Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating”...

75
Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14. MIKRO- ÉS NANORÉTEGEK KÉSZÍTÉSE ÉS JELLEMZÉSE

Transcript of Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating”...

Page 1: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

MIKRO- ÉS NANORÉTEGEK KÉSZÍTÉSE ÉS JELLEMZÉSE

Page 2: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Az előadás vázlata

Rétegek: Mikrorétegek: bevonatok, festékek, galvanizálás, kémiai és

elektromos réteg-leválasztás

Nanorétegek, molekuláris filmek Termál szórás

Plazma kezelés

„Dipp-coating”, „spin-coating”

Langmuir-Blodgett film

Önszerveződött molekuláris rétegek

A rétegek jellemzése különböző technikákkal

A rétegek alkalmazása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 3: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Történelmi áttekintés

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

•Idősebb Plinius (Gaius Plinius Secundus), AD 23-79 : “that all sea water is made

smooth by oil, and so divers sprinkle oil on their face because it calms the rough element

and carries light down with them”; . . . Historia Naturalis. • Benjamin Franklin:. . .where the waves began to form, and there the oil, though

not more than a teaspoonful, produced an instant calm, . . . perhaps half an acre as smooth as a looking glass”; Phil. Trans. Roy. Soc. (1774), 64, 445.

• Lord Rayleigh: “The earlier part of Miss Pockels’ letter covers nearly the same

ground as some of my own recent work, . . . , raising many important questions. I hope soon to find opportunity for repeating some of Miss Pockels’ experiment”

• Agnes Pockels: “MY LORD-Will you kindly excuse my venturing to trouble you

with German letter on a scientific subject?. . .; Nature (1891) 43, 437.

• Irving Langmuir: “The constitution and fundamental properties of solids & liquids. II

Liquids”; J. Am. Chem. Soc. (1917) 39, 1848.

Page 4: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A felszíni atomok számának alakulása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

1 cm3 gold

cube

1 cm

1 cm

1 cm

Össz-atomszám ~ 5.91022

Felszíni atomok száma ~ 1.21015

A felszíni atomok száma ~ 210-6 % az

össz-atomhoz viszonyítva

1 nm3 arany kocka

Az egység Au cella mérete:~ 0.4 nm

Össz-atomszám ~ 108

Felszíni atomok száma ~ 84

A felszíni atomok száma ~ 78% az össz-

atomhoz viszonyítva

Page 5: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A nanorétegek jellmézésére leggyakrabban alkalmazott módszerek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

kontakt szög: tenziometer összegfrekvenciakeltési spektroszkópia (SFG), IR spektroszkópia XPS ellipszométer AFM, epifluoreszcens mikroszkópia elektrokémiai módszerek (EIS, polarizációs mérések, ciklikus voltammetria) microkalorimetria

Page 6: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Statikus és dinamikus kontaktszög mérés

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 7: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Atomi erőmikroszkóp (AFM)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 8: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

LB filmmérleg,BAM

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 9: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A Langmuir filmmérleg működése, LB filmkészítés

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

compression

constant pressure

mono- és multi-réteg

átvitel

A réteg stabil

Megőrzi rendezett szerkezetét

kevés hibahely

A réteget befolyásolja:

a szubfázis

(pH, dissolved molecules)

rétegátvitel körülményei

Page 10: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

LB technika

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

két különböző közeg határfelületén kialakított oldhatatlan monomolekulás filmek

a víz felületi feszültségét csökkentik és oldalnyomást fejtenek ki

a felületaktív anyag

molekulái irányítottan

helyezkednek el:

П – A izoterma a görbe alakja jellemző a filmet felépítő molekulákra és ezek kölcsönhatására Kollapszus az adott filmre jellemző érték a film elveszti monomolekulás jellegét: törik, gyűrődik

Page 11: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Langmuir filmek szilárd hordozón

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Hidrofób

felszín

Hidrofil felszín

Multimolekulás rétegek: váltakozó irányítottság

Y X Z

Page 12: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Az önszerveződés lehetőségei

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

* Önszerveződött molekuláris rétegek (SAM) • Önszerveződött makromolekuláris szerveződések szilárd hordozón • Poliionok ”Layer-by-layer” rétegződése • Önszerveződött diblokk polimerek • Önszerveződött makromolekulák

Page 13: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Az önszerveződés alkalmazási lehetőségei

