Kraus,…Úvod do fyz. pevných látek, skripta ČVUT)<br />
Elektrony jsou emitovány wolframovou katodou, urychlovány kladným<br />
napětím 5 <strong>–</strong> 50 kV a elektronovou optikou koncentrovány do úzkého<br />
svazku (dosažitelný průměr má hodnotu jednotek nanometrů)<br />
dopadajícího na vzorek.<br />
Vychylovací čočky řádkovacího systému svazek elektronů rozmítají po<br />
pozorované oblasti povrchu- svazek přejíždí oblast bod po bodu a řádek<br />
po řádku.<br />
V rastrovacím elektronovém mikroskopu volíme jako odezvu na excitaci<br />
primárními elektrony buď pomalé sekundární elektrony, nebo rychlé<br />
elektrony pružně odražené. Po jejich detekci vhodným detektorem je<br />
vzniklým elektrickým signálem modulován jas elektronového paprsku<br />
dopadajícího na obrazovku (podobně jako v TV technice).<br />
Zvětšení (10 5 a více) je dáno poměrem strany obrazovky k délce úseku<br />
řádkovaného na povrchu vzorku.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> <strong>–</strong> SEM<br />
(Kraus,…Úvod do fyz. pevných látek, skripta ČVUT)<br />
Rastrovací mikroskop má rozlišovací schopnost až 20 <strong>–</strong> 25 nm a<br />
hloubkovou ostrost i 300 krát větší než optické mikroskopy. (Hloubkové<br />
rozlišení závisí na detekovaných částicích. Nejblíže k povrchu vznikají<br />
sekundární elektrony, pružně rozptýlené elektrony přinášejí informaci z<br />
hloubek řádu 10 2 nm).<br />
Emise sekundárních elektronů je citlivá na povrchovou topografii,<br />
lokální elektrické a magnetické pole a na chemickém složení.<br />
Pružně odražených elektronů lze využít ke sledování povrchových<br />
nerovností,…<br />
Při malých zvětšeních, kde se může řádkovací mikroskopie srovnávat s<br />
mikroskopií světelnou, je elektronová technika bez konkurence díky své<br />
mimořádné hloubce ostrosti.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> <strong>–</strong> SEM<br />
Metoda SEM je jednou z nejuniverzálnějších pro analýzu<br />
mikrostrukturálních charakteristik a je založena na principu interakce<br />
svazku primárních elektronů s hmotou vzorku.<br />
Analyzujeme emitované sekundární elektrony pro studium morfologie<br />
nebo primární odražené elektrony při zaměření na složení materiálu.<br />
Svazek primárních elektronů je změřen na určité místo, na němž dochází<br />
k přenosu energie, a jsou uvolňovány elektrony ze zkoumaného vzorku.<br />
Tyto dislokované elektrony (tzv. sekundární elektrony) jsou přitahovány<br />
ke kolektoru sekundárních elektronů, kde jsou převedeny na signál.<br />
Zachycený signál se přenáší na pozorovací obrazovku. Svazek<br />
primárních elektronů je cívkami vychylován tak, že řádek po řádku<br />
přejíždí vymezenou plochu vzorku.<br />
Čím je úhel dopadu primárního svazku vzhledem k normále pozorované<br />
plošky menší, tím je emise sekundárních elektronů silnější a ploška na<br />
obrazovce se jeví světlejší. Přístroje rastrovací elektronové mikroskopie<br />
obvykle užívají urychlovacího napětí 10 <strong>–</strong> 50 kV, mají rozlišovací<br />
schopnost 7 <strong>–</strong> 10 nm a je možné dosáhnout zvětšení až 300 000x.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - SEM<br />
• Film morphology by SEM<br />
► smooth surface covered by small droplets<br />
► diameters of droplets of HA films: 5 μm <strong>–</strong> 20 μm<br />
► diameters of droplets of ZrO2 films: 1 μm <strong>–</strong> 5 μm<br />
HA film (magn. 400x) ZrO2 film (magn. 400x)
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM)<br />
Studium povrchů <strong>–</strong> metody mikroskopie řádkovací sondou (scanning<br />
probe microscopy, SPM).<br />
K nejdůležitějším patří :<br />
STM <strong>–</strong> scanning tunneling microscopy <strong>–</strong> řádkovací tunelovací<br />
mikroskopie<br />
AFM- atomic force microscopy <strong>–</strong> mikroskopie atomárních sil<br />
NSOM <strong>–</strong> řádkovací optická mikroskopie blízkého pole <strong>–</strong> near<br />
field optical microscopy
