Cyfroteka.pl

klikaj i czytaj online

Cyfro
Czytomierz
00358 010351 11217069 na godz. na dobę w sumie
Fizykochemiczne metody badawcze w nano- i biotechnologii. Podstawy teoretyczne i ćwiczenia praktyczne - ebook/pdf
Fizykochemiczne metody badawcze w nano- i biotechnologii. Podstawy teoretyczne i ćwiczenia praktyczne - ebook/pdf
Autor: Liczba stron:
Wydawca: Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego Język publikacji: polski
ISBN: 978-83-235-1894-5 Data wydania:
Lektor:
Kategoria: ebooki >> naukowe i akademickie >> fizyka
Porównaj ceny (książka, ebook, audiobook).

Jednymi z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin nauki i przemysłu są nanotechnologia i biotechnologia. Możliwość wzięcia udziału w rozwoju tych dziedzin zależy od umiejętności wyboru i stosowania najnowszych technik spektroskopowych i mikroskopowych.

Autorzy niniejszej książki opracowali podstawy nowych technik badawczych zarówno dla studentów, jak i dla pracowników naukowych. Każdy z czternastu rozdziałów tej książki zawiera obszerne wprowadzenie teoretyczne zapewniające opanowanie podstawowych zagadnień potrzebnych do posługiwania się daną techniką, następnie przedstawiony jest opis wykonywania pomiarów oraz sposób interpretacji wyników.

Zebranie tak obszernego materiału w jednej książce zapewnia Czytelnikowi szybkie zapoznanie się z różnymi zagadnieniami i technikami pomiarowymi.

W książce opisana jest tematyka realizowana w ramach Pracowni Nowych Materiałów na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Obejmuje ona zastosowanie najnowszych technik doświadczalnych mikroskopowych i spektroskopowych oraz modelowania komputerowego w takich dziedzinach, jak chemia powierzchni, właściwości i synteza nanomateriałów nieorganicznych i organicznych, charakterystyka farmaceutyków oraz cieczy jonowych.

Na końcu każdego rozdziału przedstawiony jest spis pozycji literaturowych pomocnych w przygotowaniu przedstawionego materiału oraz polecanych dla osób, które chciałyby poszerzyć wiedzę dotyczącą danej tematyki.

Znajdź podobne książki Ostatnio czytane w tej kategorii

Darmowy fragment publikacji:

