Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi Rok itko Institut

Opazovanje atomov s tipalnimi mikroskopi Rok Žitko Institut “Jožef Stefan” Seminar DMFA, 3. februar 2007

Tipalni mikroskopi – leče 21. stoletja • Zgodovina: iz česa je sestavljen svet? • Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo? • Ali lahko vidimo atome? – Vrstični tunelski mikroskop (STM) – Mikroskop na atomsko silo (AFM) • Kaj raziskujemo s tipalnimi mikroskopi v Sloveniji?

Grški atomizem • Atom: • majhen • nedeljiv • končne velikosti • večen • Praznina • Nujnost Levkip (5. st. pr. n. št. ) Demokrit (460 -370 pr. n. št. ) Arhaična ideja atoma, filozofski koncept

Renesanca in obuditev atomizma • Galileo Galilei (1564 -1642): z eksperimenti zavrže Aristotelovo fiziko. • René Descartes (1596 -1650): vse kar je fizičnega v vesolju, je narejeno iz majhnih drobcev. • Robert Boyle (1627 -1691): prvi sodobni kemik. • elementi, spojine, zmesi • delci različnih velikosti in oblik

Sodobni atomizem • Isaac Newton (1643 -1727): končno veliki trdi delci z maso, zanje veljajo Newtonovi zakoni • Ruđer Josip Bošković (1711 -1787): prva matematična teorija atomov • John Dalton (1766 -1844): zakon o stalnih razmerjih, sodobni koncept atoma

Daltonova atomska teorija • Elementi sestavljeni iz atomov • Vsi atomi danega elementa so enaki • Atomi danega elementa so različni od atomov drugega elementa • Atomi se sestavljajo v spojine • Atomov ne moremo ustvariti, razdeliti v manjše dele ali uničiti; lahko se le preuredijo

• Avogadro (1776 -1856): Avogadron zakon, razjasni pojem molekule. • James Clark Maxwell (1831 -1879): statistična mehanika - kinetična teorija plinov, Maxwellova porazdelitev. “Atom je telo, ki ga ni moč razdeliti na dva dela. Molekula je najmanjši možni sestavni del neke spojine. Nihče še ni videl, niti rokoval s posamezno molekulo. ” (J. C. Maxwell, Nature, sep. 1873)

20. stoletje • Albert Einstein (1879 -1955): teorija Brownovega gibanja. • Jean Perrin (1870 -1942): Nobelova Konec stoletje trajajočega nagrada leta 1926 za “delo na nezvezni akademskega prepira o atomski strukturi snovi, in še posebej za odkritje teoriji: sedimentacijskega ravnovesja”. molekule res obstajajo.

21. stoletje: nanotehnologija Nanoavtomobil, univerza Rice, ZDA.

Ali lahko atome vidimo? • Ne z optičnim mikroskopom: svetlobna dolžina 1000 x večja od velikosti atoma.

Field ion microscopy (FIM) Konica iz volframa Vir: Magnetic Materials Center, NIMS, Japonska.

Vrstični tipalni mikroskop (Scanning probe microscope, SPM) Mikroskop, ki sliko površine določi s fizičnim tipalom, ki potuje po vzorcu vrstico za vrstico (“skenira”). • Vrstični tunelski mikroskop (Scanning tunneling microscope, STM) • Mikroskop na atomsko silo (Atomic force microscope, AFM)

Kaj se zgodi, ko približamo dva kosa snovi na izjemno majhno medsebojno razdaljo? • Sile med površinama – privlačna van der Waalsova – kemijska vezava (kovalentna vez) – odbojna sila ob mehanskem kontaktu • Tunelski pojav in električni tok med kosoma snovi

Sile med površinama F. J. Giessibl, Rev. Mod. Phys. 75 952 (2003)

Sile med površinama: van der Waalsova sila Jacob Israelachvili, “Intermolecular & Surface Forces”, 2. izdaja, Academic Press (1997)

Sile med površinama: sile kemijske vezave Tvorba kemijske vezi med najbolj izpostavljenima atomoma: • kovalentna vez • kratek doseg • močno anizotropna • (ionska vez) kratek doseg!

