Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 30
Текст из файла (страница 30)
В этом плане особоевнимание уделяется созданию и применению взаимодополняющих высокоразрешающих методов практической диагностики и характеризации наноструктур, обеспечивающих получение наиболее полной информации обосновных физических, физико-химических и геометрических параметрахнаноструктур и протекающих в них процессов.В настоящее время существует огромное количество методов диагностики, еще больше методик исследования физических и физикохимических параметров и характеристик твердотельных и молекулярныхструктур. Вместе с тем, получение наноструктур, низкоразмерных систем,а также новых наноматериалов с заданными свойствами, которые могутприменятся в современной технике, ставит и новые диагностические задачи. Для решения современных задач диагностики наноструктур требуется адаптация к этим задачам традиционных методов (оборудования), атакже развитие новых, прежде всего локальных (до масштабов 0,1 нм) методов исследования и анализа свойств и процессов, присущих объектамнанометровой геометрии и системам пониженной размерности.Методы нанодиагностики должны быть по возможности неразрушающими и давать информацию не только о структурных свойствах нанообъектов, но и об их электронных свойствах с атомным разрешением.Для разработки нанотехнологий решающим оказывается также возможность контролировать атомные и электронные процессы с высоким временным разрешением, в идеале до времени, которое равно или меньшепериода атомных колебаний (до 10–13 секунд и менее).
Необходимо такжеисследование электронных, оптических, магнитных, механических и иныхсвойств нанообъектов на «наноскопическом» уровне.С учетом специфики наноматериалов, можно выделить ряд методовструктурного и химического анализа – электронная микроскопия, дифракционный, спектральные методы. Ниже представлено краткое описаниеуказанных методов.1397.1 Методы структурного и химического анализа нанообъектовЭлектронная микроскопия.
Методы микроскопии служат для получения информации о наноструктуре материалов, позволяют определятьразмеры частиц, из которых состоят материалы, наблюдать границы разделов, таким образом исследовать структуру различных веществ и материалов. Принципы действия сильно разняться для разных микроскопов.Они включают прохождение электронов через образец (просвечивающаяэлектронная микроскопия), отражение электронов от образца (отражающая электронная микроскопия, микроскопия медленных электронов, сканирующая электронная микроскопия) и отражение ионов (полевая ионнаямикроскопия); сканирование поверхности электронным пучком (сканирующая электронная микроскопия) или зондирующей иглой (сканирующая электронная микроскопия, силовая атомная микроскопия). Большинство методов микроскопии, используемых для анализа материалов, обеспечивают разрешение нанометрового масштаба, а полевая ионная микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия и атомная силовая микроскопия позволяют получать микроскопические изображения с атомнымразрешением.Просвечивающая электронная микроскопия дает возможность получить в одном эксперименте изображения с высоким разрешением и микродифракционные картины одного и того же участка образца.
Современные просвечивающие электронные микроскопы обеспечивают разрешениедо 0,1 нм и размер участка, с которого снимается микродифракционнаякартина, – до 50 нм. По полученному изображению можно судить остроении материала, а по дифракционной картине – о типе кристаллической решетки. Этим методом можно проводить и микродифракционныйанализ.
В зависимости от состава материала в зоне изучения получаютдиаграммы в виде точек (монокристаллы или поликристаллы с зерномбольше зоны исследования), сплошные или состоящие из отдельных рефлексов (очень мелкие кристаллики в зернах или несколько малых зерен). Спомощью микродифракционного анализа можно также определять ориентировки кристаллов и разориентировки зерен и субзерен. В качестве примера на рис. 7.1 приведен электронно-микроскопический снимок профилячастиц кобальта на подложке из Al2O3 [3].Просвечивающие электронные микроскопы с очень узким лучом позволяют по спектру энергетических потерь электронов, прошедших черезизучаемый объект, проводить локальный химический анализ материала, втом числе анализ на легкие элементы (бор, углерод, кислород, азот).140Ионно-полевая микроскопия. Другая техника, дающая разрешение,приближающееся к межатомным расстояниям, – это ионно-полевая микроскопия. В ионно-полевом микроскопе на металлическую иглу с острымкончиком, находящуюся в камере с высоким вакуумом, подается положительный потенциал.
При этом электрическое поле и его градиент вблизиострия весьма велики, так что остаточные молекулы газа при приближении к нему ионизируются, передавая электроны игле, а сами заряжаютсяположительно.Рис. 7.1. Электронно-микроскопический снимок изменения профиля частиц Сона подложке Al2О3: а – выше граничной температуры Тg; б – ниже граничнойтемпературы ТgЭти газообразные катионы отталкиваются иглой и летят от нее вдольлиний электростатического поля на расположенную вблизи фотопластинку, на которой при соударениях создаются засвеченные точки. Каждаяточка на пластинке соответствует атому на кончике зонда, так что распределение точек на фотопластинке представляет собой сильно увеличенноеизображение распределения атомов на вершине иглы.Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).