FIZYKOCHEMICZNE METODY BADAWCZE W NANO- I BIOTECHNOLOGII PODSTAWY TEORETYCZNE I ĆWICZENIA PRAKTYCZNE REDAKCJA NAUKOWA MAREK SZKLARCZYK ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== FIZYKOCHEMICZNE M E T O D Y B A D AW C Z E W NANO- I BIOTECHNOLOGII ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Praca zbiorowa pod redakcją dr hab. Marka Szklarczyka Autorzy prof. dr hab. Karol Jackowski dr Agata Królikowska prof. dr hab. Paweł Krysiński dr Anna Makowska dr hab. Barbara Pałys dr hab. Magdalena Pecul-Kudelska dr hab. Marek Pękała dr Kamil Polok dr Agnieszka Siporska dr Marcin Strawski dr hab. Marek Szklarczyk dr Jadwiga Szydłowska ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== FIZYKOCHEMICZNE M E T O D Y B A D AW C Z E W NANO- I BIOTECHNOLOGII PODSTAWY TEORETYCZNE I åWICZENIA PRAKTYCZNE REDAKCJA NAUKOWA MAREK SZKLARCZYK Warszawa 2015 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Recenzenci Prof. dr hab. Jolanta Bukowska Prof. dr hab. Andrzej Sobkowiak Redaktor prowadzący Małgorzata Yamazaki Redakcja i korekta Małgorzata Galus Projekt okładki i stron tytułowych Wojciech Markiewicz Skład i łamanie Marcin Szcześniak Ilustracje na okładce Na górze: mapa ramanowska tabletki leku pokazująca rozkład jego składników [za zgodą Horiba Scientifi c, Raman Application Laboratory, Francja]; na dole: zakresy widma promieniowania elektromagnetycznego oraz odpowiadająca im zmienna długość fali (autor: Marek Szklarczyk) ISBN 978-83-235-1894-5 (PDF) © Copyright by Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2015 Publikacja dofi nansowana z projektu nr POKL.04.01.01-00-100/10 „Chemia, fi zyka i biologia na potrzeby społeczeństwa XXI wieku: Nowe makro kierunki studiów I, II i III stopnia” w Priorytecie IV PKOL Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego 00-497 Warszawa, ul. Nowy Świat 4 www.wuw.pl, e-mail: wuw@uw.edu.pl Księgarnia internetowa: www.wuw.pl/ksiegarnia Wydanie 1 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Spis treści Przedmowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Rozdział 1. Skaningowa mikroskopia tunelowania i mikroskopia sił atomowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Marek Szklarczyk CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1.1. Technika STM. Efekt tunelowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2. Technika AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3. Zastosowanie i oprzyrządowanie technik STM i AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.1. Technika STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.2. Technika AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 1.4. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Rozdział 2. Mapowanie i obrazowanie ramanowskie przy użyciu mikroskopii konfokalnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Agata Królikowska CZĘŚĆ TEORETYCZNA 2.1. Zjawiska rozpraszania Rayleigha i Ramana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 6 Spis treści 2.2. Lasery jako źródło wzbudzenia w spektroskopii Ramana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3. Budowa spektrometru ramanowskiego i idea mikroskopii konfokalnej . . . . . . . . . . 34 2.4. Mapowanie i obrazowanie ramanowskie i ich wykorzystanie w analizie leków . . . . 38 2.4.1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.2. Zasada pomiaru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.3. Rozdzielczość mapy ramanowskiej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.4. Analiza mapy ramanowskiej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 2.5. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.6. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Rozdział 3. Spektroskopia odbiciowa w podczerwieni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Barbara Pałys CZĘŚĆ TEORETYCZNA 3.1. Metoda zewnętrznego odbicia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2. Metoda wewnętrznego odbicia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3. Polimery przewodzące . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 3.4. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.5. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Rozdział 4. Spektroskopia paramagnetycznego rezonansu elektronowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Jadwiga Szydłowska CZĘŚĆ TEORETYCZNA 4.1. Moment magnetyczny elektronu – orbitalny i spinowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2. Energia dipola magnetycznego w polu magnetycznym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3. Kwantowanie energii elektronu w polu magnetycznym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.4. Zjawisko rezonansu magnetycznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.5. Tensor g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6. Próbka proszkowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.7. Próbka izotropowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.8. Operator spinu i hamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.9. Oddziaływanie nadsubtelne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.10. Widmo próbek izotropowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Spis treści 7 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 4.11. