reklama

Okná fyziky povrchov dokorán

Veľa oblastí vedy je popularizovaných ľahšie, než fyzika povrchov. Ešte si určite pamätáte na TV reláciu Dr. Jiřího Grygara, ktorý u nás fantasticky priblížil ľuďom astrofyziku a kozmonautiku. Meteorológia má rosničkovskú reklamu koždodenne a ekológovia sa dostanú do TV spravodajstva aspoň raz za čas. O umelej inteligencii sa točia filmy v Hollywoode a ekonomickí analytici sa objavia v správach aspoň dvakrát za týždeň. Pokúsim sa nastúpiť neľahkú cestu a čo-to vám rozpovedať o materiálovej fyzike a jej metódach.

Písmo: A- | A+
Diskusia  (13)
Atómy železa na povrchu medi (STM).
Atómy železa na povrchu medi (STM). (zdroj: Zdroj: IBM Almaden Research Center)

Výskum v oblasti materiálov je starý ako ľudstvo samo. Ak mal v praveku jeden kmeň pevnejšie meče než druhý, väčšinou bolo o víťazovi rozhodnuté. Mohli by sme tvrdiť, že dnes je to inak, ale v podstate sa od našich predkov nelíšime. Hľadáme materiály pevnejšie, tvrdšie, teplovzdornejšie, materiály schopné katalýzy, hrubšie nanovrstvy, tenšie nanonvrstvy, vrstvy schopné čerpať plyn, supravodivé látky, magnetické látky, atď... Medzi úspechy fyziky materiálov možno pokladať titánové nože, ktoré sa vám váľajú v kuchyni, katalyzátor splodín v aute, mikroprocesory a ďalšie polovodičové súčiastky, teflónové panvice a plno ďalších vecí.

SkryťVypnúť reklamu
Článok pokračuje pod video reklamou

Jedným z hnacích motorov dnešného výskumu sú nano-veci. Nano klastre (nanoclusters), nano rúry (nanotubes), nanovrstvy. Všetky tieto veci majú spoločnú vec - rozmery iba niekoľko nanometrov (tj. 10-9 m). Obzvlášť veľký význam majú v technológiách LSI (Large Scale Integration) - t.j. pri konštruovaní mikročipov (či lepšie povedané nanočipov ?) budúcich generácií. Objekty takýchto malých rozmerov majú častokrát úplne odlišné fyzikálne aj chemické vlastnosti. Navyše sú také malé, že vyvstáva problém ich pozorovania.

Optický mikroskop rozlíši maximálne objekty porovnateľné s vlnovou dĺžkou svetla - tj. stoviek nm. V našom prípade to samozrejme nestačí. Preto sa svetlo nahrádza elektrónovým lúčom. Vlnová dĺžka elektrónov je nepriamo úmerná ich energii, takže je iba na nás, akú vlnovú dĺžku použijeme (samozrejme v istých intervaloch). Existuje viac druhov elektrónových mikroskopov. Najpoužívanejším je skenovací elektrónový mikroskop (SEM), ktorý skenuje lúčom povrch a zachytáva sekundárne emitované elektróny. Na tenké materiály je možné použiť TEM (transmisný el.m.). V kombinácii so spektroskopickými metódami (o tých je reč na záver článku) existuje ešte nespočet ďalších možností.

SkryťVypnúť reklamu
reklama


Elektrónová difrakcia zoxidovaného monokryštálu zliatiny hliníku a medi (metóda RHEED).Zdroj: NIMS

Okrem elektrónových mikroskopov sa na pozorovanie štruktúry povrchov používajú metódy elektrónovej (alebo rentgenovskej) difrakcie. V podstate ide o podobný princíp ako pri rozptyle svetla na mriežke - s tým rozdielom, že mriežka je reprezentovaná pravidelne usporiadanými atómami skúmaného materiálu a svetlo nahradené elektrónovým (rentgenovým) lúčom. Vyhodnocovanie difraktogramov už nie je také jednoduché, ako v prípade elektrónovej mikroskopie - nevidíme totiž priamo štruktúru povrchu, ale jej obraz v reciprokom priestore. Difrakčné metódy sú veľmi výhodné pri určovaní štruktúry usporiadných materiálov. Naopak, pri amorfných vzorkách je nepoužiteľná.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Medzi ďalšie metódy patrí napríklad skenovací tunelovací mikroskop (STM). Ten sa dá výhodne použiť na skúmanie štruktúry vodivých materiálov, pretože dosahuje atomárneho rozlíšenia. Ide o veľmi citlivý prístroj, v ktorom sa tenučký hrot pohybuje tesne nad skúmaným povrchom a priložením napätia začne cez neho pretekať tunelový prúd. Usporiadaním podobný prístroj je AFM (atomic force microscope), v ktorom sa hrot priamo dotýka povrchu.

Spoznanie štruktúry a morfológie je ale iba polovica potrebnej informácie. Rovnako ako štruktúra nás zaujíma chemické zloženie látky. Pre tieto účely existuje obrovské množstvo spektroskopických metód, ktoré používajú ako primárne činidlo fotóny, elektróny, ióny a plno iných ďalších elementárnych aj neelementárnych častíc. Výsledkom je nielen podrobné zistenie zloženia, ale aj chemických stavov, v ktorých sa jednotlivé komponenty nachádzajú.

SkryťVypnúť reklamu
reklama

Výsledkom výskumu bývajú napríklad nové tenké vrstvy pre výrobu FET tranzistorov, monokryštalické vrstvy pre autoemisné katódy, nové katalyzátory chemických reakcií, povrchy schopné tvoriť samousporiadavacie štruktúry, nové supravodiče, a ďalšie. Za experimentálnym výskumom samozrejme stojí obrovská skupina teoretických fyzikov, ktorí sa snažia interpretovať a teoreticky doložiť výsledky, prípadne predpovedať vlastnosti nových materiálov. Nakoniec, o niekoľko rokov, sa výsledky objavia v každej druhej domácnosti - ale to si na pôvod týchto vecí už nikto nespomenie.

Slavomír Nemšák

Slavomír Nemšák

Bloger 
  • Počet článkov:  68
  •  | 
  • Páči sa:  1x

Opäť raz stratený v preklade. Zoznam autorových rubrík:  Zo života v JaponskuCestovanie po JaponskuCestovanieVeda a školstvoSúkromneNezaradené

Prémioví blogeri

Milota Sidorová

Milota Sidorová

5 článkov
Jiří Ščobák

Jiří Ščobák

752 článkov
Post Bellum SK

Post Bellum SK

74 článkov
Juraj Karpiš

Juraj Karpiš

1 článok
Matúš Sarvaš

Matúš Sarvaš

3 články
Juraj Hipš

Juraj Hipš

12 článkov
reklama
reklama
SkryťZatvoriť reklamu