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Integrált áramkörök Katalizátorok Adattárolás Gyógyszerbevitel Bioanyagok Nanorészecskék, funkcionalizált nanorészecskék Mikrofluidika Elválasztás és tisztítás

Page 14: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Az önszerveződés „mozgatórugója”

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

• Statikus rendeződés (termodinamikailag

szabadenergia-minimum) – ha egyszer kialakult, stabil

• Dinamikus rendeződés (kinetikailag képződik, nincs

feltétlenül a termodinamikai minimumon) – nem szükségszerűen stabil

Page 15: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Önszerveződött molekuláris szerkezetek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

• A legkülönbözőbb hordozókon kialakíthatók • A „bottom up” és a „top down” technika kombinálásával előre meghatározott felszínek hozhatók létre • Óriási hatása van új termékek kifejlesztésére

Page 16: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Alkántiol SAM rétegnövekedés

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

(a): gázból vagy kis koncentrációjú

oldatból

(b): koncentráltabb oldatból

Page 17: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Önszerveződés aranyon

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

X (CH2)n S Au

X = -CH3, -OH, -COOH, -SO3-, -PO4H2, N+(CH3)3, -(OCH2CH2)nOH, ...

Page 18: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

AAz LB és az Az LB és az önszerveződő technika

összehasonlítása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

tteecchhnniikkaa

előny

hátrány

LB • egyszerű és gyors

• rétegszám és

szerkezet megválasztható • az LB-vel borított szilárd felszín stabil

• berendezés szükséges

SAM • egyszerű, spontán • stabil felszín • a felületi jellemzők (kémiai, mechanikai)előre meghatározhatók • nincs szükség speciális berendezésre

• a réteg kialakulása időigényes

Page 19: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Az LB és a SAM rétegek szerkezetének összehasonlítása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

SAM: defektek, lukak

STM, C10SH SAM (250x250m-10)

LB:egyenletes, rendezett réteg

AFM, C18N rézen (10x10m-10)

Page 20: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Amfifil hidroxám- és foszfonsavak

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Hidroxámsavak Foszfonsavak

Sztearoil - hidroxámsav

C18N 1– foszfono - oktadekán

C18P

Page 21: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Izotermák és Bam felvételek; a pH hatása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

0

5

10

15

20

25

30

35

40

pH= 2.0

pH= 4.0

pH= 5.6

pH= 8.0

pH=10.0

C18N, T = 23oC

[m

N/m

]

A [Å2/molecule]

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

0

5

10

15

20

25

30

35

40

C18P, T= 23oC

pH=2.0

pH=4.0

pH=5.6

pH=8.0

pH=10.0

[

mN

/m]

A [Å2/molekula]

C18N

C18P

Gáz fázis

Folyadék fázis

Szilárd fázis

kolapszus

Page 22: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Az LB és a SAM réteg morfológiájának összehasonlítása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 23: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

LB rétegekkel borított réz és vas felszín

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Fe+C18P

Fe+C18N

Cu+C18P

Cu+C18N

C18N LB on copper:

• 1 réteg: ~ 0o

• 3 réteg : 23o

• 9 réteg : 19o

• 11 réteg : 22o

Polarizációs reflexiós

abszorpciós spektrumok

Page 24: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Kétdimenziós Fourier transzformációs felvételek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

C18P LB egyréteg különböző hordozókon

• A 2D elemi cella

méretei:

a = 0.443 ± 0.05 nm

b = 0.335 ± 0.04 nm

γ = 103 ± 0.5º

csillám

réz

armcovas

• Az LB egyréteg kétdimenziós térbeli elrendeződése ferde rácsnak

felel meg

Page 25: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

LB rétegek rézen és vason

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

fém

control C18N LB

1réteg

C18P LB

1réteg

θdyn

adv/retr.

θdyn

adv/retr.

θdyn

adv/retr.

vas 68/32 123/72 126/95

réz 78/31 128/95 124/88

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200

Fe 3p

Fe 3s

C 1s

O 1s

Fe Auger

Fe 2p

O Auger

C Auger

a. C18P LB réteg vason

Inte

nzitás (

tets

z.

egys.)

Kötési energia (eV)

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200

Cu 3d

Cu 3p

Cu 3s

C 1sO 1s

Cu Auger

Cu 2p

Cu 2s

C Auger

b. C18N LB réteg rézen

Inte

nzitás (

tets

z.

egys.)