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.12. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 UZUPEŁNIENIE 4.13. Podstawowe wielkości występujące w opisie zjawiska EPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.13.1. Iloczyn skalarny i wektorowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.13.2. Moment pędu, moment magnetyczny, energia dipola w polu magnetycznym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.13.3. Wartości własne i funkcje własne operatora – przykłady . . . . . . . . . . . . . . . 74 Rozdział 5. Luminescencja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Marcin Strawski CZĘŚĆ TEORETYCZNA 5.1. Fotoluminescencja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2. Elektroluminescencja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.3. Elektronoluminescencja (katodoluminescencja) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.4. Chemiluminescencja (bioluminescencja i elektrochemiluminescencja) . . . . . . . . . . 81 5.5. Inne rodzaje luminescencji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.6. Powlekanie obrotowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 5.7. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.7.1. Charakterystyka diod elektroluminescencyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.7.2. Wpływ nanomateriałów na chemiluminescencję luminolu . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.7.3. Budowa urządzenia elektrochemiluminescencyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.8. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Rozdział 6. Ekranowanie w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Karol Jackowski CZĘŚĆ TEORETYCZNA 6.1. Podstawa spektroskopii NMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.2. Magnetyczne ekranowanie jąder atomowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3. Przesunięcie chemiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 6.4. Pomiar magnetycznego ekranowania jąder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 8 Spis treści CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 6.5. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.6. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Rozdział 7. Praca adhezji – pomiar kąta zwilżania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Paweł Krysiński CZĘŚĆ TEORETYCZNA 7.1. Praca zmiany powierzchni, napięcie powierzchniowe międzyfazowe . . . . . . . . . . . . 100 7.2. Praca kohezji i adhezji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.3. Zwilżanie i zwilżalność . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 7.4. Kąt zwilżania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 7.5. Krytyczne napięcie powierzchniowe ciała stałego, wykres Zismana . . . . . . . . . . . . . 106 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 7.6. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 7.7. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 UZUPEŁNIENIE 7.8. Podstawy elipsometrii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Rozdział 8. Ciecze jonowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Anna Makowska CZĘŚĆ TEORETYCZNA 8.1. Budowa cieczy jonowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 8.2. Właściwości cieczy jonowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 8.2.1. Gęstość . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.2.2. Lepkość . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 8.2.3. Przewodnictwo elektrolityczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 8.2.4. Okno elektrochemiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8.2.5. Pozostałe właściwości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.3. Otrzymywanie tetrafl uoroboranów 1-alkilo-3-metyloimidazoliowych [CnMIM][BF4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.4. Wpływ zanieczyszczeń na właściwości cieczy jonowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 8.5. Zastosowanie cieczy jonowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 8.6. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Spis treści 9 8.6.1. Pomiary lepkości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.6.2. Pomiary przewodnictwa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.6.3. Pomiary gęstości w wybranych temperaturach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 8.7. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Rozdział 9. Roztwory polimerów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Agnieszka Siporska CZĘŚĆ TEORETYCZNA 9.1. Budowa przestrzenna polimerów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.2. Metody wydłużania i skracania łańcucha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 9.3. Masa cząsteczkowa polimerów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 9.4. Polistyren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.5. Rozpuszczanie polimerów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 9.6. Równowagi fazowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.6.1. Termodynamika układów z luką mieszalności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.6.2. Rodzaje rozpuszczalników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 9.6.3. Diagramy z pętlą o ograniczonej mieszalności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 9.6.4. Punkt krytyczny i równanie skalujące . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 9.7. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 9.7.1. Obserwacja procesu rozpuszczania polimeru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 9.7.2. Wyznaczanie diagramów fazowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 9.7.3. Obliczanie parametrów krytycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 9.8. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Rozdział 10. Termomagnetyczna analiza ciał stałych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Marek Pękała CZĘŚĆ TEORETYCZNA 10.1. Moment magnetyczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 10.2. Trzy wektory magnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 10.3. Przenikalność i podatność magnetyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 10.4. Materiały magnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 10.5. Magnetyczne metody pomiarowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 10.6. Waga Faradaya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 10 Spis treści CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 10.7. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 10.7.1. Pomiary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 10.7.2. Obliczenie namagnesowania masowego i podatności masowej . . . . . . . . . . 161 10.8. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 10.8.1. Namagnesowanie masowe i podatność masowa w temperaturze pokojowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 10.8.2. Faza ferromagnetyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 10.8.3. Faza paramagnetyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 10.8.4. Sprawozdanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 UZUPEŁNIENIE 10.9. Jednostki magnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Rozdział 11. Elektrooptyczny i optycznooptyczny efekty Kerra . . . . . . . . . . . 167 Kamil Polok CZĘŚĆ TEORETYCZNA 11.1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 11.2. Podstawy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 11.2.1. Detekcja homodynowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 11.3. Elektryczny efekt Kerra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 11.3.1. Wpływ pola pompującego na próbkę . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 11.3.2. Związek orientacji cząsteczek i dwójłomności próbki . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 11.4. Optyczny efekt Kerra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 11.4.1. Składowe sygnału . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 11.4.2. Funkcja odpowiedzi a sygnał dla niezerowego czasu trwania impulsu . . . . 183 11.4.3. Detekcja heterodynowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 11.5. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 11.5.1. Elektryczny efekt Kerra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 11.5.2. Optyczny efekt Kerra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 11.6. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 11.6.1. Elektryczny efekt Kerra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 11.6.2. Porównanie efektu orientacyjnego w optycznym i elektrycznym efekcie Kerra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 11.6.3. Optyczny efekt Kerra w CCl4 i CHCl3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 11.6.4. Analiza wpływu temperatury na sygnały kerrowskie CCl4 i C2Cl4 . . . . . . . . 188 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Spis treści 11 Rozdział 12. Modelowanie nieliniowych właściwości optycznych . . . . . . . . . 190 Magdalena Pecul-Kudelska CZĘŚĆ TEORETYCZNA 12.1. Właściwości molekularne związane z polem elektrycznym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 12.1.1. Trwały moment dipolowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 12.1.2. Trwały moment kwadrupolowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 12.1.3. Polaryzowalność . