MODERN MIKROSZKÓPIAI MÓDSZEREK FELÜLETEK VIZSGÁLATÁBAN ÉS A REZGÉSI SPEKTROSZKÓPIÁBAN

A FONTOSABB MÓDSZEREK: Felületi alagút-elektron mikroszkópia (surface tunneling microscopy, STM) Atomerő mikroszkópia (atomic force microscopy, AFM) Felületi közeltér optikai mikroszkópia (surface near-field optical microscopy, SNOM) Infravörös spektroszkópiai mikroszkópia Raman spektroszkópiai mikroszkópia

A pásztázó alagútelektron mikroszkóp (STM) működési elve Vékony fém csúcs pásztázza az elektromosan vezető felszínt A csúcs és a felszín közötti alagútáram exponenciálisan függ távolságuktól Elektronikus visszacsatolással a kettő távolságot úgy szabályozzák, hogy az alagútáram állandó legyen Így a minta nagyfelbontású topográfiai képét kapjuk Nagyon jó feltételek mellett (pl. szilárd, jól vezető kristály esetén ), az atomi felbontást is el lehet érni.

A felületi alagútelektron mikroszkóp (STM) működési elve

Kémiai tulajdonságok összehasonlítása Cu(II)ftalocianin Co(II)ftalocianin Mindkettő vékony adszorbeált réteg AU 111 kristálylapon. A Cu(II) nem vesz részt az alagútáram létrehozásában (lyuk), a Co(II) részt vesz (színes). Jól érzékelhető a d pályák viselkedése közötti különbség

STM topográfia, réz felület

Hibahelyek rézkristály felületen

STM „szobrászat” 48 Fe atomból 71,3 A átmérőjű kör, az STM csúcs mozgatásával, alacsony hőmérsékleten

Atomerő mikroszkópia (AFM) Eredmény: Felületi topológiai képek atomi léptékű felbontással. Működése: 1. A detektor vékony tűszerű csúcs, vékony rugalmas karra erősítve. 2. A kar a csúccsal végigpásztázza a felületet, 3. a csúcs fel-le elmozdul, ezzel a kar elhajlik. 4. A kar hátsó oldalára egy vékony lézersugár fénye esik. 5. A visszavert fény segítségével mérik a kar, és ezzel a csúcs helyzetét. 6. A magasságjelet visszacsatolják, ezzel emelik vagy süllyesztik a csúcsot. A z tengely irányú elmozdulást regisztrálják a vízszintes (x és y irányú) helyzet függvényében.

Az AFM felépítése

Kontakt mód A minta felszíne és a csúcs távolsága < 10 Å. A csúcs és a kar Si3N4, a csúcs 5 m hosszú, átlagosan 10 nm átmérőjű, 35o-os, a kar 120 m hosszú, V keresztmetszetű.

Működés nem-kontakt módban F: van der Waals, elektrosztatikus, mágneses és kapilláris erők lépnek fel. f: a kar rezonancia frekvenciájával rezeg. A mintától h távolságra levő csúcs és a felület között fellépő erő h valamilyen negatív hatványával arányos (h-n). Ez a frekvencia a fellépő F erő hatására eltolódik. Az elhangolás arányos a fellépő erővel.

Nem-kontakt mód Df~F~h-n a rezonancia frekvencia eltolódása, A kar 125mm, f=265kHz A csúcs 5mm hosszú, kúp 20o,átlag átmérője 10 nm

Közeltér csúcs (AFM) Egység: 1 mikrométer

Atomerő mikroszkóp

15nm magas,11nm átmérő, fehérjebontó katalizátor Proteáz (modell): 15nm magas,11nm átmérő, fehérjebontó katalizátor AFM topografikus kép: Grafitfelszínen nem-specifikusan adszorbeálva, 400 x 400 nm

Egy protein, a lizozim tetragonális kristálya 110 lapjának nagyfelbontású AFM képe

Pásztázó optikai közeltér mikroszkópia (SNOM) Apertúra: optikailag áteresztő, fémmel bevon t csúcs, átm. <100 nm. Közelteret állít elő, ami a távolsággal exponenciálisan csökken, <10 nm-en hat. Ezt a teret a felület perturbálja, eredmény: fényemisszió Detektálás reflexióban vagy transzmisszióban. A felbontást az apertúra és a fényintenzitás határozza meg, lehet 10 nm is. A klasszikus (távoltér) optikai mikroszkópiában a felbontást a diffrakció határozza meg.

