Elektronová mikroskopie a mikroskopie SPM/AFM

Sylabus

Každý z bodů níže reprezentuje přibližně dvouhodinovou přednášku; praktika mohou trvat podle zájmu studentů až jeden celý den.

ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE

Úvod do elektronové mikroskopie (M.Šlouf). Analogie mezi světelnou mikroskopií (LM), transmisní elektronovou mikroskopií (TEM) a rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM). Vztahy mezi mikroskopií, matematikou, fyzikou, chemií a biologií. Popis mikroskopů SEM a TEM, základní principy, optika a difrakce, zvětšení, rozlišení, nejpoužívanější režimy (SE, BSE, STEM, EDS, BF, DF, SAED). Typické vzorky a aplikace (kovy a slitiny, nanočástice a nanokompozity, morfologie polymerních směsí, složení hornin a minerálů, molekulární struktura buněk).

SEM1 = základy rastrovací elektronové mikroskopie (M.Šlouf). Popis SEM mikroskopu. Zdroje elektronů, čočky, clony, detektory. Seřízení SEM mikroskopu. Typy signálů v SEM: sekundární elektrony (SE), zpětně odražené elektrony (BSE), transmisní rastrovací elektronová mikroskopie (STEM), mikroprvková analýza (EDS) a další. Vakuum v rastrovacím elektronovém mikroskopu, práce ve vysokém vakuu (HVSEM), nízkém vakuu (LVSEM) a v „environmentálním“ prostředí (ESEM). Příprava vzorků pro SEM. Příklady z praxe a ukázky SEM mikrofotografií

SEM2 = mikroprvková analýza (M.Šlouf). Podrobnější teoretické vysvětlení režimu SEM/EDX (výpočty a odvození energií v EDX; pro zájemce též řešení Schrodingerovy rovnice pomocí volně šiřitelného CAS programu wxMaxima = odvození přibližných energií EDX přechodů ab initio).

TEM1 = základy transmisní elektronové mikroskopie (M.Šlouf).Popis TEM mikroskopu. Zdroje elektronů, čočky, clony, detektory. Seřízení TEM mikroskopu. Základy paprskové optiky a typy signálů v TEM: konvenční zobrazování (CTEM) ve světlém (BF) a temném (DF) poli, elektronová difrakce (SAED, CBED), vysokorozlišovací TEM (HRTEM), spektroskopie (EDS, EELS). Příprava vzorků pro TEM. Příklady z praxe a ukázky TEM mikrofotografií.

TEM2 = elektronová difrakce (M. Šlouf). Podrobnější teoretické objasnění režimu TEM/SAED (elektronová difrakce na třech úrovních: 1. Braggova rovnice 2. Laueho difrakční podmínky, 3. Kinematická teorie difrakce; pro zájemce též výpočet difraktogramu pro známou látku pomocí volně šiřitelného CAS programu wxMaxima = výpočet difraktogramu "od začátku")

Interpretace a analýza obrazu v mikroskopii (M.Šlouf). Interpretace obrazu v mikroskopii (určení typu mikrofotografie, signálu a kontrastu). Princip obrazové analýzy („převod obrázků na čísla“). Mikrofotografie jako dvojrozměrné pole pixelů. Software pro manipulaci s obrazy. Software pro obrazovou analýzu. Analýza objektů a analýza polí. Příklady z praxe a ukázky výsledků obrazových analýz.

MIKROSKOPIE SPM/AFM

Úvod do mikroskopie s rastrovací sondou (Z.Pientka). Mikroskopie rastrovací sondou (SPM) – úvod (rozlišovací schopnost, měřítka, zvětšení), principy metody. Funkce rastrující sondy v mikroskopii atomárních sil (AFM), rastrovací tunelovací mikroskopii (STM), rastrovací optické mikroskopii blízkého pole (SNOM).

Mikroskopie atomárních sil (AFM) (Z.Pientka) – princip metody, výběr a vlastnosti hrotů (tj. sond). Různé techniky pozorování ukázány při studiu morfologie polymerů, porézních membrán, tenkých vrstev, přírodních makromolekul za fyziologických podmínek, v metrologii a při kontrole mikrostruktur (DVD/CD).

Měření malých sil (Z.Pientka) - studium morfologie heterogenních vzorků a lokální měření viskoelastických parametrů, sledování mezimolekulových interakcí (aktivní centra enzymů a další biologické aplikace), drsnost a adheze, magnetické síly (obraz magnetických domén harddisku).

Rastrovací tunelovací mikroskopie (STM) (Z.Pientka a K.Šišková) – princip metody, zobrazení v atomárním rozlišení, morfologie polovodičů, manipulace s atomy, pozorování kvantově-mechanických jevů.

Rastrovací optická mikroskopie blízkého pole (SNOM) (Z.Pientka) - principy metody, mikrospektroskopie. Spektroskopie povrchem zesíleného Ramanova rozptylu (SERS) – princip metody, elektrochemické a analytické aplikace. Vyhodnocování mikroskopických obrazů, Furierova transformace (FFT).

Nanotechnologie (Z. Pientka) AFM litografie, fotolitografie a elektronová litografie - výroba integrovaných obvodů a mikroprocesorů, mikroobrábění a mikromanipulace (mikrostroje, rotaxany).

PRAKTIKA - pro vážné zájemce v rámci kurzu

Praktikum 1 – základní práce s mikroskopem SEM.

Praktikum 2 – základny práce s mikroskopem TEM.

Praktikum 3 – základy práce AFM.

Praktikum 4 – pokročilejší práce s AFM.

Anotace

Kurz určený frekventantům magisterského a doktorského studia chemických oborů, který jim poskytne teoretické základy moderních mikroskopických technik a seznámí je s možnostmi praktických aplikací. Součástí kurzu jsou ukázky měření na moderních mikroskopech SEM, TEM a SPM, v případě vážného zájmu i měření prováděná frekventanty kurzu.