ДзКолчин2003 (Домашнее задание)

Московский Энергетический Институт

(Технический Университет)

Домашнее задание на тему:

«Методы исследования наноматериалов и наночастиц(нанопорошков)»

Выполнила студентка группыЭл-15-05:

Балдина Александра

Проверил преподаватель:

Колчин В.В.

2009

Вопрос 1. Сканирующие зондовые методы исследования и атомного дизайна. Изложить принцип, что является зондом, какая у него разрешающая способность.

Ответ:

Существует множество методов исследования нанообъектов.

1 .Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения:

• электронная микроскопия атомного разрешения;

• электронная голография;

• электронные микроскопы с коррекцией сферической абберации;

• электронная микроскопия с фильтрацией' энергии для химического анализа;

- отражательная электронная микроскопия медленных
электронов.

2. Сканирующая электронная микроскопия :

• энергетический анализ рассеянных электронов и рентгеновских лучей;

• катодолюминесценция;

• метод наведенного тока;

• электронная томография и др.

3. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия :

• проведение спектроскопического анализа;

• измерение молекулярных сил;

• проведение экспериментов при пониженных и повышенных температурах;

• манипулирование отдельными атомами.

4. Рентгенодифракционные методы анализа тонкой структуры
нанообъектов и наноструктурированных материалов, в том числе и при
использовании синхротронного излучения.

5. Электронная спектроскопия для химического анализа:

-Оже-электронная спектроскопия;

-фотоэлектронная спектроскопия;

-Рамановская и ИК-спектроскопия;

6. Методы исследования фотолюминесценции и др.

Наиболее распространенным и информативным методом является сканирующая туннельная микроскопия (первый туннельный микроскоп был изобретен Г.Биннингом и Г.Рорером в 1982г.). Сейчас известны десятки способов зондовой сканирующей микроскопии.

Постепенно зондовые методы становятся одним из ведущих средств нанотехнологии молекулярного дизайна, реализующего новую технологическую парадигму «снизу-вверх» взамен или в дополнение развивавшейся веками парадигме «сверху-вниз».

Ключевая идея зондовой микроскопии относительно проста. Общим у всех этих методов является наличие зонда и сканирующего механизма, способного перемещать его над поверхностью образца в трех измерениях. В качестве зонда чаще всего используется заостренная игла с радиусом при вершине, равным 10 нм.

Обычно сканер имеет несколько ступеней регулирования положения зонда относительно образца с различной точностью и скоростью. Грубое позиционирование осуществляют трехкоординатными моторизированными столами. Типичный диапазон перемещений по координатам X и Y составляет десятки, иногда сотни мм, по Z - 10-20 мм, а точность позиционирования ~ 0,1-1 мкм. Тонкое сканирование реализуют с помощью трехкоординатных пьезоактуаторов, позволяющих перемещать иглу или образец с точностью до долей ангстрема на десятки микрон по X и Y и на единицы мкм – по Z.

В настоящее время методы зондовой сканирующей микроскопии можно разбить(весьма условно) на три большие группы.

Сканирующая туннельная микроскопия

Как следует из названия, SТМ использует туннельный эффект - квантовый переход электрона через область, запрещенную классической механикой. В туннельном микроскопе этой областью является зазор между кончиком иглы и ближайшей точкой на поверхности образца. В рабочих режимах SТМ величина зазора δ составляет единицы А (обычно 2-10 А), так что даже на воздухе при атмосферном давлении его в первом приближении можно считать вакуумированным.

При использовании этого метода между электропроводящим острием и образцом приложено небольшое напряжение (0,01 - 10 В) и регистрируется туннельный ток в зазоре, зависящий от свойств и конфигурации атомов на исследуемой поверхности образца.

Рис.2.Принцип действия сканирующего туннельного зондового микроскопа

1-зонд; 2- образец; I^t - туннельный ток в зазоре δ; Е_f - уровень Ферми; U - напряжение, приложенное к зазору (0,01-10 В); W - энергия; e - заряд электрона; Z - ось, перпендикулярная к поверхности образца

Поскольку в основе принципа действия SТМ лежит измерение туннельного тока между иголкой и поверхностью образца, образец должен быть обязательно проводящим (хотя бы на уровне полупроводникового кристалла). Это, конечно, ограничивает область применения SТМ.

Следует также заметить, что истинно атомное разрешение в SТМ достигается лишь при низких температурах (несколько десятков К) и высоком или ультравысоком вакууме. Тепловой шум, адсорбирование влаги, втягивание молекул воздуха в туннельный промежуток и другие эффекты существенно понижают разрешение при работе в обычных условиях, но и в этом случае можно легко добиться нанометрового раз­решения

Атомно-силовая микроскопия

Несмотря на то, что сканирующая зондовая микроскопия (SТМ) имеет несколько большую историю, чем атомно-силовая микроскопия (АFМ), которая была изобретена все тем же Г. Биннингом с соавторами в 1986 году, последняя явно теснит первую вследствие большей универсальности, гибкости, возможности применения на любых материалах (включая биологические), а не только на проводящих. В любой из многочисленных модификаций АFМ используются силы той или иной природы, возникающие между кончиком зонда и локальной областью на поверх­ности образца. Это могут быть молекулярные (Ван дер Ваальсовы) силы, электростатические или магнитные.