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM)<br />
STM <strong>–</strong> Scanning Tunneling Microscopy (rastrovací tunelová mikroskopie)<br />
STM - princip :<br />
• jsou-li dva vodivé materiály v dostatečné blízkosti (ale ne v kontaktu),<br />
mohou elektrony projít z jednoho materiálu do druhého (protéká<br />
tzv. tunelový proud).<br />
• Velikost tunelového proudu silně (exponenciálně) závisí na vzdálenosti<br />
materiálů a na přiloženém napětí.<br />
• Sondou je ostrý kovový hrot, na jehož konci se nachází jen několik<br />
atomů. Sonda sleduje změny tunelového proudu a sestavuje tak<br />
obraz lokální hustoty elektronů (obraz povrchu).<br />
• Základní předností je vysoké sub- atomární rozlišení<br />
• V okolí hrotu je přiloženým napětím vytvářeno silné elektrické pole,<br />
schopné vytrhnout atom z povrchu <strong>–</strong> umožňuje manipulaci s<br />
jednotlivými atomy<br />
• Pracuje se v UHV (10 -9 Pa) a lze dosáhnout atomárního rozlišení<br />
(zviditelnění jednotlivých atomů).<br />
• Hlavní nevýhodou STM je, že může být použita pouze pro vodivé<br />
vrstvy.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - STM<br />
STM
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - STM<br />
Detekční princip STM je založen na jevu tunelování elektronů z povrchu<br />
pevné látky. Podstata vyplývá z vlnového charakteru elektronů v pevné<br />
látce, díky němuž je pravděpodobnost jejich výskytu vně povrchu<br />
nenulová i v případě, že energie elektronů nepostačuje k překonání<br />
povrchové energetické bariéry.<br />
Tyto elektrony jsou registrovány prostřednictvím vodivého hrotu (sondy)<br />
pohybujícího se těsně nad povrchem (0,1 <strong>–</strong> 1 nm), na který je přiloženo<br />
malé urychlující napětí (10 <strong>–</strong> 100 mV).<br />
Druhou elektrodu tvoří vodivý povrch vzorku. Proud protékající mezi<br />
povrchem vzorku a hrotem se nazývá tunelovací proud a jeho velikost<br />
závisí na lokálních vlastnostech povrchu, jako jsou jeho chemické<br />
složení, přítomnost atomů adsorbátu nebo tenkých filmů, nečistoty, apod.<br />
Typické hodnoty tunelovacího proudu se pohybují v rozsahu pA <strong>–</strong> nA.<br />
(Kalvoda, Parshin, skripta ČVUT FJFI)
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - STM<br />
STM je na http://www.civ.cvut.cz/info/download.php a STM Movie na<br />
www.physics.leidenuniv.nl/sections/cm/ip a Materialstoday, May 2005, Elsevier<br />
STM <strong>–</strong> (první demonstrace kvantově- mechanického tunelování v r.<br />
1960, první STM v r. 1981, Nobelova cena v r. 1986- Binning, Rohrer).<br />
Kvantově mechanická vlna se tuneluje skrz energetickou bariéru. V praxi<br />
musí mít bariéra rozměry blízké atomárním <strong>–</strong> pak je možno detekovat<br />
tunelový proud. V STM je bariérou prostorová mezera. To neznamená,<br />
že STM může pracovat pouze za vysokého vakua.. Naopak, mohou být<br />
studovány i biologické objekty ve svém přirozeném prostředí (např. ve<br />
vodě).<br />
Princip : velmi ostrý, elektricky vodivý hrot je umístěn do těsné<br />
blízkosti zkoumaného vzorku. Procházející proud je extrémně citlivý na<br />
vzdálenost hrot <strong>–</strong> vzorek. Je- li hrot umístěn tak, aby byl při jeho pohybu<br />
(rastrování) konstantní tunelový proud, pak získáme mapu obrysů<br />
povrchu vzorku s atomárním rozlišením.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - STM<br />
Schéma STM (piezoelektrický pohyb třídimenzionální)
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - STM
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - STM<br />
Materialstoday,<br />
May 2005
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - STM<br />
Materialstoday,<br />
May 2005
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM)<br />
AFM<strong>–</strong> Atomic Force Microscopy (Mikroskopie atomových sil)<br />
AFM je typická ex- situ technika a svým použitím má místo mezi<br />
STM a SEM. Lze zobrazovat vodiče i izolanty.<br />
