Главная / Библиотека / Сканирующий электрохимический микроскоп

Сканирующий электрохимический микроскоп

Теги Электрохимический микроскоп СЭХМ ТТФА
Сканирующий электрохимический микроскоп

Сканирующий электрохимический микроскоп (СЭХМ) был изобретен в 1989 г. для изучения химических соединений с высоким разрешением вблизи границ раздела фаз. СЭХМ можно использовать для получения изображений протекания химических реакций и количественных значений скорости реакций путем детектирования взаимодействия химических элементов непосредственно на маленьком кончике электрода. К настоящему времени множество лабораторий по всему миру уже опубликовали свои исследования, проведенные с помощью СЭХМ, используя его для широкого круга задач, таких как исследование коррозии, биологических систем (ферментов, кожи, листьев), мембран и границ разделов жидкость/жидкость.

Сканирующий электрохимический микроскоп CHI920C состоит из цифрового функционального генератора, бипотенциостата, схемы сбора данных с высоким разрешением, трехмерного нанопозиционера, держателя образца и ячейки. Схема СЭХМ и держателя ячейки / образца показаны ниже (рисунок 1, 2). Трехмерный нанопозиционер имеет пространственное разрешение вплоть до нанометров, но максимальное перемещение до 50 миллиметров. Диапазон регулировки напряжения бипотенциостата составляет ± 10 В, а диапазон силы тока ± 250 мА. Прибор способен измерять ток с точностью вплоть до пикоампер.

Сх1

Рисунок 1. Схема сканирующего электрохимического микроскопа

Сх2

Рисунок 2. Фотография держателя образца и ячейки

Помимо формирования изображения, с помощью сканирующего зонда, СЭХМ способен также наносить вещества на поверхность, создавать кривую сканирования и сближения зонда с поверхностью. Нанесение узора на поверхность происходит через управление зондом с различными значениями напряжения в течение разного количества времени. Режим кривой сканирования позволяет зонду перемещаться в направлении X, Y или Z с контролем потенциала зонда и подложки с параллельным измерением силы тока. Зонд может быть остановлен в момент достижения заданного тока. Это особенно полезно при поиске объекта на поверхности и определении кривых сближения. Режим сближения позволяет аккуратно сближаться зонду с поверхностью. Это также очень полезно для различения поверхностных процессов с помощью пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД)-регулирования.

Позиционер с шаговым двигателем имеет разрешение в 4 нанометра при максимальном расстоянии перемещения в 50 мм. Этот двигатель состоит из 3-мерного пьезопозиционера с замкнутым контуром. Пьезоуправление с обратной связью позволяет улучшить линейность измерений и избавиться от гистерезиса пьезоустройств. Другие преимущества этой модели заключаются в более быстром сборе данных (1 МГц, 16 бит), более высоком значении силы тока (250 мА), более быстрой ЦВ (1000 В/с при приращении потенциала в 0,1 мВ) и измерении импеданса перемен

Как и в других типах сканирующих зондовых микроскопов, СЭХМ основан на движении очень маленького электрода (наконечника) рядом с проводящей или изолирующей поверхностью подложки. В экспериментах с амперометрическим СЭХМ наконечник обычно представляет собой ультра-микроэлектрод (УМЭ), изготовленный в виде проводящего диска из металла или углерода в изолирующей стеклянной или полимерной оболочке. Также с использованием ионоселективных наконечников с СЭХМ возможны потенциометрические эксперименты. В амперометрических экспериментах протекание тока в игле нарушается из-за наличия подложки, но когда наконечник находится далеко от подложки (т.е. превышает несколько диаметров наконечника), установившийся ток, iT, ∞, определяется выражением:

Ф1

где F – константа Фарадея, n – количество электронов, перенесенных на наконечник в результате реакции (O + ne → R), D – коэффициент диффузии О частиц, C – концентрация, a – радиус острия. Когда наконечник приближается к поверхности изолирующей подложки, ток наконечника iT уменьшается, поскольку изолирующая оболочка наконечника блокирует диффузию O к наконечнику из объема раствора. Чем ближе наконечник к подложке, тем меньше становится iT. С другой стороны, R может быть окислен обратно до O из-за проводящей подложки. Это создает дополнительный поток O в наконечник и, следовательно, увеличивает iT. В этом случае, чем меньше значение d, тем больше значение iT (при iT → ∞, d → 0), если предположить, что окисление R на подложке ограничено диффузией. Эти простые принципы составляют основу режима обратной связи при работе СЭХМ.

