Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Авторы планируют посвятитьэтим методам отдельную книгу. Подчеркнем, что каждый из описываемых в книге методов не дает исчерпывающей информации онанообъектах или поверхности, и лишь использование комбинацииметодов может служить основой для экспериментаторов и разработчиков нанотехнологий для проведения работ в контролируемыхусловиях с контролируемым образцом.Существуют и принципиальные трудности работы с нанообъектами. Сегодня, например, нет надежного метода контроля атомногосостава с разрешением по плоскости лучше 10 нм.
С другой стороны, наночастицы и наноструктурированные тела в силу содержаниямалого количества частиц являются объектами, для которых открытвопрос об их статистических свойствах, в частности, о самоусреднении. Более того, наночастицы, получаются, как правило, в сильнонеравновесных условиях, что приводит к флуктуации их геомет-11рии, структуры, количества дефектов, атомного и химического состояния и электронных свойств. В связи с этим можно отметить,что вопрос о наборе методик для метрологического обеспечениянанотехнологий является открытым и должен решаться отдельно вкаждом конкретном случае.При написании книги авторы полагали, что читатель знаком скурсами общей физики, квантовой механики, статистической физики, теории поля, электродинамики, физической кинетики, физикитвердого тела, введение в технику физического эксперимента, обязательных для изучения студентов и аспирантов, обучающихся поспециальностям «Физика кинетических явлений», «Физика конденсированного состояния» и «Физика плазмы».
Осознавая, что у некоторых читателей могут возникнуть трудности с пониманием физико-математических моделей, использованных при описании экспериментальных методов, в книге приведены также и простые объяснения сложных физических явлений. Авторы отдают себе отчет,что книга далеко не охватывает всех направлений применения изложенных в ней методов исследования. Набор приведенных примеров отражает лишь научные интересы авторов и, несомненно, ограничен.Настоящее пособие подготовлено на основе материалов лекцийпо курсам «Физические методы исследования поверхности твердого тела», «Физические основы исследования наноструктур и поверхности твердого тела», читаемых профессором Трояном В.И. идоцентом Пушкиным М.А.
на кафедре молекулярной физикиМИФИ, а также по материалам работ, опубликованных в зарубежной и отечественной литературе и трудах научных конференций.Исходным материалом для написания книги послужили конспекты лекций профессора В.И. Трояна, расширенные и значительно дополненные доцентом М.А. Пушкиным, который и подготовилначальный вариант текста с описанием физических основ всех описанных в книге методов исследования наноструктур и поверхноститвердого тела. Этот вариант был переработан ими при участии В.Д.Бормана и В.Н. Тронина.
По материалам опубликованных работвсеми автрами были добавлены параграфы 2.8, 3.11, 4.8, 5.5, 6.5, вкоторых приведены примеры применения описанных в книге методов. Предисловие к книге написано В.Д. Борманом.12Коллектив авторов благодарен А.П. Менушенкову за обсуждение содержания книги и критические замечания. Авторы благодарны также П.В. Борисюку за помощь при подготовке рукописи.13Глава 1.
Введение1.1. Классификация методов исследованиянаноструктур и поверхности твердого телаФизические методы, наиболее часто используемые в настоящеевремя для исследования наноструктур и поверхности твердого тела, представлены в табл. 1.1. В основу данной таблицы положенагруппировка методов по способу внешнего воздействия на исследуемый объект и по типу регистрируемого ответного сигнала. Внизу таблицы дана расшифровка сокращенных названий перечисленных в ней методов.В качестве внешнего воздействия на исследуемый объект можетиспользоваться электромагнитное излучение с энергией hv, пучкиускоренных до определенной энергии электронов, ионов или нейтральных атомов, температура, электрические и магнитные поля.Сигнал, регистрируемый прибором и несущий информацию о свойствах исследуемого объекта, определяется характером его взаимодействия с выбранным воздействием и лежащими в его основе физическими явлениями.
К таким явлениям можно отнести поглощение и эмиссию электромагнитного (в частности, рентгеновского)излучения, фотоэмиссию, эмиссию оже-электронов и ионов, упругое и неупругое рассеяние электронов и ионов, дифракцию рентгеновского излучения и электронов, десорбцию атомов с поверхности, туннелирование электронов через потенциальный барьер между исследуемым объектом и зондом, а также взаимодействие (магнитное, кулоновское, ван-дер-ваальсово) зонда и локального участка поверхности исследуемого объекта.По способу регистрации ответного сигнала исследуемого объекта на внешнее воздействие физические методы исследования наноструктур и поверхности твердого тела можно разделить на спектроскопические методы, в основе которых лежит регистрация энергетического спектра поглощенного или испущенного электромагнитного излучения (РЭС, РСМА, ПТСРСП, ОСРСП), электронов(РФЭС, УФЭС, ФЭС, РОЭС, ОЭС, ИОЭС, СХПЭЭ, ИНС) или ионов (СРМИ, СРБИ, ОРР); микроскопические методы, в которых наблюдается сформированное определенным образом прямое изо-14бражение исследуемого объекта (СТМ, АСМ.
