andrzej leniart - urząd miasta Łodzi · 2014-06-13 · andrzej leniart uniwersytet Łódzki,...

Andrzej Leniart

Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii

Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej

Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii

91-403 Łódź, ul. Tamka 12

Akademia Ciekawej Chemii

11 czerwiec 2014 r.

Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej


Z czego zbudowana jest materia?

Demokryt z Abdery (ur. ok. 460 p.n.e., zm. ok. 370 p.n.e.) – grecki

filozof , naukowiec, znany jako "śmiejący się filozof".

Ponad 2400 lat temu zadał pytanie:

Czy materię można dzielić na mniejsze i coraz mniejsze kawałki

w nieskończoność?

- materii nie można dzielić w nieskończoność,

- w wyniku dzielenia powstanie tak drobna cząska, której już dalej

nie da się podzielić. Nazwał ją "Atomo" co znaczy

"niepodzielna, niedająca się ciąć"

elektrony

protony

neutrony

orbity

jądro atomowe



Z czego zbudowana jest materia?

atom wielkości pomarańczy

pomarańcza

wielkości Ziemi

1 Å = 10−10 m = 0.1 nm

Rozmiar atomu



Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)

Pierwszy udany eksperyment 1981 r.

Patent 1982 r.

Nagroda Nobla z fizyki 1986 r.

Gerd Binnig

(1947-...)

Heinrich Rohrer

(1933-2013)




Zjawisko tunelowe (efekt tunelowy)

Zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż

energia cząstki.

Zjawisko tunelowe jest efektem kwantowo - mechanicznym, który nie istnieje w

mechanice klasycznej.

Zaproponowane w 1928 roku przez Georga Gamowa

do wyjaśnienia rozpadu jąder.




6

x

V0

I II

Przejście elektronu przez barierę o szerokości d i o potencjale V0

x0

d

III

x1

E

x

V0

I II

x0

d

III

x1

E

Mechanika klasyczna

Mechanika kwantowa

e(m,E) E<V0

e(m,E) E<V0



A

R

I ≠ 0


A

R

I = 0

badana próbka

igła skanująca

d Å

IT ≠ 0

Prąd tunelowy jest skomplikowaną funkcją geometrii powierzchni,

stanów elektronowych ostrza igły skanującej i próbki. IT - natężenie

prądu tunelowego, V - napięcie, f(V)- funkcja średniej ważonej gęstości stanów

elektronowych badanej próbki i igły, Φ - wysokość bariery tunelowej w eV, d - odległość

między próbką a ostrzem igły w angstremach. Funkcja ρsa, jak i Φ są wielkościami

charakteryzującymi materiały z jakich wykonana jest próbka i igła skanująca.

d

Fsa

d

FsaT eEVeEVI 025.12 ),0(),0(




Działanie mikroskopu polega na pomiarze natężenia prądu tunelowego

płynącego podczas skanowania pomiędzy cienkim ostrzem (igłą skanującą) a

powierzchnią próbki przewodzącą prąd elektryczny (elektrodą badaną)

znajdującymi się w odległość od kilku do kilkudziesięciu angstremów.

Wykorzystywana jest silna eksponencjalna zależność prądu tunelowego od

odległości pomiędzy próbką a ostrzem skanującym.




IT

x

Tryb stałego natężenia prądu tunelowego

Tryb stałej wysokości Z

IT

x




Aby zapewnić precyzyjne ruchy igły nad próbką lub próbki pod igłą w odległości

kilku Angstremów wykorzystano ceramiczne materiały piezoelektryczne, które

pod wpływem przyłożonego napięcia zmieniają swój rozmiar.

W roku 1880 Jacques i Pierre Curie odkryli zjawisko piezoelektryczności, które

polega na tym, że na powierzchni niektórych kryształów poddanych działaniu

zewnętrznych naprężeń mechanicznych indukują się ładunki elektryczne,

których wartość jest wprost proporcjonalna do wartości przyłożonych naprężeń.

W tym samym roku udowodnili , że istnieje zjawisko piezoelektryczności

odwrotne, które polega na deformowaniu się kryształu piezoelektrycznego w

zewnętrznym polu elektrycznym.




Skanery piezoelektryczne stosowane w STM konstruowane są aby zapewnić

ruch igły skanującej w poszczególnych kierunkach osi X, Y, Z w wyniku

rozszerzania i kurczenia się materiałów piezoelektrycznych. Skanery są o

różnej konstrukcji: skanery rurkowe, skanery trójramienne (tripod) i skanery

oparte na komórkach bimorficznych.

-X

+X

-Z

+Z

-Y

+Y

skaner trójramienny (tripod) Skaner rurkowy

Z+Y

Z-Y

Z+XZ-X




Materiały na igły skanujące

złoto, wolfram, platyna, tal oraz stopy platynowo - irydowe o różnym składzie

(Pt90%Ir10%, Pt80%Ir20% lub Pt70%Ir30%).