Apertúra típusú SNOM, a-SNOM Sima felületek vizsgálatára, különösen víz-levegő határfelületek, így a vízfelületen adszorbeált molekulák (pl. vízoldható proteinek, liposzómák) vizsgálatára alkalmas.

Szórás-típusú SNOM, s-SNOM Az apertura nélküli rendszerben 1-10 nm felbontás, mint AFM-mel, a topográfia mellé az abszorpciót és a törésmutatót is feltérképezi. A pontszerű fényforrás oldalán fémmel bevont optikai szál, mint az AFM csúcs. Ez 45 kHz-cel ,20 nm amplitudóval rezeg. Intenzitást és fázist mérnek kapcsoló erősítővel.

Optical response (reflection mode SNOM) Nano-kolloidok SNOM vizsgálata Topography (Shear-Force SFM) Optical response (reflection mode SNOM)  

S-SNOM példa Si lapkán Au szigetek és polisztirol szemcse: AFM topográfia és s-SNOM felvétel

s-SNIM (apertura nélküli) transzmissziós mérés 3,4 mm hullámhosszon: Au réteg Si lapkán (4 x 4 mm). A felbontás kb. l/10

Emberi mucin SNIM vizsgálata Balra: A: CH2/2850;B:amid II/1550;C:CH3/2873;D:cukor/1155; E:amidA/3280;F:minden /900-1800:G:minden/200-2600cm-1 Középen:eozinnal festett mucin.Jobbra: főkomponens-analízisek

SNIM bemutató 10 mm (1000 cm-1) hullámhosszú fénnyel világítják meg a mintát, a háttérszórást a fény modulációjával küszöbölik ki, és a moduláló frekvencia felharmonikusain demodulálnak (baloldali ábra). Polsztirol szemcse polimetilmetakrilátban (jobboldali ábra)

A foszfát eloszlása emberi fogban: SNIM mérés

Polipropilén karbonil szennyezése: A: 1800 cm-1, B: 1600 cm-1 SNIM mérések Polipropilén karbonil szennyezése: A: 1800 cm-1, B: 1600 cm-1

Több egymás feletti réteg mikro-IR színképe

Több polimer rétegből álló laminált lemez mikro IR színképe

2000 éves freskódarab rómaikori villából A bekarikázott helyekről készítettek mikro-IR képet

Mikro-Raman spektrométer

Raman mikroszkópos rendszer blokkdiagramja

Raman mikroszkóp

Raman közeltér csúcsok Ch. Fokas et al., 18. ICORS,, 2002, Bp. plenáris, Absztrakt könyv p.33.

Polietilén fólia mikro-Raman színképe a mélység függvényében 2876 cm-1 2936 cm-1 2952 cm-1

Mikro-Raman: ragasztóréteg Al+ragasztó+politilén Szép Andrea felvétele

A sztirol polimerizációjának nyomonkövetése (a Z tengely egysége perc)

mikro-Raman színkép Si lapka felületéről AFM topográfia és mikro-Raman színkép Si lapka felületéről (az A-H pontokon)

Mikro-CARS 1. 750 nm és 856 nm lézerek (Ti:zafir), sejt részlete, X.S. Xie et al.: 18.ICORS, Abstr, 187

Mikro-CARS 2, szövethólyag, 47x47 mm, 2870 cm-1 X.S.Xie, 18.ICORS, Abstr., p. 188.40mW/20mW,5ps,80MHz

Mikro-CARS: sejtosztódás (29,6x29,6mm,1090cm-1) sejthalál (79,6x79,6mm, 2870cm-1) Vegetatív sejtosztódás, programozott sejthalál

17.századbeli templomkép

A pigmentek mikro-Raman spektruma