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 12.1.4. Hiperpolaryzowalność . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 12.2. Spektroskopia chiralooptyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 12.2.1. Dichroizm kołowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 12.2.2. Skręcalność optyczna i dyspersja skręcalności optycznej . . . . . . . . . . . . . . . 197 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 12.3. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 12.4. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Rozdział 13. Spektrometria mas jonów wtórnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Marcin Strawski CZĘŚĆ TEORETYCZNA 13.1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 13.2. Jonizacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 13.3. Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 13.4. SIMS jako technika badania powierzchni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 13.5. Budowa spektrometru mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu . . . . . 206 13.6. Możliwości analityczne SIMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 13.7. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 13.8. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Rozdział 14. Spektroskopia fotoelektronów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Marek Szklarczyk, Marcin Strawski CZĘŚĆ TEORETYCZNA 14.1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 14.2. Zjawisko fotoelektryczne i energia fotoelektronów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 14.3. XPS jako technika badania powierzchni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 12 Spis treści 14.4. Budowa spektrometru XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 14.5. Możliwości analityczne XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 14.6. Wykonanie ćwiczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 14.7. Opracowanie wyników . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Wymagania do kolokwium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Skorowidz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== Przedmowa Jednymi z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin nauki i przemy- słu są nanotechnologia i biotechnologia. Możliwość wzięcia udziału w rozwoju tych dziedzin zależy od umiejętności wyboru i stosowania najnowszych technik spektroskopowych i mikroskopowych. Zamierzeniem autorów niniejszej książ- ki było przygotowanie opracowania podstaw tych nowych technik badawczych zarówno dla studentów, jak i dla pracowników naukowych. Każdy z czternastu rozdziałów tej książki zawiera obszerne wprowadzenie teoretyczne zapewnia- jące opanowanie podstawowych zagadnień potrzebnych do posługiwania się daną techniką, następnie przedstawiony jest opis wykonywania pomiarów oraz sposób interpretacji wyników. Zebranie tak obszernego materiału w jednej książce zapewni Czytelnikowi szybkie zapoznanie się z różnymi zagadnieniami i technikami pomiarowymi. W skrypcie opisana jest tematyka realizowana w ramach Pracowni Nowych Materiałów na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Obejmuje ona zastosowanie najnowszych technik doświadczalnych mikroskopowych i spektro- skopowych oraz modelowania komputerowego w takich dziedzinach, jak chemia powierzchni, właściwości i synteza nanomateriałów nieorganicznych i organicz- nych, charakterystyka farmaceutyków oraz cieczy jonowych. Na końcu każdego rozdziału przedstawiony jest spis pozycji literaturowych pomocnych w przygotowaniu przedstawionego materiału oraz polecanych dla osób, które chciałyby poszerzyć wiedzę dotyczącą danej tematyki. Autorzy dziękują Panu prof. dr hab. Robertowi Moszyńskiemu za pod- jęcie decyzji o sfi nansowaniu wydania niniejszej książki ze środków projektu nr  POKL.04.01.01-00-100/10 „Chemia, fi zyka i biologia na potrzeby społeczeń- stwa XXI wieku: nowe makro kierunki studiów I, II i III stopnia” w Priorytecie IV POKL, program „Kapitał ludzki”. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1 Skaningowa mikroskopia tunelowania i mikroskopia sił atomowych Marek Szklarczyk Technika skaningowej mikroskopii tunelowania (ang. Scanning Tunneling Micro- scopy, STM) oraz siostrzana technika skaningowej mikroskopii sił atomowych (ang. Atomic Force Microscopy, AFM) są technikami, które ze względu na łatwość ich zastosowania i rodzaj uzyskiwanych informacji zyskały popularność niezwykle szybko. Od chwili ich zaproponowania (lata 1983–1986) do dzisiaj powstało wiele technik pochodnych. Obecnie do dyspozycji jest około 40 pochodnych technik zarówno mikroskopowych jak i spektroskopowych. Informacje, które za ich po- mocą można uzyskać, są zarówno natury atomowej, jak i makroskopowej. Są to informacje dotyczące właściwości kwantowych (efekt tunelowania, stojące fale elektronowe, szerokość pasm wzbronionych), oddziaływań międzyatomowych i międzycząsteczkowych, potencjałów powierzchniowych, sił tarcia międzyatomo- wego, nanoprzewodnictwa, oddziaływań magnetycznych, lepkości, czy też składu chemicznego (spektroskopia tunelowania). Techniki te umożliwiają również uzy- skiwanie informacji dotyczących morfologii i geometrii powierzchni na poziomie zarówno atomowym, jak i makroskopowym. ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 16 CZĘŚĆ TEORETYCZNA Marek Szklarczyk Skonstruowanie mikroskopów STM i AFM było możliwe na podstawie teorii efektu tunelowania oraz teorii oddziaływań międzyatomowych. 1.1. Technika STM. Efekt tunelowania Na rysunku 1.1 przedstawiono dwie możliwości przepływu prądu elektryczne- go, czyli przepływu elektronów pomiędzy dwoma obiektami – jedna jest zgodna z fi zyką klasyczną (linie niebieskie), a druga zgodna z fi zyką kwantową (linie czerwone). Zgodnie z fi zyką klasyczną, makroskopową, między dwoma obiek- tami istnieje bariera energetyczna uniemożliwiająca przejście elektronów, czyli przepływ prądu. Przejście takie można wymusić tylko wtedy, gdy do układu zo- stanie dostarczona energia równa wysokości bariery (rys. 1.1, linia niebieska), na przykład przez przyłożenie potencjału elektrycznego przynajmniej do jednego z obiektów. Prace Gamova, Gurneya i Condona nad emisją promieniowania β– oraz Fowlera i Nordheima nad emisją elektronu w polu elektrycznym w latach dwudziestych ubiegłego wieku, wykorzystujące teorię kwantów Plancka, wykaza- ły, że na poziomie atomowym możliwe jest przejście elektronu pomiędzy dwoma obiektami, jeśli spełnione zostaną pewne warunki. Warunki te to odpowiednie odległości pomiędzy obiektami oraz istnienie poziomów zapełnionych i pustych o odpowiedniej energii. Odpowiednie spełnienie tych warunków może umożliwić przepływ elektronów o energii niższej niż wysokość bariery energetycznej. Można więc powiedzieć, że elektrony mogą, oczywiście z określonym prawdopodobień- stwem, tunelować przez barierę energetyczną (rys. 1.1, linie czerwone). Efekt ten nazywany jest efektem tunelowania i jest podstawą mikroskopii i spektroskopii tunelowania. Prawdopodobieństwo jego wystąpienia jak i przepływu elektronów można określić analizując ich funkcje falowe. (cid:307)1 EF fizyka klasyczna V(x) V x 0 x 0 0 s fizyka kwantowa (cid:307)2 x Rys. 1.1. Możliwe drogi przepływu elektronów: linie niebieskie zgodne z fi zyką klasyczną, linie czerwone zgodne z fi zyką kwantową. φ1 i φ2 oznaczają prace wyjścia elektronu z danego materiału, EF – poziom Fermiego, s – szerokość bariery, V – wysokość bariery, x – odległość ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1. Skaningowa mikroskopia tunelowania i mikroskopia sił atomowych 17 Zgodnie z fi zyką kwantową w przedstawionym na rys. 1.1 układzie można za- obserwować dwa obszary różnie usytuowane w stosunku do powierzchni (x = 0): obszar o x 0, czyli w materiale, oraz obszar o x 0, czyli obszar bariery. Funk- cję elektronową w tych obszarach można określić przez dyskusję dwóch równań Schrödingera w których hamiltonian (H) ma postać: 1) w materiale, x 0 2) w obszarze bariery, x 0 H = ħ 2 2m d2 dx2 H = ħ 2 2m d2 dx2  V (1.1) (1.2) (1.4) (1.5) (1.6) przy czym ħ jest stałą Plancka podzieloną przez 2, m – masą elektronu, a V – wy- sokością bariery. Rozwiązaniem równania dla elektronu o energii E w materi ale jest funkcja falowa Ψ = Aeikx  Be-ikx , gdzie k = 2mE/ ħ 2 (1.3) Rozwiązaniem równania dla elektronu o energii E w obszarze bariery V jest Ψ = Ceik’x  De-ik’x , gdzie k’ = [2m(E – V)/ ħ 2]1/2 funkcja Stosując zależności oraz można dowieść, że funkcja Ψ, w obszarze bariery, ma dwie składowe: Zeiα = Z(cos α + isin α) Ze-iα = Z(cos α – isin α) 1) urojoną, rosnącą do nieskończoności, którą można zaniedbać; 2) rzeczywistą, która zmniejsza się eksponencjalnie. Oznacza to, że w obsza- rze bariery, gdzie zgodnie z fi zyką klasyczną penetracja elektronu jest wzbroniona nawet dla E V, mechanika kwantowa przewiduje niezerowe prawdopodobień- stwo znalezienia elektronu. Przez barierę może więc popłynąć strumień elektro- nów (prąd) niosących jakieś informacje (wartości energii i pędu). Ta możliwość jest podstawą mikroskopii tunelowania STM. Prawdopodobieństwo tunelowania elektronu o energii E przez barierę pomiędzy dwoma obiektami o pracach wyjścia φ1 i φ2 można przedstawić następująco: przy czym oraz P = 16 E (φ – E) φ2 e–2|χ|s χ = √ 2 m (φ – E) / ħ2 φ = φ1 + φ2 2 (1.7) (1.8) (1.9) ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 18 Marek Szklarczyk Jeśli szerokość bariery energetycznej s jest odpowiednio mała, rzędu subna- nometrów, to (1.10) czyli prawdopodobieństwo przepływu prądu jest większe od zera przy bardzo małej szerokości bariery energetycznej oraz odpowiednich wartościach pracy wyjścia elek- tronu, φ i φ2, z testowanych materiałów. |χ| · s 1 Wartość prądu tunelowania można przedstawić następująco: i  e–2Ks (1.11) gdzie K = (2mφ / ħ 2)1/2 W celu uzyskania pełnego równania umożliwiającego obliczenie wartości prą- du tunelowania w równaniu (1.11) należy jeszcze uwzględnić strukturę elektro- nową obu powierzchni, różnice w funkcjach prac wyjścia elektronów, zależność gęstości elektronowej od struktury krystalografi cznej, kształt obu powierzchni oraz rzeczywisty potencjał pomiędzy powierzchniami. Dla jednej powierzchni płaskiej, a drugiej w kształcie ostrza Tersoff i Hamann wykazali, że równanie opisujące prąd przybiera postać i = 32π3ħ–1e 2Vφ0 2D(EF)r2K– 4e 2KR Σ|Ψv(r0)|2δ(Ev – EF) (1.12) przy czym: EF oznacza energię Fermiego, Ev – energię stanu funkcji Ψ powierzch- ni płaskiej (próbki), D(EF) jest gęstością stanów na poziomie Fermiego drugiej po- wierzchni (ostrza), r – promieniem ostrza, r0 – pozycją środka krzywizny ostrza okre- ślonej przez (s + R). Garcia wykazał (1983), że skomplikowaną postać równania można dla potrzeb porównania doświadczenia z teorią uprościć do wyrażenia w którym i = A V s √φ · e–B√φ s A 2 (cid:167)(cid:32) (cid:168) (cid:169) e(cid:155) 2 h (cid:183) (cid:184) (cid:185) oraz B (cid:32) 2 m(cid:155) 2 h (1.13) (1.14) W równaniu (1.13) praca wyjścia φ jest zależna od od szerokości bariery s i można ją obliczyć na podstawie wzoru w którym φ(s) = φ0 – α d (1.15) α  9,97 eV/Å d  s – 1,5 Å Ważnym parametrem każdej mikroskopii jest jej rozdzielczość pozioma, Leff, czyli wymiar najmniejszego rozróżnialnego elementu znajdującego się na bada- nej powierzchni. W mikroskopii STM rozdzielczość ta jest określona wielkością ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1. Skaningowa mikroskopia tunelowania i mikroskopia sił atomowych 19 prądu tunelowania i zależność tę można przedstawić następująco dla promienia ostrza r = 0: i  4 L 2 eff ( rj  )0 (1.16) Parametr j(r = 0) jest wartością prądu tunelowania dla układu jednej po- wierzchni. Korzystając z przytoczonych uprzednio zależności, można sformułować rów- nanie opisujące przybliżoną rozdzielczość poziomą: w którym Leff  2 r d  k k  2 h 2 m (1.17) (1.18) Uwzględniając wartości liczbowe w równaniach (1.13)–(1.18), można otrzy- mać proste wyrażenie opisujące rozdzielczość poziomą (w Å) mikroskopii STM: Leff = 1,7 · (r + s – 1,5)1/2 (1.19) 1.2. Technika AFM Działanie mikroskopu sił atomowych (AFM) polega na próbkowaniu oddziały- wań występujących pomiędzy dwoma obiektami. Na poziomie atomowym głów- nymi rodzajami oddziaływań są oddziaływania van der Waalsa, oddziaływania elektrostatyczne i oddziaływania chemiczne (rys. 1.2). (cid:68) (cid:81) (cid:79) (cid:68) (cid:77) (cid:70) (cid:81) (cid:72) (cid:87) (cid:82) (cid:83) (cid:3) (cid:68) (cid:76) (cid:74) (cid:85) (cid:72) (cid:81) (cid:72) (cid:82)(cid:71)(cid:71)(cid:93)(cid:76)(cid:68)(cid:225)(cid:92)(cid:90)(cid:68)(cid:81)(cid:76)(cid:68)(cid:3)(cid:82)(cid:71)(cid:83)(cid:92)(cid:70)(cid:75)(cid:68)(cid:77)(cid:261)(cid:70)(cid:72) (cid:97)(cid:3)a/s12 s F(cid:82)(cid:71)(cid:83)(cid:17)(cid:3)(cid:14)(cid:3)F(cid:83)(cid:85)(cid:93)(cid:92)(cid:70)(cid:17) (cid:97)(cid:3)(cid:177)b/s6 (cid:82)(cid:71)(cid:71)(cid:93)(cid:76)(cid:68)(cid:225)(cid:92)(cid:90)(cid:68)(cid:81)(cid:76)(cid:68)(cid:3)(cid:83)(cid:85)(cid:93)(cid:92)(cid:70)(cid:76)(cid:261)(cid:74)(cid:68)(cid:77)(cid:261)(cid:70)(cid:72) Rys. 1.2. Zależność międzyatomowych sił odpychania i przyciągania od odległości ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 20 Marek Szklarczyk Oddziaływania van der Waalsa między ostrzem i próbką, wynikające z od- działywań dipolowych i polaryzowalności, można określić jako E vdW  (1.20) rA H 6 s przy czym AH oznacza stałą Hamakara zależną od polaryzowalności oraz elek- tronowej gęstości próbki i dźwigni, r – promień ostrza dźwigni, a s – odległość pomiędzy próbką i ostrzem dźwigni. Oddziaływania elektrostatyczne wynikające z oddziaływań ładunków elek- trycznych można przedstawić następująco: rV 0 s  F (1.21) gdzie V jest różnicą potencjałów pomiędzy dwoma obiektami, a ε0 – względną prze- nikalnością elektryczną. 2 Oddziaływania chemiczne bliskiego zasięgu, prowadzące do powstania wią- zań, można podzielić na dwa rodzaje:  e a) potencjał Morse’a: E E  (1.22) gdzie δ jest najmniejszą odległością między nieruchomymi cząsteczkami, Ebond – energią wiązania cząsteczek odległych o 21/6 δ, a κ – odległością zaniku oddzia- ływania; bond M  (2 )   s  2 e    s ( ) b) potencjał Lennarda-Jonesa (L-J): E  JL 4 E bond 6 12 ss 6 12        (1.23) Wartość omawianych oddziaływań wynosi od 1 nN do 10 nN, δ odpowiada minimum potencjału. Poza wymienionymi grupami oddziaływań, związanymi ze strukturą chemicz- ną, należy pamiętać o występujących na poziomie atomowym oddziaływaniach spotykanych również na poziomie makroskopowym, a mianowicie o tarciu, lep- kości, oddziaływaniach magnetycznych oraz grawitacyjnych. 