В отличие от SТМ зонд в АFМ установлен на одном из концов миниатюрной консольной балки - кантилевере, другой конец которого закреплен на пьезоманипуляторе. Жесткость кантилевера известна, так что, регистрируя его прогиб, можно измерить силу, с которой поверхность образца действует на зонд. Деформацию кантилевера измеряют обычно фотоприемником, на который падает свет лазера, отраженный от тыльной (нерабочей) поверхности кантилевера или пьезодатчиком.

При этом методе регистрируют вариации силы взаимодействия кончика иглы с исследуемой поверхностью от точки к точке . Игла рас­положена на конце консольной балочки (кантилевера) с известной же­сткостью, способной изгибаться пол действием небольших Ван дер Ваальсовых сил, возникающих между исследуемой поверхностью и вершиной острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере при изгибе.

Рис.3.Принципы атомно-силовой микроскопии

Рис.4.Контактная(а) и квазиконтактная(б) моды

Критичным местом для АFМ является материал и геометрия кончика иглы, определяющие ее стойкость и пространственное разрешение метода. Эквива­лентный радиус закругления современных игл из алмаза или кремния, покрытого алмазной пленкой, имеет типичное значение 10-30 нм, что в благоприятных условиях достаточно для достижения атомного разрешения. Однако в процессах модифицирования поверхности или АFМ-литографии стойкость иглы пока является серьезной проблемой.

Ближнепольная оптическая микроскопия

Зондом в этом случае является оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света . В этих условиях световая волна не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка «вываливается» из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и фотоприемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности. В последнее время лазер и фотоприемники стали формировать на самом кончике зонда методами нанотехнологии.

Рис.5.Ближняя оптическая микроскопия

1-волновод, сужающийся к нижнему концу; 2 - фотоприемник; 3 - световое поле открытого конца волновода с диаметром меньше длины волны света

Рис.6.Схема комбинированного зонда

1 - острие; 2-4 напыленные гетерослои, образующие лазер, фотоприемник, термопару и т.д.

Методы оптического сканирования могут быть самыми деликатными и не повреждающими исследуемую поверхность, но ввиду присущих им ограничений (самое сильное из которых - недостаточно высокое пространственное разрешение, как правило, не лучше 10 нм) они не получили такого распространения как STM и AFM.

В лучших модификациях зондовой сканирующей микроскопии(STM) и атомно-силовой микроскопии (AFM) относительно легко достигается атомное разрешение, за которое пучковая электронная микроскопия боролась более полвека и сейчас достигает его в крайне редких случаях

Электронный пучок также является зондом. Электронный пучок можно использовать не только для получения кристаллографической информации о поверхности наночастицы, но и для создания изображения поверхности. Такую роль он играет в электронном микроскопе. В просвечивающем электронном микроскопе электроны из некоторого источника, например, электронной пушки, попадают на образец, рассеиваются при прохождении сквозь него, фокусируются объективной линзой, проходят через увеличительную линзу и, наконец, создают искомое изображение.

Вопрос 2. Методы и приборы для исследования размеров зерен и их распределения в нанокристаллическом образце.

Ответ:

Гистограмму распределения размеров зерен нанокристаллического образца можно получить из результатов просвечивающей электронной микроскопии(TEM). Огибающая такую гистограмму линия обычно аппроксимируется логарифмически-нормальной кривой.

Размер зерен можно также определить из результатов рентгеновского дифракционного сканирования. Ширина брэгговских пиков на угловой зависимости амплитуды(зависимость интенсивности в отн.ед. ат от 2θ в градусах) содержит информацию о среднем размере зерна в образце TiN.

Так как ширина пиков определяется не только размером зерна, но и внутренними напряжениями, инструментальным уширением линий и др., то для корректного извлечении из рентгеноструктурных данных размеров зерен необходимо учесть инструментальное уширение и вычесть вклад внутренних напряжений.

Разные способы коррекции данных о ширине линий дают величину среднего размера зерна между 10 и 12 нм, что несколько больше, чем результат, представленный на гистограмме распределения размеров зерен, полученный путем просвечивающей электронной микроскопии. Таким образом, рентгеновская дифракция позволяет оценить средний размер зерна, но для определения действительного распределения размеров зерен необходим электронный микроскоп.

Выше обсуждалась методика определения размеров зерна поликристаллического материала с помощью рентгеновской дифракции. Эти зерна могут иметь размер от типичных для наночастиц до много больших частиц микронных масштабов. Тесно связанных в поликристаллический материал.

Теперь рассмотрим случай, когда зерна или наночастицы находятся в некоем субстрате, так что расстояния между ними больше их характерных размеров. Полезно знать, как можно измерять размеры или диапазоны размеров таких диспергированных частиц.

Самый прямой способ определения размеров микронных частиц — это по­смотреть на них в микроскоп. Для наночастиц эту функцию выполняет просве­чивающий электронный микроскоп. В просвечивающем электронном микроскопе электроны из некоторого источника, например, электронной пушки, попадают на образец, рассеиваются при прохождении сквозь него, фокусируются объективной линзой, проходят через увеличительную линзу и, наконец, создают искомое изображение.