Upload
ngokhanh
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Spektroskopia i mikroskopia
nanomateriałów i obiektów
biologicznychCzęść II
Prowadzący:Część I: Prof. dr hab. Jolanta BukowskaCzęść II: Prof. dr hab. Marek Szklarczyk
Czas wykładu: 1 semestr – 30 godz. Sposób zaliczenia: egzamin pisemny
Radio TV Mikrofale Fale mm Średnia IR Bliska IR VIS Bliski UV Daleki UV X g
Daleka IR
Cel wykładu
1. Podstawy teoretyczne różnych technik analitycznych: spektroskopowych i mikroskopowych.
2. Podstawy teoretyczne opisujące oddziaływania cząstek.
3. Podstawy krystalografii powierzchni.
4. Praktyczne przykłady zastosowań technik analitycznych.
5. Wybór techniki analitycznej zależnie od obiektui celu analizy.
1. Wstęp.
2. Podstawy krystalografii powierzchni.
3. Oddziaływanie cząstek z materią.
4. Elektronowe techniki spektroskopowe:
ESCA-XPS, LEED, AUGER.
5. Mikroskopia elektronowa, SEM.
6. Jonowe techniki spektroskopowe, ISS i SIMS.
7. Mikroskopia tunelowania elektronów, STM.
8. Mikroskopia sił atomowych, AFM.
9. Spektroskopia tunelowania elektronów, STS.
10. Spektroskopia Ramana ze wzmocnieniem punktowym, TERS.
12. Egzamin
Program wykładu
Zastosowanie
1. Korozja.
2. Kataliza.
3. Materiałoznastwo.
4. Elektronika.
5. Przemysł maszynowy.
6. Medycyna.
7. Inżynieria genetyczna.
8. Sztuczna inteligencja (elektronika na skale nano).
Zastosowanie - przykłady
Dziedzina W trakcie badań Od niedawna na rynku
Źródła energii Baterie: nanokrystality Ni i wodorków metali.Wytwarzanie i magazynowanie wodoru: nano TiO2.Bio-foto-ogniwa
Katalizatory polimerowe nieszkodliwe dla środowiska.Dodatki do paliwa do silników Diesla.
Medycyna Tabletki w postaci nanostruktur dla lepszej przyswajalności. Insulina oraz leki w postaci do inhalacji bez potrzeby zastrzyków. Promotory wzrostu i uzupełn. ubytków kości. Detekcja wirusów. Implanty. Leczenie nowotworów. Hodowla tkanek i implanty
Osłony przeciwsłoneczne: ZnO, TiO2, Wskaźniki molekularne: CdSe.Nośniki leków o małej rozpuszczalności w wodzie.
Inżynieria Świece samochodowe: proszki ceramiczne oraz nanocząstki metali. Wysokowydajne izolatory: nanoporowata krzemionka. Kontrolowane dozowania herbicydów i pestycydów i czujniki chemiczne. Sita molekularne.
Powłoki odporne na ścieranie: Al2O3, Y-Zr2O3.Wzmocnione kompozyty polimerowe. Smary hydrauliczne: CuMoS2. Pigmenty.Szkła samoczyszczące: TiO2.
Ochrona środowiska?
Nanowłókna i fotokatalizatory do oczyszczania wody.Powłoki antyodbiciowe.
Elektronika Nanocząstki związków magnetycznych do urządzeń o wysokiej gęstości magazynowania danych. Przewodniki i izolatory. Pamięć białkowa.Obwody elektroniczne NRAM: Cu, Al.Ekrany: nanocząstki tlenków przewodz.
Przygotowanie cieczy magnetycznych.Optoelektronika: przełączniki ceramiczne. Materiały przewodzące.
Wielkość sprzedaży: 2003: $500 mln., 2005: $900 mln., 2010: $11000 mln..
WłaściwościPorównanie właściwości elektrycznych i mechanicznych
POLIMERY
srebro, jony miedzimiedź
bizmutrtęćindgerman
krzem
chlorek soduszkłojod
diament
siarkakwarcparafina
108
106
104
102
1
10-2
10-4
10-6
10-8
10-10
10-12
10-14
10-16
10-18
Met
ale
Półp
rzew
odni
kiIz
olat
ory
Przewodnictwo elektryczne (S/m)
METALE(wiąz. metaliczne)
Cs
IZOLATORY(wiąz. kowalencyjne)
CsF
ELEKTROLITY(wiąz. jonowe)
PÓŁPRZEWODNIKI
F2
1. Skład chemiczny materiału i jego powierzchni.
2. Elektronowa struktura materiału.
3. Topografia powierzchni.
4. Krystalografia powierzchni.
5. Rodzaj defektów powierzchniowych.
6. Ruch atomów (dyfuzja powierzchniowa i międzyfazowa).
7. Rodzaj adsorbatu.
8. Typ wiązania adsorbatu z powierzchnią.
9. Topografia i struktura adsorbatu.
10. Szybkość procesów adsorpcji i desorpcji.
Informacje potrzebne do zdefiniowania materiału i jego powierzchni;
Oddziaływania
SPEKTRUM ELEKTROMAGNETYCZNEProcesy wibracyjne
Procesy rotacyjne Raman Procesyjonizacyjne
DIAGRAM PROPSTA
Siało stałe
Pole elektryczne
Ciepło
Jony
Fotony
Cząstki neutralne
Elektrony
Radio TV Mikrofale Fale mm Średnia IR Bliska IR VIS Bliski UV Daleki UV X g
Daleka IRNMR ESR
mm 300 3 1 0,5µm 500 25 2,5 0,77Nm 770 390 200 10 0,05GHz 1 100 300 600cm-1 0,033 3,3 10 20 400 4000 13000 26000 50000eV 6 1200 500000
Oddziaływania i siły
ODDZIAŁYWANIA
Silne Słabe Elektromagnetyczne Grawitacyjne
Co: Kwarki i gluony Wszystkie leptony Cząstki naładowane Wszystko(wiązanie n i p) poza prom. g
Zakres [m] ~ 10-15 <10-17 F µ 1/r2 F µ 1/r2
Moc (vs. silne) 1 10-5 10-2 10-39
Czas [s] ~ 10-20 10-10 – 10-7
Procesy Reakcje jądrowe np.: rozpad b- Reakcje chemiczne Destrukcja obiektówwszelkiego typu.
SIŁY
Siły krótkiego zasięgu Siły dalekiego zasięgu
Zmiana z odległością Maleją wykładniczo lub z 1/rn dla n ³ 6 Maleją z 1/r2
Przykłady Siły jądrowe, siły Van der Waalsa Grawitacyjne, elektrostatyczne
Oddziaływania powierzchnioweRODZAJ SIŁ PODZIAŁ WŁAŚCIWOŚCI
PrzyciągająceSiły Van der Waalsa
Siły elektrostatyczne
Kwantowo-mechaniczne
Hydrofobowe
Polaryzacyjne
Solwatacyjne
Wiązania specyficzne
Dyspersyjne, indukcji dipoli, siły Casimir�a
Kulombowskie, wiązania jonowe, wiązania wodoroweOddziaływania związane z przeniesieniem ładunku.
Wiązania walencyjne, metaliczne, proces wymiany.
Hydratacyjne siły przyciągające.
Siły typu Van der Waalsa związane z polaryzacją jonów.
Siły związane z oscylacją i zubożeniem ładunku.
Oddziaływania receptor-ligand, antyciało-antygen, uzupełniające.
Siły występujące praktycznie wszędzie.
Siły długiego zasięgu, silne. Wymagany ładunek powierzchniowy lub proces rozdziału ładunku.
Siły krótkiego zasięgu, silne, odpowiedzialne za wiązania w sieci krystalograficznej.
Siły długiego zasięgu, silne, nie bardzo zrozumiałe.
Wymagane są ruchome ładunki powierzchniowe w polarnym rozpuszczalniku.
Występują w trakcie przyciągania i odpychania. Główne źródło to entropia.
Subtelna kombinacja sił niekowalencyjnych. Systemy biologiczne.
OdpychająceKwantowo-mechaniczneVan der Waalsa
Elektrostatyczne
Entropowe
Wewnątrz atomowe, odpychanie Borna i steryczne
Odpychanie osmotyczne, i w warstwach podwójnych, fluktuacja termiczna, steryczne odpychanie w polimerach.
Siły stabilizujące przyciąganie jonowe i kowalencyjne. Określają wielkość i kształt.
Występują tylko pomiędzy nierównocennymi ciałami poprzez jakiś ośrodek.
Występują dla określonego rozkładu ładunku w sieci krystalograf. powierzchni.Związane z cząsteczkami lub jonami znajdującymi się pomiędzy dwoma zbliżającymi się powierzchniami.
DynamiczneNierównowagowe Hydrodynamiczne, lepkość, tarcie. Procesy rozpraszania energii związane z ruchem.
Odziaływanie elektronu z materią
ep- elektron pierwotny, 10-3000eV. ewt- elektron wtórny, 0-10 eV.AE- elektron Auger’a, 10-1000eV.
