Spektroskopia i mikroskopia nanomateriałów i obiektów ...beta.chem.uw.edu.pl/people/MSzklarczyk/pol/1_Wstep.pdf · Cel wykładu 1. Podstawy teoretyczne różnych technik analitycznych:

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

ATOMIC AND?

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

Wszechobecny węgiel

Nanorurka C Siatka DNANanorurka C

Defekty powierzchniowe

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.

Rodzaje wiązań

Poziomy energ.

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

Widmo

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)