Tunelski pojav • Elektroni se obnašajo kot valovanje in/ali kot delci (dualnost) → valovni paketi. • Valovanje lahko prodre skozi tanko oviro, v katero klasični delec ne bi mogel vstopiti. Rečemo, da tunelira skozi prepovedano območje. • Neposredna posledica zakonov kvantne fizike, nima analogije v klasični mehaniki.

Tunelski pojav

Tunelski pojav

Tunelski pojav

Tunelski pojav

Tunelski pojav

Tunelski pojav L

1/2 Nobelove nagrade leta 1973 za “eksperimentalna odkritja o tunelskem pojavu v polprevodnikih oziroma v superprevodnikih”. Leo Esaki Ivar Giaever 1/2 Nobelove nagrade za “teoretično napoved lastnosti supertokov skozi tunelsko pregrado, oziroma bolj natančno za tiste pojave, ki so v splošnem znani kot Josephsonov pojav”. Brian David Josephson

Vrstični tunelski mikroskop Nobelova nagrada leta 1986 za “izdelavo vrstičnega tunelskega mikroskopa”. Heinrich Rohrer, Gerd Binnig Prvi tunelski mikroskop (1981)

G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel “ 7 × 7 Reconstruction on Si(111) Resolved in Real Space” Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983) Si(111)-7 x 7 Vir: IBM Zürich

Atomska ločljivost na bakru pri T=25 K (2005) Površina bakra Cu(111) 0, 255 nm Pod površino so napake v kristalu. 9, 2 nm Odsek F 5, IJS

Površina bakra Cu(211), T=7 K (2006) Zoom

Spontano premikanje molekul pri 25 K Molekule CO na površini bakra

Kako posnamemo sliko?

Kako posnamemo sliko?

Kako izrišemo sliko? Vir: IBM Almaden, http: //www. almaden. ibm. com/vis/stm/gallery. html

Premikanje atomov Atomi ksenona na površini kristala niklja D. M. Eigler, E. K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope. Nature 344, 524 -526 (1990).

Vir: Kai-Felix Braun, Freie Universität Berlin, disertacija.

N. Nilius, T. M. Wallis, W. Ho: Development of One-dimensional Band Structure in Artificial Gold Chains, Science 297 1853 (2002).

Ullmanova reakcija Kemijske reakcije s posameznimi molekulami benzen 2 C 6 H 5 I Cu C 6 H 5 -C 6 H 5 bifenil Saw-Wai Hla et al. Phys. Rev. Lett. 85 2777 (2000)

Mikroskop na atomsko silo G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber “Atomic Force Microscope” Phys. Rev. Lett. 56, 930 - 933 (1986) Calvin Quate Christoph Gerber

Tipala za AFM Vir: Nanosensors AG, Švica

Atomska ločljivost pri AFM Si(111)-7 x 7 F. J. Giessibl et al. , Science 289 422 (2000).

F. J. Giessibl et al. , Science 289 422 (2000) F. J. Giessibl, C. F. Quate, Physics Today, Dec. 2006.

Druge vrste tipalnih mikroskopov • magnetic force microscope (magnetne lastnosti) • lateral force microscope (trenje) • electric force microscopy (naboj) • magnetic resonance force microscopy (spin) • . . .

Nizkotemperaturni STM na IJS

Besockejeva merilna glava ali “čmrlj”

Erik Zupanič Albert Prodan Herman van Midden Igor Muševič Ivan Kvasič Rok Žitko Odsek F 5, IJS

Tipalni mikroskopi na IJS Igor Muševič, Miha Škarabot, F 5 - tekoči kristali - plastni materiali - biološki vzorci Multimode AFM Nanoscope III, DI

Tipalni mikroskopi na IJS D. Mihailovič, Marko Uplaznik, odsek F 7 - nanožice - nanosenzorji - hibridni nanočipi Veeco Dimension 3000

Tipalni mikroskopi na IJS • Omicron STM/AFM (M. Remškar, F 5) • NT-MDT (J. Kovač, F 4)

Povzetek • Vidimo lahko posamezne atome na površinah. • Preučujemo lahko sile med dvema atomoma, torej kemijske vezi. • Atome lahko premikamo.

Fotografija: Warren Nagourney, Univerza v Washingtonu (2000)