1.3. Zastosowanie i oprzyrządowanie technik STM i AFM Efekt tunelowania wykorzystano praktycznie już w 1958 r. (Esaki, Giaver, Fisher, Josephson) w spektroskopii tunelowania (Nagroda Nobla w 1973 r.) oraz w mi- kroskopie tunelowania w 1981 r. (Binning, Rohrer, Gerber, Weibel), za którego konstrukcję przyznano Nagrodę Nobla w 1986 r. Mikroskop AFM na bazie mi- kroskopu STM skonstruowano w połowie lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku (Binning, Quate). ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 1. Skaningowa mikroskopia tunelowania i mikroskopia sił atomowych 21 1.3.1. Technika STM Efekt tunelowania można zaobserwować tylko wtedy, gdy dwa przewodniki lub półprzewodniki zostaną zbliżone do siebie na odległość atomową. Jeden z tych obiektów jest badaną próbką, drugi zaś detektorem elektronów, czyli prądu. Po- winno to być ostrze, najlepiej o średnicy jednego atomu (cf. równania w części teoretycznej). Kolejnym elementem układu jest miernik prądu o wysokiej czu- łości, zdolny mierzyć prąd rzędu pikoamperów. Aby otrzymać obraz badanej próbki, a nie pomiar punktowy, potrzebny jest system do przesuwania jednego z dwóch przewodników, tak zwany skaner, co umożliwia pomiar prądu w różnych miejscach powierzchni. Dopełnieniem układu jest oczywiście system rejestrujący zebrane dane i przekształcający wartości prądu na obraz i właściwości powierzch- ni zgodnie z równaniami (1.12)–(1.19). W skrócie można powiedzieć, że większy prąd oznacza mniejszą odległość, czyli wyższy element na powierzchni, np. wy- stający atom. Możliwe jest więc badanie struktury krystalicznej i morfologii (mi- kroskopia tunelowania). Ten sam efekt może też wynikać ze zmiany oddziaływań związanych z różnicami w pracy wyjścia elektronu z różnych miejsc powierzchni badanej próbki. Możliwe jest więc badanie właściwości fi zykochemicznych próbki (spektroskopia tunelowania). Mikroskop tunelowania (rys. 1.3) rejestruje więc następującą zależność: i  ,( Vsf ) , (1.24) Skaner w mikroskopach STM/AFM jest wykonany z materiału piezoelektrycz- nego. Piezoelektryki odznaczają się wysoką odtwarzalnością zmiany wymiarów pod wpływem potencjału elektrycznego. Skanerem w pierwszych mikroskopach STM były trzy kryształy piezoelektryczne umożliwiające i kontrolujące zmianę (cid:88)(cid:85)(cid:93)(cid:261)(cid:71)(cid:93)(cid:72)(cid:81)(cid:76)(cid:72)(cid:3) (cid:78)(cid:82)(cid:81)(cid:87)(cid:85)(cid:82)(cid:79)(cid:81)(cid:82)(cid:16)(cid:86)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:88)(cid:77)(cid:261)(cid:70)(cid:72) ix iz iy y skaner –y +x –x +y +x+y z x ostrze i v próbka Rys. 1.3. Schemat mikroskopu tunelowania. Z prawej strony pokazany jest rurkowy kryształ z materiału piezoelektrycznego ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw== 22 Marek Szklarczyk położenia w kierunkach x, y i z (rys. 1.3). Obecnie stosuje się najczęściej krysz- tały rurkowe podzielone na sektory (rys. 1.3, prawa strona). Do przeciwległych sektorów przykłada się potencjały o takich samych wartościach, lecz przeciwnych znakach. Po przyłożeniu napięcia odpowiedni sektor wydłuża się lub skraca, prze- chylając igłę lub próbkę zamocowaną na jego końcu. Nasuwa się pytanie: jakie napięcie musi być zastosowane, jeśli oczekuje się prze- sunięć rzędu wymiarów atomowych? Zmianę wymiaru piezoelektryków rurkowych l (w Å) można obliczyć na podstawie zależności l = B·V·l/d (1.25)  w której V oznacza napięcie w woltach, l – długość w milimetrach, d – grubość w milimetrach, a B – stałą zależną od materiału piezoelektrycznego, która dla materiału PZT-5A wynosi –1,73 Å/V. Łatwo jest więc oszacować, że stosowanymi napięciami mogą być napięcia łatwe do zmierzenia, rzędu miliwoltów. Na rysunku 1.4a przedstawiony jest przykładowy obraz STM sieci atomowej grafi tu, a na rysunku 1.4b obraz obliczony z wykorzystaniem teorii LDOS (ang. Lo- cal Density of States). Porównanie tych obrazów pokazuje doskonałe odwzorowanie techniką STM teoretycznych przewidywań struktury atomowej grafi tu. a) b) Rys. 1.4. Obraz STM powierzchni grafi tu: a) zdjęcie STM, 2 nm × 2 nm, b) obraz obli- czony zgodnie z teorią LDOS. Odległości międzyatomowe zależnie od kierunku to 2,46 Å i 1,42 Å. Wrysowany romb przedstawia komórkę podstawową 1.3.2. Technika AFM Na rysunku 1.5 przedstawiony jest schemat mikroskopu sił atomowych. Zasad- niczą różnicą pomiędzy mikroskopem STM a mikroskopem AFM jest rodzaj detekcji. W przypadku mikroskopu AFM mierzy się oddziaływania, czyli ko- nieczny jest pomiar sił. Pomiar polega na określeniu wielkości ugięcia dźwigni ##7#52#aSUZPUk1BVC1WaXJ0dWFsbw==
Pobierz darmowy fragment (pdf)

Gdzie kupić całą publikację:

Fizykochemiczne metody badawcze w nano- i biotechnologii. Podstawy teoretyczne i ćwiczenia praktyczne
Autor:

Opinie na temat publikacji:


Inne popularne pozycje z tej kategorii:


Czytaj również:


Prowadzisz stronę lub blog? Wstaw link do fragmentu tej książki i współpracuj z Cyfroteką: