A course about modern microscopic methods for MSc and PhD students of Chemistry (and similar subjects). The course covers both theoretical background and real-life applications of electron microscopy and scanning probe microscopy. More interested students can pass also basic training on modern SEM, TEM and AFM microscopes.
Last update: Šlouf Miroslav, doc. RNDr., Ph.D. (14.06.2019)
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.
Last update: XSLOUF (02.07.2007)
Aim of the course - Czech
Po úspěšném absolvování získají studenti přehled o všech základních technikách elektronové mikroskopie (SEM, TEM, EDS, SAED...) a mikroskopie s rastrovací sondou (SPM, AFM, STM...). Budou schopni odhadnout, jaký typ mikroskopie by byl vhodný pro jejich vlastní vzorky a jaké informace jim může či nemůže poskytnout. Po kratším zaškolení budou schopni základní práce s libovolným typem SEM, TEM a AFM mikroskopu.
Last update: XSLOUF (02.07.2007)
Literature -
Electron Microscopy
Basic information - http://en.wikipedia.org, heslo: electron microscopy
Very good summary - Physical Methods of Chemistry: Volume IV - Microscopy. Wiley-Interscience, New York 1991.
SEM - Invitation to SEM world. Jeol Ltd.
TEM - Fultz B, Howe J: Transmission electron microscopy and diffractometry of materials. Springer-Verlag, Berlin 2001.
SPM/AFM Microscopy
Wikipedia, free internet encyclopedia: http://en.wikipedia.org, entries: Atomic Force Microscopy, Nanotechnology
Kubínek R., Vůjtek M., Mašláň M., Mikroskopie skenující sondou, Vydavatelství Univerzity Palackého v Olomouci, 2003
Frank L., Král J. Ed,. Metody analýzy povrchů - iontové, sondové a speciální metody, Academia, Praha 2002
Last update: Šlouf Miroslav, doc. RNDr., Ph.D. (17.06.2019)
Requirements to the exam -
The exam consists of two parts: AFM/SPM (Z. Pientka) and EM (M. Slouf); final evaluation is done by M. Slouf.
Required knowledge: just the contents of the presentations (that will be given to the students in the electronic form + basic knowledge of chemistry, physics and mathematics).
Last update: Šlouf Miroslav, doc. RNDr., Ph.D. (14.06.2019)
Zkouška se skládá z části AFM/SPM a EM (AFM/SPM = Zbyněk Pientka = pientka@imc.cas.cz; EM = Miroslav Šlouf = slouf@imc.cas.cz; do indexu zapisuje MŠ).
U zkoušky se požaduje pouze to, co bylo v přednáškách + obecné základy chemie, fyziky a matematiky.
Last update: Šlouf Miroslav, doc. RNDr., Ph.D. (14.06.2019)
Syllabus -
Every item below represents ca two-hour lecture; the trainings can last up to one day, according to the interest of the students.
ELECTRON MICROSCOPY
Introduction to Electron Microscopy (M. Slouf): similarities and differences among light microscopy (LM), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM). Relation of microscopy and Mathematics, Physics, Chemistry and Biology. Basic description and principles of SEM and TEM: ray optics, wave optics, diffraction, resolution, typical modes of SEM and TEM. Typical applications in various fields of science.
SEM1 = basics of scanning electron microscopy (M. Slouf). Detailed description of a SEM microscope and its four basic modes (SE, BSE, EDX, and STEM). High-, low-vacuum microscopy. Sample preparation. Interpretation of SEM micrographs. Real-life examples and applications.
SEM2 = microanalysis (M. Slouf, optional, for advanced students). More detailed explanation of SEM/EDX, including ab initio calculations of EDX energies using Schrodinger equation (by means of freeware program wxMaxima).
TEM1 = basics of transmission electron microscopy (M. Slouf). Detailed description of a TEM microscope and its four basic modes (BF, DF, SAED, and EDX). Conventional, analytical, high-resolution, and 3D-TEM. Sample preparation. Interpretation of TEM micrographs. Real-life examples and applications.
TEM2 = electron diffraction (M. Slouf, optional, for advanced students). More detailed explanation of TEM/SAED using three different levels: 1. Bragg equation, 2. Laue diffraction conditions, and 3. Kinematic diffraction theory. Calculation of a simple diffraction pattern (by means of freeware program wxMaxma).
Image analysis (M. Slouf). Interpretation of signal and contrast in electron micrographs. Principle of image analysis (conversion of micrographs to numbers). Software for image analysis (ImageJ). Types of image analysis (object analysis vs. field analysis). Real-life examples.
SPM/AFM MICROSCOPY
Introduction to scanning probe microscopy (SPM; Z. Pientka). Brief intro to SPM (principle, resolution, scales, magnifications). Selected types of SPM: atomic force microscopy (AFM), scanning tunneling microscopy (STM), scanning near-field optical microscopy (SNOM).
Atomic force microscopy (AFM; Z. Pientka). Brief intro (principle, properties of cantilevers and tips). Sample usage in the field of polymer morphology (polymer blends, polymer membranes, thin layers, macromolecules in physiological conditions, metrology, and quality control).
Measurement of small forces (Z. Pientka). Morphology of heterogeneous samples, local measurement of viscoelastic parameters, study of intermolecular interactions (biology), measurement of surface roughness and adhesion (industry), measurement of magnetic forces (magnetic domains in hard drives).
Scannint tunneling microscopy (STM; Z. Pientka). Principle of the method, atomic resolution, morphology of semiconductors, nanomanipulation with single atoms, observation of quantum effects.
Scanning near-field optical microscopy (SNOM; Z. Pientka). Principle of the method and microspectroscopy. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). Analysis of micrographs, Fourier transformation (FFT).
Nanotechnology (Z. Pientka). AFM lithography, photolithography, and electron lithography. Production of computer chips, micro- and nanomanipulation, and rotaxanes.
TRAINING – for selected/interested students
Training 1 – basics of SEM.
Training 2 – basics of TEM.
Training 3 – basics of AFM.
Training 4 – AFM beyond the basics.
Last update: Šlouf Miroslav, doc. RNDr., Ph.D. (15.06.2019)
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.
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.
Last update: Šlouf Miroslav, doc. RNDr., Ph.D. (15.06.2019)
