Andrzej Leniart - Urząd Miasta Łodzi · 2014-06-13 · Andrzej Leniart Uniwersytet Łódzki,...
Transcript of 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
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
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
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Z czego zbudowana jest materia?
atom wielkości pomarańczy
pomarańcza
wielkości Ziemi
1 Å = 10−10 m = 0.1 nm
Rozmiar atomu
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
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)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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.
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
A
R
I ≠ 0
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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(
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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.
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
IT
x
Tryb stałego natężenia prądu tunelowego
Tryb stałej wysokości Z
IT
x
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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.
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
- 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−
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
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
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Topografia powierzchni HOPG (STM pomiar w powietrzu, ET=+0,2 V, IT=1,0 nA)
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
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)
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Topografia HOPG - rozdzielczość atomowa
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Topografia HOPG -
rozdzielczość
atomowa
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Mechanizm osadzania klasteru metalu przy użyciu igły tunelowej
Klastery palladu na złocie monokrystalicznym (111) (20x20 Pd)
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
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
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
Skaningowy Mikroskop Tunelowy (STM)
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
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?
Akademia Ciekawej Chemii - 11 czerwiec 2014 r. Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