2. 1.Microscopie de forță atomică (AFM)
• Construit în 1938 de von Ardenne și produs
comercial în 1965 de către Cambridge Scientific
Instruments, acest sistem a fost supus unor continue
îmbunătățiri rezoluția să crescând de la 50 nm, în
1942 la aproximativ 0,7 nm, astăzi. Deasemenea,
cu ajutorul SEMul „contemporan” putem obține
informații despre compoziția probei studiate prin
detecția razelor X, electronilor retroimprastiati,
catodoiluminiscenta și electroni Auger.
• SPM este o familie de tehnici de măsură ce implică
scanarea unei suprafețe cu un vârf foarte ascuțit și
monitorizarea interacției vârfsuprafață pentru a
creea o imagine de înalta rezoluție a materialului
studiat. Multe alte tehnici SPM au fost
dezvoltate pentru a da informații despre forță de
frecare, aderența, elasticitate, duritate, câmp
electric, câmp magnetic, concentrația de
purtători, distribuția de temperatura, rezistență
și conductivitate. Accesul la caracteristicile fizice
ale suprafețelor este unul rapid.
Cele mai folosite metode pentru investigarea suprafețelor sunt
Scanning Electron Microscopy (SEM) și Scanning Probe
Microscopy (SPM).
3. 1.Microscopie de forță atomică (AFM)
Deși SEMul și AFM-ul au rezoluții laterale similare, există situații în care una din aceste tehnici poate oferi o reprezentare mai detaliată
a suprafeței probei. Această diferențiere este dată de felul în care cele două tehnici analizează modificările verticale în
topografia probei.
• Cazul probelor foarte netede (la nivel atomic):
În imaginile din dreapta sunt prezentate imaginile
SEM, respectiv AFM ale aceleași suprafețe (și
epitaxial). AFMul are o rezoluție verticală < 0,5 Å,
astfel poate rezolva treptele de 1,4 Å de pe suprafață
studiată, putând calcula rugozitatea medie a acesteia
(0,7Å). SEMul are dificultăți în a trata aceste variații
subtile de înălțime.
• Cazul probelor foarte rugoase
Un avantaj cheie al SEMului este adâncimea de pătrundere a
câmpului relativ mare. Această caracteristică face posibilă
obținerea unor imagini clare, cu milimetrii de informație verticală
a unor suprafețe foarte rugoase. Scannerul AFM poate măsură
înălțimi de până la 6 μm însă, pentru suprafețe cu variații de
înălțime mai mari decât 510 μm, metoda de investigație cea mai
potrivită este SEM.
4. 1.Microscopie de forță atomică (AFM)
-Modul de lucru-
• Modul de lucru al SPMului
este ilustrat in stanga. Acesta are
ca principale componente: 1.
senzorul 2. tubul piezoelectric; 3.
dioda laser; 4. fotodetector; 5. circuit
de feedback.
• Senzorul este constituit dintrun
cantilever echipat cu un vârf ascuțit în
plasmă ce interacționează cu
suprafață. Un fascicul laser este
reflectat de cantilever iar aspectul
morfologic al suprafeței este direct
asociat cu schimbarea semnalului din
fotodetector. Acesta din urmă este
divizat în patru cadrane, fiecare
indicând deflexia și torsiunea
cantileverului așa cum este indicat în
figura 2.
5. 1.Microscopie de forță atomică (AFM)
-Modul de lucru-
• Modificările de semnal sunt preluate apoi, prin feedback, de un tub piezoelectric, cu ajutorul căruia proba
studiată este deplasată pe direcția Z, senzorul rămânând la o înălțime constantă (figura 3).
6. • Microscopul electronic de baleiaj cu efect tunel (STM)
este unul din tipurile de microscoape cu sondă locală
de scanare, alături de microscopul optic de de baleiaj
în câmp apropiat (SNOM) și microscopul de forţă
atomică (AFM).
