Meranie fyzikálnych veličín

1. Malé vzdialenosti

František Kundracik

Rozsah vzdialeností, ktoré sme schopní merať

Posuvné meradlo a mikrometer Posuvné meradlo (do 0,05 mm) Mikrometer (do 0,005 mm = 5

mikrometrov) Presnosť daná mechanickým opracovaním

Optický mikroskop Obmedzenie – vlnový charakter svetla Nemožno zobraziť objekty menšie než

vlnová dĺžka – cca 0,5 mikrometra Na meranie vzdialeností sa používajú

napríklad rysky v okulári alebo sa premeriavajú fotografie urobené v primárnom ohnisku

Optický mikroskop Zväčsenie: Y’=Y.d/f Premeriavanie fotografie –

negatívov, často pod mikroskopom s mikrometrickým posuvom stolíka

U digitálnych snímkov sú známe fyzické rozmery jednej bunky senzora (typicky niekoľko mikrometrov), omnoho pohodnejšie

Optický interferometer Umožňuje merať rozmery menšie

než vlnová dĺžka svetla, typicky až 1/50 , t.j. 10 nanometrov

Vznik interferenčných maxím a miním, úplná zmena jasu pri zmene o polovicu vlnovej dĺžky

Typické použitie – meranie hrúbky naparených vrstiev

Optický interferometer Pri nie celkom

rovnobežných odrazných plochách vzniknú interferenčné prúžky vzdialené o

Pri skokovej zmene hrúbky vrstvy sa prúžky posunú o X, hrúbka vrstvy sa určí trojčlenkou

H= X/ .

Talystep

Elipsometer Využíva zmenu polarizácie svetla pri jeho odraze,

ktorá závisí od uhla dopadu a indexu lomu materiálu Pri odraze na priehľadnej vrstve navyše vstupuje do

hry interferencia „Nulová elipsometria“ – pri dopade vhodne

polarizovaného svetla na vzorku je odrazené svetlo lineárne polarizované, takže pri istom uhle natočenia analyzátora cez neho neprechádza svetlo

Meria sa uhol natočenia analyzátora a polarizácia dopadajúceho svetla

Možnosť presne merať hrúbky vrstiev od 0,1 nm do mikrometrov, pokiaľ sú homogénne a priehľadné

Elipsometer P-polarizátor C-štvrťvlnová platnička

(kompenzátor) A-analyzátor Z jedného merania

možno určiť dva neznáme parametre

Ak má model vzorky viac parametrov (napr. hrúbka vrstvy, reálna a imaginárna zložka indexu lomu), treba viac meraní pre rôzne uhly dopadu alebo vlnové dĺžky

Elektrónový mikroskop Vlnovo-časticový dualizmus = h/p Nie je problém dosiahnuť vlnové dĺžky menšie než je rozmer

atómu Rastrovací elektrónový mikroskop (SEM) – ožarovací lúč

„behá“ po povrchu vzorky, merajú sa rozptýlené elektróny, svetelné žiarenie a pod.

Transmisný elektrónový mikroskop (TEM) – podobný princíp, ale registrujú sa prejdené elektróny

Aj zdroj elektrónov musí byť „bodový“, aby sa dal zväzok sfokusovať na malú plochu – napríklad studené tunelové katódy

Typická rozlišovacia schopnosť – 3 nm

Elektrónový mikroskop

Elektrónový mikroskop Technické problémy:

Vákuum Pokovenie (C, Al)– odvod elektrónov,

inak sa vzorka nabije a vychyľuje elektróny

Pri veľkom zväčšení (veľkých energiách) hrozí tepelné zničenie vzorky

Optická sústava, šošovky

Magnetická šošovka

Elektrostatická šošovka

Rastrovací tunelový mikroskop

Reaguje na elektrónovú hustotu, získava sa 3D-obraz, rozlíšenie na úrovni 10pm (menej než rozmer atómu)

Prímes Cr v Fe

Atomic force microscope Hrot sa dotýka povrchu,

výška nad povrchom sa nastavuje tak, aby bola konštantná sila pôsobiaca na hrot

Statické, kontaktné meranie Dynamické (vplyv povrchu

na kmity hrotu) meranie Reaguje na všetky

medziatómové sily (elektrické odpudzovanie, Van der Vaalsove sily,...)

Spätná väzba rovnaká ako u tunelového mikroskopu

Povrch grafitu

Magnetic force microscope Ako atomic force

microscope, ale hrot aj vzorka sú magnetické

Používa sa na mapovanie magnetických polí napr. harddiskov (obrázok hore = povrch, dole = magnetické pole)

Rozlíšenie – do 30 nm

X-Ray difrakcia Odraz a interferencia RTG-žiarenia

na periodických štruktúrach (hustota elektrónov) podobne ako svetlo na optických štruktúrach

Možnosť identifikovať a zmerať medziatómové vzdialenosti v kryštáloch

Kryštalizované proteíny – možnosť učiť ich štruktúru – prevrat vo farmácii

Difrakčný obraz proteínu

Urýchľovače Vyšetrovanie atómových

jadier Čím vyššia energia, tým

menšia vlnová dĺžka a tým vyššie rozlíšenie

Energie v ráde 1-100 MeV umožňujú sledovať nukleóny

Energie v ráde 100 GeV – v súčasnosti sa stavajú - kvarky

Fermilab (Illinois)