• Sondou je pružné raménko (cantilever), na jehož konci je ostrý hrot.<br />
• Hrot může být z různých materiálů (typickým je křemík)<br />
• Působení přitažlivých a odpudivých sil (Van der Waalsovy,<br />
elektrostatické, magnetické) dochází k ohýbání raménka,<br />
přičemž velikost tohoto ohybu je detekována.<br />
• Ohyby jsou detekovány laserovým paprskem a slouží pro sestavení<br />
obrazu povrchu<br />
• Oproti STM nemusí mít vzorky vodivý povrch a ani hrot nemusí být<br />
vodivý.<br />
• AFM může být provozována jak v UHV, tak i na vzduchu.!!!!!<br />
Atomární rozlišení není rutinně dosahováno.<br />
• Hloubkové rozlišení je 1 nm - 2 nm.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - AFM<br />
AFM
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong>- AFM<br />
AFM - vynalezeno v roce 1985 (později než STM).<br />
Třídiomenzinální obraz povrchu. Dosahuje atomárního rozlišení.<br />
Od STM se liší tím, že jeho hrot je umístěn na pružném raménku. Vzorek<br />
musí být pevně přichycen, nebo robustní.<br />
Tunelovací hrot STM byl nahrazen hrotem mechanickým umístěným na<br />
speciální mikropružině (raménku).<br />
Namísto tunelovacího proudu snímá AFM okamžitý pohyb mikropružiny<br />
v důsledku sil působících ze strany povrchu vzorku na hrot. Ty<br />
můžeme rozdělit do několika skupin :<br />
• síly odpudivé velmi krátkého dosahu,<br />
• síly krátkého dosahu přitažlivé (Van der Valsovy síly úměrné v<br />
případě působení dvou dipólů faktoru 1/d 6 , kde d je vzdálenost mezi<br />
dipóly kvantově mechanické interakce)<br />
• síly dlouhého dosahu (magnetické a elektrostatické interakce se<br />
zákonem působení 1/d 2 ).
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong>- AFM<br />
Mikropružina s hrotem je klíčovou částí AFM. Musí snímat síly řádu 10 -9 <strong>–</strong> 10 -8 N.<br />
Pružina musí dostatečně přesně sledovat povrch vzorku v průběhu posunu hrotu.<br />
Protože hrot kmitá při snímání povrchu obvykle s frekvencí několika kHz, měla by být<br />
rezonanční frekvence mikropružiny vyšší než 10 kHz.<br />
V současnosti nejrozšířenější systém detekce využívá odrazu laserového svazku od<br />
vrchní části mikropružiny pokryté zrcadlovou vrstvou a následné analýzy rozložení<br />
odraženého záření pozičně- citlivým detektorem.<br />
Měření s AFM může mít dva základní režimy (módy):<br />
-Kontaktní mód <strong>–</strong> ve kterém na hrot působí odpudivé síly velmi krátkého dosahu,<br />
-Nekontaktní mód, kdy jsou detekovány přitažlivé síly krátkého, resp. dlouhého dosahu.<br />
Bezkontaktní režim měření neumožňuje dosažení tak vysokého rozlišení, jako režim<br />
kontaktní. Je však velmi vhodný pro studium měkkých povrchů a proto je často<br />
aplikován pro studium povrchů tenkých organických vrstev (polymerů, LB filmů) a<br />
biologických preparátů.<br />
Charakterizace biologických preparátů, např. bílkovin, může být prováděna ve vodním<br />
prostředí zachovávajícím původní strukturu a vlastnosti studovaných preparátů.<br />
(Kalvoda, Parshin, skripta ČVUT)
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - AFM<br />
Materialstoday,<br />
May 2005
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong>- AFM<br />
Velkou výhodou AFM je, že nevyžaduje elektricky vodivý vzorek.<br />
Kantilever je zhotoven z křemíku, nebo nitridu křemíku, jeho délka je<br />
obvykle 1.5 x 10 -4 m a šířka 0.5 <strong>–</strong> 5 x 10 -6 m.<br />
Odklon raménka je zesílen opticky odrazem laserového svazku od jeho<br />
povrchu.<br />
Stejně jako u STM je vzorek vzhledem k hrotu rastrován<br />
piezoelektrickým skanerem.<br />
Typická skanovací délka je 10 -4 m. Kvalitní skaner zachytí změny velké<br />
asi 10 -10 m.<br />
AFM vyžaduje detailní pochopení fyzikálních a chemických vazebních<br />
sil a technologického procesu.<br />
AFM umožňuje měřit vazební síly jednotlivých molekul.<br />
AFM je vhodná i pro studium biologických membrán, proteinů vázaných<br />
na membrány, DNA molekul, atd.