• Acest tip de microscop a fost conceput de Gerd
Binning și Heinrich Rohrer, sub compania IBM,
invenție a anului 1981 care s-a impus în lumea științei
ca un dispozitiv ce permite furnizarea de imagini
tridimensionale, până la nivel atomic, a unei suprafețe
solide.
2. Microscopia de scanare cu tunelare (STM)
Omicron STM pentru temperaturi joase
Imagini de tip “corral” obtinute cu ajutorul STM
7. 2. Microscopia de scanare cu tunelare (STM)
Caracteristici
• modul de formare a imaginii:
-un vârf conductor electric se deplasează deasupra suprafeței probei, la o distanță
extrem de mică; aplicând o diferență de potențial; prin măsurarea curentului,
poate fi aflată densitatea electronică a suprafeței.
• natura și modul de pregătire a probei:
-eșantioane extrem de curate, din materiale conductoare sau semiconductoare
• condiții de operare:
-medii diverse (vid, gaze, lichide, inclusiv apă și aer), iar temperaturi de la cca. 0K până la aproximativ
1000°C
• rezoluția imaginii:
-cca 1nm pe orizontal, cu o adancime de 0.01nm
Procese fizice utilizate
Cel mai important este efectul tunel-concept al mecanicii cuantice, care vizează proprietatea unei particule (căreia i
se asociază o funcție de undă) de a străbate o barieră de potențial, la scară atomică; acest fenomen este descris de o
anume funcție de probabilitate
De asemenea, mai putem menționa amplificarea în tensiune, încălzire și răcire, obținerea de vid ultra-înalt adeziuna,
atracția și respingera între electrozi, emisie electronică în câmp intens.
Reconstituire 3D STM pentru
o proba de siliciu (Si(111) 7×7)
8. 2. Microscopia de scanare cu tunelare (STM)
z
O x
y
Principiu de funcționare:
O diferență de potențial este aplicată între doi electrozi, separați de
o suprafață subțire, izolatoare, iar datorită abilității electronilor de
a penetra bariera de potențial, un curent va reuși să treacă între cele
două conductoare.Un electrod (vârf metalic fin) este adus în apropierea
suprafeței de investigat. Se aplică un curent ce variază între 0.2-10 nA,
convenind pentru diferența de potențial 0.01-1V, la care va opera
dispozitivul, și se va mișca vârful, urmărind evoluția în timp a intensității
electrice, pe baza căreia se trasează o hartă topografică.
Moduri de funcționare:
• Modul de curent constant (CCM)
- o rețea electronică de feedback modifică automat înălțimea z,
pentru a menține curentul constant.
• Modul de înălțime constantă (CHM)
- vârful metalic este
deplasat deasupra probei la o înălțime z constantă, diferența de
potențial rămâne aceeași pe toată durata măsurătorii,
iar variația curentului dintre cei doi electrozi este înregistrată.
9. 2. Microscopia de scanare cu tunelare (STM)
Aplicații:
• Nanolitografiere
• Nanoinginerie
• Nano-anodizare
• Nano-manipulare
• Studiul substantelor la scara atomica
• Reconstructia suprafetelor
• Aplicatii medicale
10. 3.Microscopie electronica (SEM)
• Un microscop electronic este un tip de
microscop care folosește electroni pentru a
ilumina specimenul și a transmite o imagine
mărită a acestuia. Microscoapele electronice
au rezoluție superioară microscoapelor cu
lumină, și pot transmite o imagine mărită de
mult mai multe ori. Unele microscoape
electronice ajung să transmita o imagine
mărită de 2 milioane de ori, pe când cele mai
bune microscoape cu lumină transmit o
imagine mărită de 2 000 de ori, caracteristică
care le face instrumente potrivite pentru o
gamă largă de aplicații în numeroase
domenii ale științei și industriei.
11. 3.1. Microscopie electronica prin transmisie
(TEM)
• Principiul functionarii microscoapelor
electronice prin transmisie (TEM) este foarte
asemanator cu cel al microscoapelor optice,
folosindu-se lentile magnetice in locul celor
optice, iar locul fotonilor este luat de electroni.