Kötési energia (eV)

Page 26: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

XPS mérésből számított réteg-paraméterek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

rézen Rétegvastagság [nm]

nincs LB

réteg

C18P

monoréteg

C18N

monoréteg

Alkil lánc - 2.0-2.2 2.0-2.1

Fej-

csoport

- 0.3-0.35 0.3-0.34

Rézoxid 3.5-4.0 3.9-4.0 3.5-3.7

-

vason Rétegvastagság [nm]

nincs LB

réteg

C18P

monoréteg

C18N

monoréteg

Alkil lánc - 1.9-2.1 1.9-2.1

Fej-

csoport

- 0.27-0.31 0.33-0.38

vasoxid 3.3-3.5 3.4-3.5 3.4-3.5

Page 27: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SFG spektrumok

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

2 800 2850 2900 2950 3000

0.0

0.5

1.0

Hullámszám / cm-1

SFG

int

enzi

tás

/ te

tszo

leg

es e

gys

ég

C18P monoréteg üveg hordozón

C18N monoréteg üveg hordozón

2800 2850 2900 2950 3000

0.0

0.5

1.0

Hullámszám / cm-1

SFG

inte

nzit

ás /

tets

zole

ges

eg

ysé

g

C18P monoréteg vas hordozón

C18N monoréteg vas hordozón

2800 2850 2900 2950 3000

0.5

1.0

Hullámszám / cm -1

SFG

int

enzi

tás

/ te

tszo

leg

es e

gys

ég

C 18P m onoréteg réz hordozón

C18N m onoréteg réz hordozón

2850 2900 2950 3000

SF

G i

nte

nsity (

arb

. u

nit

s)

Wavenumber / cm -1

Av3.M15

Av3.M30

Av3.M45

Av3.M60

Av11.LB

LB rétegek, fejcsoport függés SAM rétegek, időfüggés

Page 28: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SAM rétegek rézen, IRRAS (0° polarizáció)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

0

20E-05

40E-05

60E-05

80E-05

.001

.0012

.0014

2950 2900 2850 2800

Absorbance / Wavenumber (cm-1)

C18N 15’

C16N 15’

C12N 60’

C16N 60’

C18N 60’

C12N 15’

C10N 15’

C10N 60’

as(CH3)

~2918

s(CH3)

~2848

as(CH2)

~2960

s(CH2)

~2870

0

20E-05

40E-05

60E-05

80E-05

.001

.0012

.0014

2950 2900 2850 2800

Absorbance / Wavenumber (cm-1)

C18N 15’

C16N 15’

C12N 15’

C10N 15’

Page 29: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

LB filmek vason és rézen, polarizációs mérések

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

- 0 , 8 - 0 , 7 - 0 , 6 - 0 , 5 - 0 , 4 - 0 , 3 - 0 , 2 - 0 , 1 0 , 0 0 , 1

- 1

0

1

2

Lo

g

|j|

[

j/

A

.c

m-

2 ]

E [ V ] / ( S C E )

ironelectrode

Ekorr

[mV]jkorr

-2]

blank -412 2.36 -

C18P -268 0.13 94

C18N -251 0.09 96

-0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04

-1

0

1

2

3

4

log |

j| [

j /

A

.cm

-2]

E [V] / (SCE)

(iron, LB, NaClO4, pH 7)

(copper, LB, Na2SO4, pH 3)

C18N

C18P

C16N C18N

C18P

copper Ekorr /[mV]

jkorr /-2]

blank - 26 0,91 -

C18P -33 0,47 48

C16N -29 0,35 62

C18N -31 0,25 73

Fe

Cu

Page 30: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Önszerveződött rétegek rézen polarizációs kísérlet,(Na2SO4, pH=3)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

-0,12 -0,10 -0,08 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 0,02 0,04

-1

0

1

2

3

log |j|

[ j / A

.cm

-2]

E [V] / (SCE)

copper

Ekorr / [mV]

jkorr /

[μA.cm-2

]

η [%]

blank

- 26

0,91

-

C18N SAM

-40

0,14

85

C16N SAM

-39

0,16

82

C12N SAM

-38

0,17

81

C10N SAM

-36

0,13

76

— copper

–•– C18N-SAM, –– C16N-SAM –– C12N-SAM

–– C10N-SAM

Page 31: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A SAM réteg kialakulási idejének hatása (EIS) Cu+C10N (0,5 M Na2SO4 ; 25oC)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Rp