AFM<br />
Metoda AFM je založena na mapování atomárních sil na povrchu<br />
zkoumaného vzorku. Sondou je tzv. cantilever <strong>–</strong> pružný nosník<br />
(raménko) na jehož konci je ostrý hrot. Hrot může být z různých<br />
materiálů, typickým je křemík, nebo na něm může být připevněna<br />
magnetická částice či molekula.<br />
Působením přitažlivých a odpudivých sil (Van der Waalsovy síly,<br />
elektrostatické nebo magnetické síly) dochází k ohýbání raménka.Ohyby<br />
jsou detekovány laserovým paprskem a slouží k sestavení obrazu<br />
povrchu, např. sledování profilu konstantní síly.<br />
AFM může být rovněž použit pro jiné účely než pro zobrazování.<br />
Používá se např. pro měření intra- a intermolekulárních sil, měření<br />
viskoelastických vlastností povrchu buněk in vivo, atd.<br />
AFM používaný jako přístroj má své nedostatky. Tkáně se zobrazují<br />
obtížně, protože jsou velmi měkké a členité a hrot sondy se může snadno<br />
při skenování povrchu vzorku zachytit.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - AFM
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong>- AFM
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong>- AFM<br />
RESULTS <strong>–</strong> growth rate, morphology<br />
• Layers with thickness between 100 nm and 260 nm were fabricated after an average deposition<br />
time of ~ 12 min (TD2 sample - MSPLD - 50 W)<br />
• Deposited TiC layers were smooth, no droplets were observed
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
Hrot STM Hrot AFM
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
Hlava AFM-STM Variable temperature STM
AFM <strong>–</strong> (Encyclopedia- Materials Characterisation <strong>–</strong> R.W. Cahn)<br />
Topografie povrchu<br />
AFM (atmomic force microscopy) = SFM (surface force microscopy = scanning force<br />
microscopy)<br />
Ostrý hrot (tip) skanován nad vzorkem<br />
Jsou detekovány přitažlivé a odpudivé síly mezi hrotem a povrchem<br />
V praxi jsou síly odpudivé stabilnější a jsou proto více detekovány<br />
Typické síly 0.1 mikronewtonu, nejmenší poloměr křivosti tipu je 0.03 mikrometru<br />
Tip je obvykle statický a pohybuje se vzorek (skanován piezoelektrickým převodníkem)<br />
Zobrazování i nevodivých povrchů<br />
Užitečné zesílení je od x 10 3 do více jak x 10 7 .<br />
Atomární rozlišení řádu 0.1 <strong>–</strong> 0.2 nm <strong>–</strong> lze docílit na hladkých vzorcích<br />
Vertikální vzdálenosti mohou být měřeny s rozlišením lepším než 1 nm.<br />
Přístroj je obvykle provozován na vzduchu, ale tip a vzorek mohou být také v kapalině.<br />
Provoz ve vakuu je možný, ale není běžný
AFM <strong>–</strong> (Encyclopedia- Materials Characterisation <strong>–</strong> R.W. Cahn)<br />
AFM není moc vhodná pro studium nerovných povrchů.<br />
AFM je velmi vhodná pro studium hladkých povrchů s defekty menšími než 1 mikrometr.<br />
Jsou- li tip a vzorek vzdáleny od sebe na velkou vzdálenost (stovky nebo tisíce meziatomárních<br />
vzdáleností), pak je mezi nimi síla nulová.<br />
Jak se vzdálenost snižuje, rostou síly přitažlivé s menší vzdáleností.<br />
Při několika meziatomárních vzdálenostech dosahují přitažlivé síly svého maxima a pak<br />
s klesající vzdáleností klesají, až dosáhnou nuly <strong>–</strong> tj. rovnovážná poloha.<br />
Další zmenšování vzdálenosti je doprovázeno růstem odpudivých sil.<br />
Přitažlivé síly : van der Walsovy<br />
Raménko (kantilevr) <strong>–</strong> pro měření malých sil <strong>–</strong> nitrid křemíku s pyramidálním tipem<br />
Kantilevr široký asi 10 mikrometrů, tloušťky 0.6 mikrometrů a délky 100 mikrometrů má<br />
silovou konstantu 0.08 Nm-1.<br />
Mechanické skanování pomocí piezoelektrického převodníku ve tvaru válce (jedna elektroda na<br />
vnitřní stěně a čtyři separátní na vnější stěně). Jeden konec válce připevněn k základně<br />
mikroskopu a vzorek je přichycen na opačné straně. Napětím lze docílit posuvů v x a y<br />
směru asi 100 mikrometrů a v ose z asi 10 mikrometrů.