Electronii sunt accelerati in vid, la viteze la care
lungimea de unda asociata este egala cu pana la a
suta mia parte din lungimea de unda a luminii
vizibile. Imaginile sunt create de fasciculul de
electroni care traverseaza proba si care
interactioneaza apoi cu un sistem de detectie .
• TEM-urile își găsesc aplicația în cercetarea
cancerului, virologia și știința materialelor,
precum și în poluare, nanotehnologie și cercetarea
semiconductorilor, dar și în alte domenii, cum ar fi
paleontologia și palinologia.
•.
12. 3.2. Microscopul electronic cu reflexie (REM)
• Microscoapele electronice cu reflexie
implică raze de electroni incidente pe o
suprafață. În microscopul electronic cu
reflexie ca în TEM, un fascicul de electroni
este incident pe o suprafață, dar în loc să se
utilizeze transmisia sau electronii secundari
(SEM), este detectat fasciculul reflectat de
electroni împrăștiați elastic.
Microscopia electronică de reflecție (REM)
este acum bine stabilită ca tehnică pentru
studiul structurii suprafețelor cristalelor.
O gamă largă de energii cu fascicul de
electroni a fost utilizată în reflecție
imagistică.
13. 4. Spectrometrie de masa (MS)
• Spectrometria de masă (MS) este o tehnică de investigare cu
largi aplicaţii în chimia analitică, cum ar fi: determinarea
maselor atomice şi moleculare; compoziţia izotopică a
elementelor; sau identificarea compuşilor organici. Pe lângă
aceste aplicaţii, ea a devenit una dintre cele mai importante
tehnici de detecţie în cromatografie.
• Există patru etape într-un spectrometru de masă pe care
trebuie să le luăm în considerare:
1) ionizare,
2) accelerație,
3) deviere ,
4) detectare.
• Primele instrumente MS comercializate apar după anul 1950,
fiind utilizate în industria de prelucrare a petrolului. După anii
1960, spectrometria de masă devine cea mai importantă tehnică
de detecţie atât în cromatografia de gaze, cât şi în cromatografia
de lichide.
14. 4. Spectrometrie de masa (MS)
Principalele componente ale unui spectrometru de masă, redate în figura de mai jos, sunt: camera de ionizare;
separatorul (analizorul) de ioni; detectorul de ioni. In cazul cuplării sistemul MS cu unul cromatografic interfaţa
dintre ele realizează etapa 1.
Schema de baza a unui spectometru de masa
• Principiul de functionare
Fiecare experiment de spectrometrie de masă
implică următorii pași principali:
proba (analitul) este transferată la sursa de ioni
a spectrometrului de masă;
ionii din compusul analizat sunt generați și
transformați în faza gazoasă;
ionii sunt separați și analizați în funcție de
raportul masă-sarcină;
ionii sunt detectați;
iar semnalele corespunzătoare sunt înregistrate,
stocate și convertite într-un spectru de masă.
15. 4. Spectrometrie de masa (MS)
Aplicatii
Raportul izotopilor MS: datarea și urmărirea izotopilor
Analiza gazelor trasoare
Sonda atomică (un instrument care combină
spectrometria de masă a timpul de zbor și microscopia
de evaporare a câmpului pentru a mapa locația
atomilor individuali)
Farmacocinetica (este adesea studiată folosind
spectrometria de masă datorită naturii complexe a
matricei (adesea sânge sau urină) și nevoia de
sensibilitate ridicată pentru a observa date cu doze
mici și puncte de timp îndelungate)
Caracterizarea proteinelor
Explorarea spațiului (spectrometrele de masă au ajuns
pe alte planete)
Monitor de gaze cu respirație (spectrometrele de masă
au fost utilizate în spitale pentru analiza gazelor
respiratorii începând cu 1975 până la sfârșitul
secolului)
Spectrometrie de masă pregătitoare
Analiza particulelor NOAA prin spectrometru de masă
cu aerosoli cu spectrometrie de masă cu laser la bordul
unei aeronave de cercetare la altitudine NASA WB-57