[k

Ω c

m2]

0 15 60

SAM formation time [min]

Series2

EIS mérés ideje 1h 20 h

SAM réteg keletkezés ideje

Rp [kΩ cm2]

0 min 5 15

15 min 106 305

60 min 2564 8596

SAM réteg kialakításának ideje: 0, 15, 60 min

Page 32: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Rézen SAM réteg időfüggő keletkezésének vizsgálata mikrokaloriméterrel (0.1MHNO3; 20oC)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

SAM réteg

keletkezési idő: 5 min 15 min 30 min 60 min

[μW] η [%] [μW] η [%] [μW] η [%] [μW] η [%]

Cu + C10N 570 37 460 49 200 78 186 79

Cu + C12N 580 36 338 63 190 79 189 80

Cu + C16N - - - - - - 262 82

Cu + C18N - - - - - - 110 88

Cu : 910 μW

Page 33: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SAM réteg hatása a lyukkorrózióra

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Bevonat nélkül 20min után C10N bevonat 60 óra után

Page 34: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Vas hűtővízben, 5 nap után

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Nanoréteg nélkül

C18P LB réteg

C18N LB film

C18N SAM

Page 35: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A nanorétegek hatása mikroorganizmusok megtelepedésére

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Réteg nélkül: vastag biofilm

C18P LB film: néhány kis telep

C18N LB réteg: néhány kis telep

Page 36: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Korróziógátlás nanorétegekkel

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 2 19 24 90 95 114 119 138 143 162 167 186 171

time [hour]

co

rro

sio

n r

ate

[arb

itra

ry u

nit

]

control

C10N

C12N

C16N

C18N

oleoylN

elaidylN

C18P

Page 37: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

LB rétegek antikorróziós és mikróba megtapadást gátló hatása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14. 37

C18-foszfonsavval C18-hidroxámsavval kezeletlenül

Page 38: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Összefüggés a felületi energia és a megtapadt mikroorganizmusok száma között

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

felületi energia [ergscm-2]

mikroorganizmusok a biofilmben [sejtcm-2]

vas 62.99 5.2x105

+C18N LB egyréteg

25.06 3.6x103

+C18P LB egyréteg

42.39 1,6x105

réz 56.67 1,2x105

+C18N LB egyréteg

25.66 6,8x102

+C18N LB többréteg

21.28 1,7x102

Page 39: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A C18N molekulából kialakított Langmluir rétegek izotermái és BAM képei

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

water CaCl2 MgCl2 CuCl2

pH3

pH4

Page 40: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Fémionok LB rétegekben

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

elektród i [µA cm-2] hatékonyság [%]

Cu 0.91 --

Cu + C18N 0.25 73

Cu + C18N +

Ca2+

0.19 77

Cu + C18N +

Mg2+

0.10 85

Cu + C18N +

Cu2+

0.06 97

-200 -100 0 100 200

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

(a)

Uncoated

coated with C18

N+Mg2+

coated with C18

N+Ca2+

coated with C18

N+Cu2+

Lo

g i, m

A.c

m-2

E, mV vs. SCE

-200 -100 0 100 200

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

Fig .7. polarization curves of uncoated and coated copper

with layers of C18

N+Cu2+

in 0.1 M of Na2So4 at pH=3

Uncoated

Coated with 3 layers

coated with 5 layers

Lo

g i (

mA

/cm

2)

E (mV)

Page 41: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Amfifil anyagok

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14. 41

karbonsavak

hidroxámsavak

lipid-aminosavak

Page 42: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14. 42

0 10 20 30 40 50 60

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

felü

leti

ny

om

ás

, m

N/m

Å2 / molekula

DHS

LHS

SzS

PHS

SzHS

PS

0 10 20 30 40 50 60

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

felü

leti

ny

om

ás

, m

N/m

Å2 / molekula

OHS

ES

LiS

PoS

RoS

OS

EHS

0 20 40 60 80 100

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

felü

leti

ny

om

ás

, m

N/m

Å2 / molekula

NCmet-C10

NtbkC-C14

NtbkC-C18

NtbkC-C8

NtbkCmet-2C18

NtbkCmet-C16

Monomolekuláris rétegek jellemzése izotermákkal

telített karbonsavak és hidroxámsavak

telítetlen karbonsavak és hidroxámsavak

lipid-aminosavak

Page 43: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Összegfrekvencia vibrációs spektroszkópia (SFG)