AFM <strong>–</strong> (Encyclopedia- Materials Characterisation<br />
<strong>–</strong> R.W. Cahn)<br />
Omezení AFM<br />
Vysoká citlivost pro malé změny ve vertikálním směru, ale je to provázeno<br />
limitovaný vertikálním rozsahem.<br />
Piezodriver dovoluje skanování až do 250 mikrometrů. Mechanický x-y stolek<br />
umožňuje umístit kantilever- detektor systém do 5 mm oblasti.<br />
Aplikace<br />
Hlavně v oblasti materiálového inženýrství<br />
Při malých zesíleních (x 10 3 až x 10 6 ) doplňuje AFM topografická měření jiných<br />
mikroskopů.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM)<br />
SNOM (Scanning Near- Field Optical Microscopy)<br />
NSOM (Near Field Scanning Microscopy)<br />
PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscopy)<br />
STOM (Scanning Tunneling Optical Microscope)<br />
= optický rastrovací mikroskop s lokální sondou, pracující v blízkém poli<br />
Standardní optický mikroskop má rozlišení dané difrakčním limitem a je asi 500 nm, se<br />
špatnou hloubkou ostrosti při velkém zvětšení.<br />
Optická analogie k STM je tunelování fotonů v SNOM.<br />
Používá se optická sonda poblíž povrchu vzorku.<br />
Oddaluje- li se sonda od povrchu, pak se rozlišení snižuje, ale vertikální rozlišení je<br />
zachováno díky režimu PTM (Phonon Tunneling Microscope).<br />
Vzorek musí být dielektrický.<br />
Miniaturní detektor je umístěn do těsné blízkosti osvětleného předmětu, do zóny, která<br />
se nazývá zóna blízkého pole.<br />
Vertikální rozlišení je asi stejné jako SEM, ovšem příčné rozlišení je menší.<br />
Nedestruktivní měření charakteristik transmisních i reflexních vzorků s příčným<br />
superrozlišením vyšším než 100 nm.
SNOM - lze docílit rozlišení < 100 nm (větší než je difrakční limit)<br />
Kombinací malé apertury (menší než je vlnová délka) pro osvětlení objektu<br />
spolu s umístěním detektoru velmi blizko ke vzorku (
SNOM<br />
Mikroskopy SNOM umožňují zkoumat optické vlastnosti povrchu vzorku s rozlišením,<br />
které je lepší než vlnová délka světla. Osvětlením vzorku v blízkém viditelném světle<br />
dosáhneme překročení difrakční bariéry a tedy rozlišení překračujícím možnosti<br />
optických mikroskopů pracujících s dalekým polem.
SNOM - existují různá schémata :<br />
1) Osvětlení vzorku v blízkém poli a detekce signálu ve vzdáleném<br />
poli (excitace světla přes sondu)<br />
2) Osvětlení vzorku ve vzdáleném poli a detekce v blízkém poli<br />
3) Oba procesy v blízkém poli <strong>–</strong> PSTM mód - vzorek je osvětlen<br />
totální vnitřní reflekční geometrií s evanescenčním polem
SNOM<br />
Schéma mikroskopu pracujícího v blízkém poli
SNOM<br />
Stejně jako u metody AFM, i při metodě SNOM se vytváří topografická mapa povrchu<br />
vzorku. U SNOM je však unikátní, že současně se vytváří i odpovídající fluorescenční<br />
mapa povrchu.
SNOM<br />
Důležitou komponentou je apertura menší než je vlnová délka<br />
světla.<br />
Je realizována zůženým (kónickým) optickým vláknem, pokrytým<br />
na vnější straně hliníkem (pro reflexi).<br />
Světlo se šíří vláknem (pro excitaci, nebo pro detekci) a tak lze<br />
docílit vysokého rozlišení.<br />
Rozlišení závisí na rozměrech špičky (tipu) vlákna a na vzdálenosti<br />
od vzorku. Obraz je vytvářen bod po bodu buď skanováním tipu,<br />
nebo vzorku.<br />
Lze např. detekovat jednotlivé molekuly virů a bakterií.
SNOM
a) Osvětlovací mód SNOM<br />
b) Kolektující mód<br />
c) Pro neprůhledné vzorky <strong>–</strong> reflexní mód (odražené světlo je kolektováno optikou umístěnou<br />
poblíž tipu (hrotu)<br />
d) PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope) <strong>–</strong> u povrchu vzorku se vytvoří evanescenční<br />
pole iniciované osvětlením ze vzdáleného zdroje. Tip působí jako rozptylovač<br />
evanescenčního pole a vzniknou homogenní vlny, které lze detekovat<br />
e) Invertované PSTM (Tunnel Near- Field Optical Microscope- TNOM) <strong>–</strong> světlo je<br />
rozptylováno evanescenčním polem tipu<br />
f) Plasmon Near- Field microscope <strong>–</strong> na povrchu kovové vrstvy jsou generovány povrchové<br />
plazmony a ty jsou rozptylovány tipem
SNOM<br />
Otvor v kovové vrstvě je menší<br />
než vlnová délka světla.<br />
Otvor je skanován v blízkosti<br />
objektu.<br />
Měření sil (střižná síla <strong>–</strong> shear<br />
force) mezi koncem sondy<br />
blízkého pole a vzorkem.<br />
Světlo je tunelováno přes bariéru<br />
(mezera).