Когда наконечник находится в плоскости X-Y над подложкой, изменение тока на нем представляет собой изменения либо топографии, либо проводимости (или реактивности). Можно отделить топографические эффекты от эффектов проводимости, отметив, что значение iT над изолятором всегда меньше значения iT, ∞, а над проводником iT всегда больше iT, ∞.

СЭХМ может использоваться для изготовления микроструктур на поверхности путем травления подложки или осаждения либо металла, либо иных твердых веществ. Для этого могут быть использованы режимы прямой и обратной связи. В прямом режиме острие, удерживаемое в непосредственной близости к подложке, действует как рабочий электрод (в реакциях осаждения) или как противоэлектрод (в процессах травления). В режиме производства с обратной связью используется та же схема, что и при визуализации СЭХМ.

Для создания частиц, которые реагируют на подложке, чтобы способствовать желаемой реакции, то есть осаждению или травлению, отдельно выбирается свой режим. Например, сильный окислитель, такой как Br2, образующийся на наконечнике, может травить область подложки GaAs непосредственно под наконечником.

Сх3

Рисунок 3. Принцип работы СЭХМ. (А) УМЭ вдали от подложки, диффузия O приводит к уравновешиванию тока, iT, ∞; (В) УМЭ вблизи изолирующей подложки, затрудненная диффузия O приводит к iT <iT, ∞; (С) УМЭ рядом с проводящей подложкой, положительная обратная связь O приводит к iT> iT, ∞

Трехмерное изображение со СЭХМ получается посредством сканирования наконечником в плоскостях X-Y и одновременным отслеживанием функции зависимости тока зонда iT от расположения. Особое преимущество СЭХМ для получения изображений по сравнению с аналогичными методами сканирующей зондовой микроскопии заключается в том, что наблюдаемый отклик можно интерпретировать на основе довольно строгой теории, и, следовательно, измеренный ток можно использовать для оценки расстояния между наконечником и подложкой. Более того, СЭХМ можно использовать для отображения поверхностей различных типов подложек, как проводников, так и диэлектриков, погруженных в растворы. Достигаемое разрешение с помощью СЭХМ зависит от радиуса наконечника. Например, как показано на рисунке 4, изображение фильтрующей мембраны получено с помощью наконечника диаметром 2 мкм в растворе Fe (CN)64-. Средний диаметр пор составляет около 10 мкм.

Сх4

Рисунок 4. СЭХМ изображение фильтрующей мембраны из поликарбоната с УМЭ в растворе Fe (CN)64- с диаметром наконечника 2 мкм. Средний диаметр пор составляет около 10 мкм

Одним из наиболее многообещающих приложений СЭХМ является изучение переноса заряда на границе раздела двух несмешивающихся растворов электролитов (НРЭ). В отличие от традиционных методов, СЭХМ позволяет изучать перенос как ионов, так и электронов на границе раздела. Например, с использованием системы тетрацианодиметана (ТЦДМ) (в 1,2-дихролоэтане (ДХЭ)) / ферроцианиде (в воде) был продемонстрирован перенос электронов, при котором они переносятся вверх от окислительно-восстановительной пары с более высоким стандартным восстановительным потенциалом в одной фазе к другой окислительно-восстановительной паре, имеющей более низкий стандартный восстановительный потенциал во второй несмешивающейся фазе. На рисунке 5 отображена кривая приближения, полученная при сближении УМЭ с границей раздела, когда система содержит фоновые электролиты без разделяющих ионов, такие как тетрафениларсоний (ТТФА+). Однако, как показано на рисунке 6, обратный поток электронов для той же окислительно-восстановительной реакции может быть вызван использованием ТТФА+ в качестве иона, определяющего потенциал (раствор ТТФА+ в обеих фазах (∆ow = -364 мВ)).

Сх5

Рисунок 5. Кривая для системы 10 мM ТЦДМ и 1 мМ ТТФА+ТФБ в ДХЭ // 1 мМ Fe(CN)63- и 0.1 М LiCl в H2O

Сх6

Рисунок 6. Кривая для системы 10 мM ТЦДМ и 1 мМ ТТФА+ТФБ в ДХЭ // 1 мМ Fe(CN)63- и 0.1 М LiCl и 1 мМ ТТФА Cl в H2O. Здесь показан обратный перенос электронов, управляемый катализатором фазового переноса ТТФА+. Потенциал наконечника -0,4 В относительно Ag/AgCl

 

© CH Instruments

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции CH Instruments на территории РФ

Теги Электрохимический микроскоп СЭХМ ТТФА
Новые статьи
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2