Page 44: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14. 44

Hidroxámsav LB-egyrétegek üvegen

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

Inte

ns

ity

Wavenumber / cm-1

C18NZ01G_Av5.ppp

C18NZ01G_Av5.ssp

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

Inte

nsit

y Av5.ppp

Av5.ssp

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

Av5.ppp

Av5.ssp

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

Wavenumber / cm-1

C18NE01G_Av5.ppp

C18NE01G_Av5.ssp

palmitoil-hidroxámsav

oleoil-hidroxámsav

sztearoil-hidroxámsav

elaidoil-hidroxámsav

Page 45: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14. 45

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

Inte

ns

ity

Wavenumber / cm-1

C18AZ01G_Av3.ppp

C18AZ01G_Av3.ssp

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

C18A01G_Av3.ppp

C18A01G_Av3.ssp

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

Wavenumber / cm-1

C18AE01G_Av3.ppp

C18AE01G_Av3.ssp

2800 2850 2900 2950 3000

0,0

0,5

1,0

1,5

Inte

ns

ity

C16A01G_Av3.ppp

C16A01G_Av3.ssp

sztearinsav palmitinsav

elaidinsav olajsav

Karbonsav LB üvegen

Page 46: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A rétegek hatékonysága korrozív közegben (15 h; 0,5 M NaCl)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

SzS-SAM

SzHS-SAM

SzHS-LB1

PS-SAMSzS-SAM

PHS-SAMSzHS-SAM

PS-LB1SzS-LB1

PHS-LB1SzHS-LB1 k

0

10

20

30

40

50

60

70

80

átl

ag

érd

es

g (

nm

)

minta

100 m átlag érdesség

PS-SAMSzS-SAM

PHS-SAM

SzHS-SAMPS-LB1

SzS-LB1

PHS-LB1

SzHS-LB1 k

0

1

2

3

4

5

lyu

ka

k a

fe

lüle

ten

(%

)

minta

lyukak 100 m 130 nm középvonal átlag

Page 47: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Koncentráció függő LB rétegek készítése

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

a: 10-5M; b: 10-6M

Page 48: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Izotermák és BAM képek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

A GO-C és GO-P molekula és a GO-C TEM képe

Page 49: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Biomembrán kettősrétegének utánzása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

levegő

vizes fázis

Anyagbeépülés a vizes fázisból

Lipáz a SAM rétegben

Page 50: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Biomembrán modell:A kitozán és a koleszterol

hatása a dimirisztoil foszfatidinre

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Szubfázis: puffer

Szubfázis: kitozán

Page 51: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Nanorészecskék LB rétegben

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Nanorészecskék:

24.9 nm NaYF4:Yb,Er nanogömb,

12.0 nm LiYF4 nanopolyhedra,

14.1 × 1.8 nm triagonal-shaped LaF3,

12.6 nm square CaF2,

9.5 × 2.0 nm hexagonal EuF3,

Fontos: koncentráció

méret

szimmetria

Page 52: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SAM réteg kialakulása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 53: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Molekulák SAM-ben

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

leginkább tanulmányozott rigiditás

Si, Al: leggyakrabban alkalmazott hordozó

tribológia, súrlódás

Page 54: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Molekulák SAM-ben

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 55: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Amfifil molekulák a levegő-víz határfelületen Bizonyíték a molekulák rendezettségére (1937)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Permanganate solution

Permanganate solution

oxidative cleavage of double bond on oleic acid

increase in surface pressure

no more cleavage!