Zalety

szybkość przygotowania

Wady

brak powtarzalności

wielokrotne ostrza igły skanującej

ostrza są postrzępione, spłaszczone

nie nadają się do badań w roztworach elektrolitów

Metody otrzymywania igieł skanujących

- cięcie mechaniczne igieł




- trawienie elektrochemiczne igieł

Zalety

powtarzalność;

otrzymywanie pojedynczego ostrza igły skanującej

dużą rozdzielczość igły

Wady

pojawianie się bardzo długich, cienkich ostrzy tzw.

wiskerów

igła lekarska drut PtIr

I Etap

srebrzanka apiezon 0.5÷0.7mm

II Etap

parafina

III Etap

AC

Źródło napięcia

zmiennego z

zakresu 0-10 VAC

Elektroda

węglowa

Roztwór do

trawienia

Uchwyt mocujący

igłę

Igła do

trawienia

Miejsce

trawienia

Statyw

anoda: 𝑊 + 8𝑂𝐻−

𝑊𝑂42− + 4𝐻2𝑂 + 6𝑒−

𝐤𝐚𝐭𝐨𝐝𝐚: 4𝐻2𝑂 + 6𝑒−

3𝐻2 + 6𝑂𝐻−




Środowiska pracy

- próżnia (pomiar ex situ)

- powietrze (pomiar ex situ)

- ciecze (pomiar in situ)

- środowisko elektrochemiczne (pomiar in situ)

Główne obszary badawcze

- badania struktur monokrystalicznych

- badania adsorpcji i interkalacji w strukturach monokrystalicznych

- badania struktur polikrystalicznych

- badania elektroosadzania metali i stopów

- badania ognisk korozyjnych

- modyfikowanie powierzchni poprzez przyłożenie impulsów napięciowych,

- manipulacje pojedynczymi klastrami lub atomami zaadsorbowanymi na

powierzchni próbki

- badania nanocząstek i samoorganizujących się warstw



głowica skanująca

stolik

mikroskopu

włącznik/wyłącznik

próżni do

podtrzymywania

próbki kamera

optyczna

blok

granitowy

wyświetlac

z LCD

Mikroskop DimensionTM Icon firmy Bruker

Nano Surfaces Business

Mikroskop STM/ECSTM skonstruowany w

1995 r. pod kierownictwem dr Tadeusza

Błaszczyka na naszym Wydziale we

współpracy z Wydziałem Fizyki UŁ

stolik

mikroskopu

głowica

skanująca

próbka




Topografia powierzchni HOPG (STM pomiar w powietrzu, ET=+0,2 V, IT=1,0 nA)




ładunek elektroosadzania -0.003 C

po jednym cyklu woltamperometrycznym

ładunek -0.173 C elektroosadzania Pd

przy Ew = +0.20 V

ładunek -0.373 C elektroosadzania Pd

przy Ew = +0.20 V

Topografia powierzchni po elektrochemicznym osadzaniu Pd (STM pomiar In situ 0.1 M HCl +

0.01 M (NH4)2PdCl4, ET=+0,05 V, IT=1,0 nA, EW= 0.38 V)




Topografia HOPG - rozdzielczość atomowa




Topografia HOPG -

rozdzielczość

atomowa





20

Topografia złota polikrystalicznego po impulsach

napięciowych między igłą skanującą a elektrodą

(pomiar w powietrzu) (UTP= +4.1 V, 5.1 V, 6.1 V)

IT



Mechanizm osadzania klasteru metalu przy użyciu igły tunelowej

Klastery palladu na złocie monokrystalicznym (111) (20x20 Pd)





Znak firmowy IBM ułożony z 35. atomów

ksenonu przez amerykańskiego fizyka

Don Eigler

Najmniejszy człowiek

świata. Postać

zbudowana z

cząsteczek tlenku

węgla osadzonych na

powierzchni platyny

http://archiwum.wiz.pl/images/duze/1999/09/99092510.JPG



Podsumowanie - co zapamiętałam/em z wykładu?

1. Co oznacza skrót STM?

2. Jak nazywają się wynalazcy Skaningowego Mikroskopu Tunelowego?

3. Jak nazywał się grecki filozof, który po raz pierwszy użył "atom"?

4. Jakie zjawisko wykorzystywane jest w STM i naczym ono polega?

5. Na czym polega zasada działania STM?

6. Ile wynosi 1Å w metrach?

7. Kto odkrył zjawisko piezoelektryczności?

8. Na czym polega zjawisko piezoelektryczności?

9. Jakimi metodami można otrzymywać igły skanujące STM?

10. Co można badać i robić za pomocą STM?



DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

andrzej leniart - urząd miasta Łodzi · 2014-06-13 · andrzej leniart uniwersytet Łódzki,...

Documents