X-ray- promieniowanie X, 1000-2000eV.Y- plazmon, 10-80 eV.F- fonon, 0,01-0,5eV.
ep
e’p
Y X-ray e’p ewtewt AE ewt F
Promieniowanie
Układ źródła Próbka Układ detektora Układ rejestrująco- Układpromieniowania obliczeniow interpretujący
U
i
Spektrometryczny zestaw pomiarowy
Techniki spektroskopowe i mikroskopowe
Metoda Proces Pomiar Głęb. Inform
Zastosowanie Czułość na monow.
Analiza objętość.
FTIR f f� Fotony l Strukt. chemiczna wiązania,Próżnia, gazy, ciecze
1 Nie
RAMAN, SERS f f� Fotony l Strukt. chemiczna wiązania, orientacja
Próżnia, gazy, ciecze
Pojedyncze cząsteczki
Nie
UV-Vis f f� Fotony l Strukt. chemiczna Próżnia, gazy, ciecze
1 (techn. Fluoresc.-cząsteczki
Nie
STM e Elektrony 4 Å Morfologia, krystal. powierzchniPróżnia, gazy, ciecze
Pojedyncze atomy
Nie
STS e Elektrony 4 Å Atomy, grupy funkc.Próżnia, gazy, ciecze
Pojedyncze atomy
Nie
TERS STM + RAMAN
Fotony ? Å Strukt. chemiczna wiązania, orientacja
Próżnia, gazy, ciecze
Pojedyncze cząsteczki?
Nie
AFM i jej pochodne
F Siły 4 Å Morfologia, krystal. powierzchniPróżnia, gazy, ciecze
Pojedyncze atomy
Nie
SNOM f f� Fotony 20 Å Morfologia, krystal. powierzchniPróżnia, gazy, ciecze
Grupy atomów,cząsteczek
Nie
EC eV, J
Elektrony, jony
4 Å Dedukcyjne inform. o strukturzeCiecze
10-2 Nie
Próżniowe techniki spektroskopowe i mikroskopoweMetoda Proces Pomiar Głęb.
Inform.Zastosowanie Czułość na
monowarst.Analiza
objętość.
AES e e� Electrony Auger�a
4 Å Pierwiastki: Li-U 10-1 W komb. z trawieniem jonowym.
ESCA-XPS X e Foto-Elektrony
4 Å Pierwiastki: Li-U Wiązania chemiczne
10-1 Tak
SIMS J J� Jony 20 Å Pierwiastki: H-UGrupy funkcyjne
10-5 W komb. z trawieniem jonowym.
ISS J J Jony 2 Å Pierwiastki:Li-Bi
10-3 W komb. z trawieniem jonowym.
LEED e e� Elektrony 2 Å Struktur. krystal. powierzchni
10-2 Nie
SEMHREM
e e� Elektrony 50 Å Morfologia powierzchni 10-3 Tak
TEM ee�
Elektrony Transm.-200 Å?
Morfologia Grupy atomów Nie
Literatura! 1. „Surface Crystallography”L. J Clarke, John Willey & Sons, 1985.
2. „Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis”L. C. Feldman, J. W. Mayer, North-Holland, 1986.
3. „Introduction to Surface Chemistry and Catalysis”G. A. Samorjai, John Wiley & Sons, 1994.
4. „The Handbook of Surface Imaging and Visualization”A. T. Hubbard (editor), CRC Press, 1995.
5. „Spectroscopy for Surface Science”R. J. H. Clark, R. E. Hester (editors), John Wiley & Sons, 1998.
6. „Surfaces”G. Attard, C. Barnes, Oxford University Press, 1998.
7. „Applied scanning probe methods”B. Bhushan, H. Fusch, S, Hosaka, Springer, 2002.
8. “Surface analysis methods in material science”D.J. O’Connor, B.A. Sexton, R.St.C. Smart, Springer, 2003.
9. “Surface analysis”J.C. Vickerman, John Wiley & Sons, 2004.
10. “Modern Spectroscopy”J. M. Hollas, John Wiley & Sons, 2004.
11. „Fizykochemiczne metody badawcze w nano- i biotechnologiiM. Szklarczyk, red. nauk., praca zbiorowa, Wydawnictwa UW, 2015.
(Wiele prezentowanych w czasie tego wykładu rysunków i zdjęć zastało wykonanychna podstawie materiału zawartego w powyższych książkach., oraz materiałów ze stronfirm Kratos, Ion-Tof, NT-MDT, Veeco)