SNOM - Shear force schéma <strong>–</strong> detekce sil mezi koncem sondy a<br />
vzorkem. Pro transparentní vzorky se měří v transmisním módu,<br />
neprůhledné vzorky se měří v reflexním módu.
SNOM - pro udržení optické sondy v blízkosti povrchu vrstvy je užit<br />
senzor ve tvaru laditelné křemenné vidličky. To umožňuje zvýšit odstup<br />
signál/šum.<br />
Informace o vzdálenosti povrchu se získá z odezvy naladěné křemenné<br />
„vidličky“ (ta je připevněna na optické vlákno) na interakci s povrchem<br />
vrstvy.<br />
Systém vlákno- křemen je excitován příčnými vibracemi pomocí<br />
externího napájení na rezonanční frekvenci křemene.<br />
Je využit piezoelektrický jev <strong>–</strong> v přítomnosti mechanických oscilací<br />
vzniká napěťová odezva elektrického výstupu křemene a to je využíváno<br />
pro informaci o amplitudě oscilací vlákna. Piezodriver excituje pomocí<br />
naladěného křemene oscilace vláknové sondy s počáteční amplitudou A 0<br />
(výstup z křemene).<br />
Přiblíží- li se povrch vzorku, pak dosáhnou oscilace vlákna nějakou<br />
předem zvolenou hodnotu a z křemene dostaneme amplitudu A. Tato<br />
hodnota se udržuje zpětnou vazbou při skanování povrchu vrstvy.
SNOM - Transmisní mód - apertura vlákna je skanována podél vzorku<br />
ve vzdálenosti menší než 10 nm.
SNOM - Reflexní mód <strong>–</strong> vzorek je ozářen vláknovou sondou a<br />
rozptýlené světlo je zrcadlem koncentrováno do fotonásobiče.
SNOM - Luminiscenční mód
STOM, SNOM, NSOM (P. Tománek,Čs. Čas. Fyz. 1, 2002)<br />
Miniaturní detektor se přiblíží do těsné blízkosti osvětleného předmětu,<br />
do zóny, která se nazývá zóna blízkého pole.<br />
Ta obsahuje jak šířící se složky pole (tj. takové, které se šíří prostorem na<br />
velké vzdálenosti), tak i nezářivé složky, jejichž struktura se blíží<br />
struktuře evanescenčních vln.<br />
Šířící se vlna neobsahuje žádné informace o jemných detailech předmětu,<br />
menších než l/2.<br />
Nehomogenní nezářivé složky, které se nešíří, nesou informaci o<br />
subvlnových detailech předmětu. Bohužel detekce těchto vln není<br />
triviální, protože se nešíří a nemohou se tudíž dostat ke vzdálenému<br />
detektoru.<br />
Proto je nutné vnořit detektor do zóny blízkého pole, kde se tyto nezářivé<br />
složky vyskytují, tj. do vzdálenosti několika nanometrů od povrchu<br />
předmětu. Detekce těchto vln je poté možná díky optickému<br />
(fotonovému) tunelovému efektu.
STOM, SNOM, NSOM (P. Tománek,Čs. Čas. Fyz. 1, 2002)<br />
Předmět může být osvětlen několika způsoby <strong>–</strong> každý definuje jednu<br />
variantu mikroskopu :<br />
1. STOM <strong>–</strong> je charakterizován osvětlením pomocí úplného vnitřního<br />
odrazu (a). <strong>–</strong> viz obr. Je určen pro transparentní předměty. Nejvíce<br />
používaný typ.<br />
2. SNOM <strong>–</strong> může pracovat buď při osvětlení předmětu vnějším<br />
odrazem, kde sonda představuje buď současně vysílač i přijímač<br />
(b), nebo při vnějším šikmém osvětlení (c). Umožňuje analýzu<br />
všech typů předmětu, transparentních i netransparentních a má<br />
výhodu, že ve srovnání s STOM je toto osvětlení izotropní.<br />
3. NSOM <strong>–</strong> pracuje pouze v transmisním režimu a hrot má pouze<br />
funkci vysílače osvětluje předmět (d). Je detekován signál ve<br />
vzdáleném poli.
STOM, SNOM, NSOM (P. Tománek,Čs. Čas. Fyz. 1, 2002)<br />
Základním elementem<br />
mikroskopu je sonda.<br />
V praxi se používají<br />
tři základní typy sond :<br />
optické vlákno,<br />
AFM hrot<br />
a kovový hrot.<br />
Nejčastěji <strong>–</strong> optické<br />
vlákno zabroušené,<br />
či vyleptané do špičky,<br />
nepokovené, či<br />
pokovené.
NSOM (Kalvoda, Parshin, skripta ČVUT)<br />
Světelný zdroj využívaný aparaturami NSOM má průměr<br />
přibližně 25 <strong>–</strong> 100 nm. Je tvořen skleněnou kapilárou nebo<br />
jednomódovým vláknem, které jsou vytaženy do tvaru<br />
atomárně ostrého hrotu a pokryty z vnější strany (s<br />
výjimkou samotného konce hrotu) tenkým kovovým<br />
zrcadlem.<br />
Obraz SNOM je tvořen postupným řádkováním sondy po<br />
povrchu vzorku a snímáním intenzity prošlého světla (změn<br />
absorpce) nebo intenzity fluorescence.<br />
Rozlišení NSOM dosahuje 10 <strong>–</strong> 100 nm a o 1- 2 řády tak<br />
převyšuje rozlišení klasické optické mikroskopie pracující<br />
se vzdáleným optickým polem. Uvedené rozlišení dobře<br />
vyhovuje např. potřebám studia morfologie tenkých vrstev<br />
polymerních materiálů, biologických membrán, atd.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
(Optický mikroskop, SEM, STM, AFM, SNOM, TEM)<br />
TEM <strong>–</strong> Transmission Electron Microscopy (prozařovací elektronový<br />
mikroskop)<br />
Pod pojmem mikroskop si lidé nejčastěji představují optický přístroj<br />
využívající viditelného světla pro pozorování velmi malých objektů.<br />
Prozařovací elektronový mikroskop je optický přístroj, který však<br />
místo světelného svazku používá elektrickým polem urychlené elektrony<br />
a místo skleněných čoček jsou použity elektromagnetické čočky.<br />
Dráha pohybujících se elektronů je ovlivněna magnetickým polem stejně<br />
jako světelný paprsek skleněnými čočkami.<br />
Obraz v elektronovém mikroskopu je pozorován na luminiscenčním<br />
stínítku nebo snímán CCD kamerou.<br />
Aby nedocházelo k interakcím elektronů s atmosférou, je celý systém<br />
umístěn ve vakuu.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - TEM<br />
Mezní rozlišovací schopnost mikroskopu je úměrná vlnové délce<br />
použitého záření. Elektronové záření s podstatně kratší vlnovou délkou<br />
než má viditelné světlo umožňuje tedy dosáhnout mnohem vyšší<br />
rozlišovací schopnosti mikroskopu.<br />
TEM - vlnová délka elektronů závisí na urychlovacím napětí<br />
mikroskopu.<br />
U komerčně vyráběných mikroskopů se používá urychlovacího napětí od<br />
100 do 400 kV, vlnová délka elektronů je pak 3,7·10 -3 nm pro 100 kV a<br />
1,6·10 -3 nm pro 400kV, zatímco vlnová délka viditelného světla je 400 -<br />
750 nm. Rozdíl je až 5 řádů!<br />
Rozlišovací schopnost současných špičkových TEM přístrojů je 0,12 až<br />
0,17 nm. Při tomto rozlišení je možné pozorovat jednotlivé atomové<br />
sloupce. Připomeňme zde, že průměr atomu se pohybuje v řádu 10 -1 nm.