МСМ, ПЭМ, РЭМ,СОЭМ, ПИМ, полевая эмиссионная микроскопия); дифракционныеметоды, анализирующие дифракционные картины, образующиесяпри прохождении или рассеянии на образце излучения или пучкачастиц (РСА, ДМЭ, ДБЭ, ПЭМ в режиме дифракции); массспектрометрические методы, в которых регистрируется распределение испущенных частиц по массе (ВИМС, МС с бомбардировкойбыстрыми атомами, электронно-зондовая МС, ТПД, ЭСД).Следует отметить, что один и тот же источник воздействия наисследуемый оьъект может использоваться в различных методах взависимости от вида регистрируемого сигнала.
Например, при облучении образца монохроматическим рентгеновским излучениемможно регистрировать картину дифракции рентгеновского излучения на кристаллической решетке образца (метод РСА), спектр поглощения рентгеновского излучения, прошедшего через образец(методы РАС, ПТСРСП, ОСРСП), спектр испущенного образцомхарактеристического рентгеновского излучения (РСМА, РЭС),энергетический спектр испущенных образцом фотоэлектронов(РФЭС) и оже-электронов (РОЭС). Эти спектры несут информациюоб элементном и химическом составе образца, его электронной илокальной атомной структуре.Разные методы позволяют получить различную информацию обисследуемом объекте. Как правило, при анализе наноструктур иповерхности твердого тела наиболее важной является информацияоб их атомной структуре, элементном составе и электронныхсвойствах.Возможности основных методов исследования наноструктур иповерхности с точки зрения получаемой с их помощью информации проиллюстрированы в табл.
1.2. Плюсы означают, что информацию данного типа можно получить путем стандартного анализаэкспериментальных данных. Плюсы в скобках указывают, что экспериментальные данные несут информацию указанного типа, однако ее извлечение либо требует специальной методики анализаполученных данных, либо возможно только для ограниченного набора исследуемых объектов. Отметим, что объем и характер информации, получаемой с помощью того или иного метода, можетсущественно варьироваться.15Воздействие на исследуемыйобъектТаблица 1.1. Основные физические методы исследования наноструктур и поверхности, сгруппированные по типам воздействия на исследуемый объект и регистрируемого сигнала.
hv – электромагнитное излучение, е-, N± – пучки ускоренныхэлектронов и ионов, Т – температураhνе-hνРСА,РЭС, РАС,ПТСРСП 1),ОСРСП1)Регистрируемый сигнале-РСМА, ИФЭСN±ПрочееРФЭС, УФЭС,ФЭС, РОЭСОЭС, СОЭМ,ДМЭ, ДБЭ,СХПЭЭ,ПЭМ 2), РЭМN±ИНСT, поле,прочееПЭМ 3), СТМ,СТССРМИ,СРБИ, ОРР,ВИМСПИМ, ТПДАСМ,МСМРасшифровка сокращенных названий методов:РСА – рентгеноструктурный (или рентгенодифракционный) анализРЭС – рентгеновская эмиссионная спектроскопияРАС – рентгеновская абсорбционная спектроскопияПТСРСП – протяженная тонкая структура рентгеновского спектра поглощенияОСРСП – околопороговая структура рентгеновского спектра поглощенияРФЭС – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия = ЭСХА – электроннаяспектроскопия для химического анализаУФЭС – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопияФЭС – фотоэлектронная спектроскопияРОЭС – возбуждаемая рентгеновским излучением оже-электронная спектроскопияРСМА – рентгеноспектральный микроанализ (энергодисперсионный / с волновой дисперсией)ИФЭС – инверсионная фотоэмиссионная спектроскопияОЭС – оже-электронная спектроскопияСОЭМ – сканирующая оже-электронная микроскопияДМЭ – дифракция медленных электроновДБЭ – дифракция быстрых электроновСХПЭЭ – спектроскопия характеристических потерь энергии электронамиПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия1)Ввиду громоздкости русских аббревиатур в литературе обычно используют англоязычные сокращения EXAFS (ПТСРСП) и XANES (ОСРСП).2)Просвечивающая электронная микроскопия.3)Полевая эмиссионная микроскопия.16РЭМ – растровая электронная микроскопияИНС – ионно-нейтрализационная спектроскопияСРМИ – спектроскопия рассеяния медленных ионовСРБИ – спектроскопия рассеяния быстрых ионовОРР – обратное резерфордовское рассеяниеВИМС – вторично-ионная масс-спектроскопияСЗМ – сканирующая зондовая микроскопияСТМ – сканирующая туннельная микроскопияСТС – сканирующая туннельная спектроскопияАСМ – атомно-силовая микроскопияМСМ – магнитно-силовая микроскопияПЭМ – полевая эмиссионная микроскопияПИМ – полевая ионная микроскопияТПД – температурно-программируемая десорбцияТаблица 1.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