Эффективным способом получения изображения поверхности образца является сканирование поверхности электронным пучком с образованием растра аналогичнотому, как электронная пушка сканирует экран в телевизоре.Информация о поверхности может быть получена и с помощью сканирующего твердотельного зонда, траектория которого проходит по отдельным областям поверхности, которые представляют интерес.Сканирование может также выполняться зондом, измеряющим ток,который создается электронами, туннелирующими между поверхностьюобразца и кончиком зонда, или зондом, измеряющим силу взаимодействиямежду поверхностью и кончиком иглы.
Основное применение сканирующей электронной микроскопии связано с визуализацией топографии икарты распределения элементов на поверхности.На рис. 7.2 приведены полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии микротопографии поверхности пленки Au, осажденной на поверхность TiO2 (110) и отожженной при 500о С.141Сканирующая туннельная микроскопия.
Сканирующий туннельныймикроскоп в качестве зонда использует иглу с исключительно тонкимкончиком. Этот кончик подключают к положительному полюсу источника напряжения и приближают к изучаемой поверхности на расстояние порядка 1 нм. Электроны, принадлежащие конкретным атомам на поверхности образца, притягиваются положительно заряженным кончиком и перепрыгивают (туннелируют) на него, образуя тем самым слабый электрический ток.Рис. 7.2. Изображения пленок Au толщиной 120 Å, полученных сканирующейэлектронной микроскопией: а – при нормальном падении пучка;б – под углом 45° [9]Ограничениями метода сканирующей туннельной микроскопии являются обязательность электропроводности материала исследуемого образца и необходимость высокого или сверхвысокого вакуума и низкихтемператур (до 50 – 100 К) для получения высоких разрешений. В то жевремя для разрешения в диапазоне порядка 1 нм эти требования необязательны.
На рис 7.3 в качестве примера приведена фотография квазигексагональной реконструированной поверхности Pt (100), взятой из работы [8]. Элементарная ячейка суперструктуры содержит более 30 атомов внаправлении [01 1 ] и шесть атомов в направлении [011].142Рис. 7.3. СТМ изображение квазигексагональнойреконструированной поверхности Pt (100) [9]Атомно-силовая микроскопия.
В этом методе регистрируют изменение силы взаимодействия кончика зонда (иглы) с исследуемой поверхностью. Игла располагается на конце консольной балки с известной жесткостью, способной изгибаться под действием небольших сил, возникающихмежду поверхностью образца и вершиной острия. Эти силы в ряде вариантов метода могут быть ван-дер-ваальсовскими (молекулярными), электростатическими или магнитными. Балка с иглой носит название кантилевера.
Деформация кантилевера измеряется по отклонению лазерного луча,падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в материале кантилевера при изгибе [9].Фундаментальное различие между сканирующим туннельным иатомно-силовым микроскопом состоит в том, что первый измеряет туннельный ток между зондом и поверхностью, а второй – силу взаимодействия между ними.
Атомно-силовой микроскоп так же, как и сканирующийтуннельный микроскоп, имеет два режима работы. Атомно-силовой микроскоп может работать в контактном режиме с поверхностью, при котором основную роль играют силы отталкивания электронных оболочекатомов зонда и поверхности и в «бесконтактном» режиме, когда зонд находится на большем расстоянии и доминируют силы Ван-дер-Ваальса.Как и в случае сканирующего туннельного микроскопа используется пьезоэлектрический сканнер.
Вертикальное перемещение зонда в процессесканирования может контролироваться по изменению интерференционной картины, создаваемой пучком света, направляемым по оптоволокну.На рис. 7.4 в качестве примера приведены изображения морфологии поверхности ионно-плазменного покрытия Ti-Аl-N, полученного с помощьюатомного силового микроскопа. Радиус острия ~ 10 нм. Измерения проводили на воздухе.Рис. 7.4. Топография поверхности покрытия на основе Ti-Аl-N, полученнаяметодом АСМ: а) Uсм = 100 В; б) Uсм = 200 В [10]143Очевидное преимущество атомно-силовой микроскопии – это то, чтоона применима для исследования любых типов поверхностей: проводящих, полупроводниковых, и диэлектрических.
Современные приборы позволяют измерять усилия трения иглы, снимать карту упругости изучаемых участков материала, проводить испытания на износостойкость методом царапанья. При использовании полупроводниковых алмазных игл повеличине изменения емкости определяется емкость поверхности образца,проводимость приповерхностного слоя, концентрация примесей. Разрешение по плоскости (координаты x и y) составляет порядка 1 нм, а по высоте (координата z) – до 0,1 нм. Узким местом метода является стойкостьматериала иглы. Однако для большинства исследуемых материалов твердости алмазной или фуллеритовой иглы вполне достаточно. Все три описанных сканирующих микроскопа предоставляют информацию о топографии и дефектах структуры поверхности с разрешением, близким катомному.Рентгеноструктурный анализ. Этот метод позволяет проводитькачественный фазовый анализ, определять параметры решетки, атомные смещения, вычислять размеры областей когерентного рассеивания (ОКР), величину микроискажений с высокой точностью [5].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