TEM<br />
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong><br />
Interakce svazku elektronů s pevnou látkou a její typické odezvy. E 0 je energie primárních<br />
elektronů, D E je charakteristická ztráta, Q je Braggův úhel.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - TEM<br />
TEM - při dopadu elektronů na vzorek dochází k různým typům<br />
interakcí (obr.).<br />
V prozařovací elektronové mikroskopii se využívá hlavně pružného,<br />
téměř pružného a nepružného rozptylu.<br />
Při pružném rozptylu se mění směr pohybu elektronů, ale nemění se jeho<br />
energie. Odchylky velké většiny pružně rozptýlených elektronů<br />
od původního směru jsou velké.<br />
Při téměř pružném rozptylu se mění směr pohybu i energie, změna<br />
energie je malá, několik setin eV (tzv. fononový a plazmonový rozptyl).<br />
Při nepružném rozptylu je změna energie značná, naproti tomu změna<br />
směru poměrně malá, většina jich projde clonou v objektivu.<br />
V prozařovací elektronové mikroskopii se obvykle používají tenké<br />
vzorky o tloušťce 10 - 500 nm. Pro elektrony difraktující na takto<br />
tenkých vzorcích neplatí Braggův zákon zcela přesně, určuje však směr,<br />
v němž je difraktovaná intensita maximální. Braggovy úhly pro elektrony<br />
jsou malé, přibližně 1°.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - TEM<br />
Nejčastěji používaná technika se nazývá zobrazení ve světlém nebo<br />
temném poli.<br />
Pro zobrazení ve světlém poli jsou pomocí clony vybrány pouze prošlé<br />
elektrony, tzn., že jsou z obrazu vyloučeny všechny pružně rozptýlené<br />
(difraktované) elektrony.<br />
Při pozorování v temném poli jsou z obrazu vyloučeny prošlé<br />
elektrony a obraz vytvářejí elektrony difraktované jedním systémem<br />
rovin.<br />
Kdybychom se dívali na naprosto dokonalý krystal všude stejně silný,<br />
viděli bychom na stínítku pouze obraz konstantní intenzity. Jsou-li<br />
na nějakém místě krystalové roviny porušeny či zakřiveny přítomností<br />
poruchy, odráží se tam elektronový svazek s odlišnou intenzitou, což<br />
způsobí lokální změnu intensity obrazu. Elektronový mikroskop tak<br />
umožňuje tyto poruchy pozorovat.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong>- TEM<br />
TEM <strong>–</strong> Interakce elektronů s látkou.<br />
Vlnová délka elektronů závisí na urychlovacím napětí mikroskopu. 100 <strong>–</strong><br />
400 kV ….vln. délka elektronů 3.7 x 10 -3 nm (pro 100 kV) až 1,6 x 10 -3<br />
nm (pro 400 kV)- oproti viditelnému světlu se jedná o 5 řádů !!!!!!<br />
Vzorky pro TEM musí být tenké <strong>–</strong> aby procházející elektrony nebyly<br />
příliš absorbovány a nedocházelo k vícenásobnému rozptylu elektronů.<br />
Rozlišovací schopnost může být větší než 1/10 až 1/20 tloušťky<br />
preparátu.<br />
V TEM se obvykle používají tenké vzorky o tloušťce 10 <strong>–</strong> 500 nm (1 <strong>–</strong><br />
100 nm).<br />
Tloušťka zkoumaného preparátu d závisí na urychlovacím napětí. Např.<br />
pro 100 kV je d = 0.5 mikrometrů.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - TEM<br />
- Na obr. a (zobrazení ve světlém poli) vidíme typický obraz dislokačních čar<br />
na hranici mezi dvěma molybdenovými zrny. Hranice zrn je vůči elektronovému<br />
svazku nakloněna a na obrázku vidíme její projekci. Dislokace vidíme jako soustavu<br />
tmavých čar.<br />
Obr.: Dislokace na hranici zrn v molybdenu a) zobrazení ve světlém poli, měřítko<br />
odpovídá 100 nm,<br />
b) vysokorozlišovací elektronová mikroskopie, měřítko odpovídá 1 nm.
<strong>CHARAKTERIZACE</strong> <strong>–</strong> <strong>MORFOLOGIE</strong> <strong>POVRCHU</strong> - TEM<br />
TEM<br />
Hitachi H-7600
SPM (scanning probe microscopy)<br />
SPM <strong>–</strong> na rozdíl od elektronového a optického mikroskopu „cítí“ povrch.<br />
Termín SPM zahrnuje : STM, AFM, mikroskop podélných sil (LFM -lateral force microscope),<br />
mikroskop magnetických sil (MFM - magnetic force microscope), mikroskop elektrických sil<br />
(EFM (electrical force microscope), NSOM (near- field scanning optical microscope), SThM<br />
(scanning thermal microscope)<br />
Všechny mikroskopy tohoto typu mají ostrý mechanický tip (sondu) která „cítí“ povrch vzorku<br />
pomocí detekce sil, které působí mezi tipem a vzorkem.<br />
Tipy jsou vyráběny z křemíku, karbidu křemíku a nebo diamantové (hlavně pro měření tvrdosti).<br />
V typickém „silovém“ mikroskopu je vychýlení kantilevru od 0.1 A do několika mikrometrů a<br />
typické síly jsou 10 -13 až 10 -5 N.<br />
Působí různé síly :<br />
- Pauliho a iontová odpudivá <strong>–</strong> ty působí na krátkou vzdálenost a jsou zanedbatelné při<br />
vzdálenostech nad 1 nm.<br />
- van der Walsova mezi elektrickými dipóly <strong>–</strong> působí na větší vzdálenosti a lze je uvažovat do 10<br />
nm<br />
- kapilární síly<br />
- magnetické a elektrostatické síly.