10Å

Page 56: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SFG spektrumok

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

2 800 2850 2900 2950 3000

0.0

0.5

1.0

Hullámszám / cm-1

SFG

int

enzi

tás

/ te

tszo

leg

es e

gys

ég

C18P monoréteg üveg hordozón

C18N monoréteg üveg hordozón

2800 2850 2900 2950 3000

0.0

0.5

1.0

Hullámszám / cm-1

SFG

inte

nzit

ás /

tets

zole

ges

eg

ysé

g

C18P monoréteg vas hordozón

C18N monoréteg vas hordozón

2800 2850 2900 2950 3000

0.5

1.0

Hullámszám / cm -1

SFG

int

enzi

tás

/ te

tszo

leg

es e

gys

ég

C 18P m onoréteg réz hordozón

C18N m onoréteg réz hordozón

2850 2900 2950 3000

SF

G i

nte

nsity (

arb

. u

nit

s)

Wavenumber / cm -1

Av3.M15

Av3.M30

Av3.M45

Av3.M60

Av11.LB

LB rétegek, fejcsoport függés SAM rétegek, időfüggés

Page 57: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SAM rétegek rézen, IRRAS (0° polarizáció)

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

0

20E-05

40E-05

60E-05

80E-05

.001

.0012

.0014

2950 2900 2850 2800

Absorbance / Wavenumber (cm-1)

C18N 15’

C16N 15’

C12N 60’

C16N 60’

C18N 60’

C12N 15’

C10N 15’

C10N 60’

as(CH3)

~2918

s(CH3)

~2848

as(CH2)

~2960

s(CH2)

~2870

0

20E-05

40E-05

60E-05

80E-05

.001

.0012

.0014

2950 2900 2850 2800

Absorbance / Wavenumber (cm-1)

C18N 15’

C16N 15’

C12N 15’

C10N 15’

Page 58: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Ideális és nem ideális SAM képődés

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 59: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SAM rétegben a molekulák visszahajlásának lehetősége

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 60: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A SAM lehetséges alkalmazásai

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

A) Biolerakódás gátlás B) SAM specifikus receptor kötőhelyek C) Natív sejtszaporodás, megfigyelés D) Molekuláris elektronika E) Mikroberendezések F) Elválasztás

Page 61: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Önszerveződött makromolekuláris szerveződések szilárd hordozón

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 62: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Poliionok elektrosztatikus önszerveződése

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Alkalmalzási lehetőségek

•Bioszenzorok

•Szelektív membránok

•Katalitikus filmek

•Bevonatok

Page 63: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SAM:Elektrosztatikus önszerveződés nanorészecskéken

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 64: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Szénnanocsőből kialakított szenzor

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 65: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Önszerveződött diblock polimerek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

TEM felvételek: polisztirol-

polibutadién

diblockpolimerekből készült

maszk (a,c) és litográfiával

módosított szilicium nitrid

(b,d).

Page 66: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Önszerveződött makromolekulák

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Önszerveződött, dupla

rozettás

szupermolekulaszerkezet

barbituráttal és melaminnal

kölcsönhatva

Page 67: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

SAM réteg változása fény hatására

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 68: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Hidrolízises reakció foszfolipid SAM-ot tartalmazó szilika részecskén

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 69: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Reakció önszerveződött rétegen

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 70: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

STM felvétel SAM-ról működés közben

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

STM képek: (a) diacil 2,6-diaminopiridin (DAP)

dekántiol kapcsolóval, dekántiol

monomonorétegben. (b)a komplementer elektroaktív

Fc-uracil kapcsolása után (c) az electroaktív guest

molekula helyettesítve izoláló dodecil funkcionalizált

uracillal.

Page 71: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Tiol-linkerrel Au NP-hez kötött foszfolipid monoréteg

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

O

O

O

OOC

PO

N

O

C

CONH

O

CH2 CH2SH

O

O

O

OOC

PO

N

O

C

CONH

O

CH2 CH2SH

O

O

O

OOC

PO

N

O

C

CONH

O

CH2 CH2SH

O

O

O

OOC

PO

N

O

C

CONH

O

CH2 CH2SH

AuGlass

Page 72: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Fotolitográfiával módosított felszínek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Au nanorészecskék (3-

merkaptopropil)trimetoxi

szilán monoréteggel

módisított SiO2-vel borított Si-

on (SEM)

3-rétegű

nanorészecskékkel

borított felszín

fotoátalakítás után (AFM

kép;80 mm x 80 mm)

Page 73: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Nanorétegek, szilárd felszínek, molekulák

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Page 74: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.

Önszerveződött csövek, gömbök peptidekből, hidrofil-hidrofób molekulák kölcsönhatásával

Page 75: Mikro- és nanorétegek készítése és jellemzése · „Dipp-coating”, „spin-coating” Langmuir-Blodgett film Önszerveződött molekuláris rétegek

A nanorétegek termikus stabilitása

Anyagtudományi Szeminárium 2014. 04. 14.