Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Еслина рентгенограмме проявляются фазы, структуру которых этими методамиопределить невозможно, то можно идентифицировать каждую фазу сравнением углов дифракции Θ (или межплоскостных расстояний dHKL) с данными для тех фаз, которые ожидаются в образце (согласно результатамэлементного анализа и фазовых диаграммам). Для этого можно использовать справочные таблицы межплоскостных расстояний и относительнойинтенсивности линий, а также компьютерную базу данных PCDFWIN.Основная часть картотеки (таблицы) содержит спектр значений межплоскостных расстояний и интенсивностей, упорядоченный по убыванию величины d.
В ней указаны три значения d для плоскостей, дающих сильныерефлексы (последовательность записи соответствует убыванию интенсивности отражений), а также четвертое значение, соответствующее самомубольшему межплоскостному расстоянию, наблюдаемому в данном веществе. Кроме того, в карточке указываются: название, химическая формула вещества, параметры элементарной ячейки, кристаллическая система, пространственная группа и некоторые физические характеристики. КартотекаASTM содержит более 25 тыс. эталонных спектров, и ежегодно к ней добавляются 1500 – 2000 эталонов.Дифракционный метод позволяет вычислить размер зерен, усредненный по исследуемому объему вещества, тогда как электронная микроскопия является локальным методом и определяет размер объектовтолько в ограниченном поле наблюдения.
Для определения величиныОКР применяют различные методы – метод аппроксимации, которыйлишь приблизительно может оценить истинное дифракционное ушире144ние; метод Стокса позволяющий выделить кривую дифракционного уширения без каких-либо предположений в виде функции, описывающейпрофиль линии; метод гармонического анализа. Методом гармонического анализа можно определять размер блоков до 10 – 15 нм и микроискажения, превышающие 4·10–4.На рис. 7.5 в качестве примера приведены рентгенограммы металлического никеля с размером зерна ~ 2 – 10 мкм и компактированногонанокристаллического никеля с размером зерна ~ 20 нм, взятые из работы [8]. Переход в наносостояния Ni приводит к существенному уширению дифракционных линий.Рис.
7.5. Сравнение рентгенограмм крупнозернистого и компактированногонанокристаллического никеля [8]В общем случае рентгеновская дифракция не является методом, который может предоставить информацию о структуре поверхности, так какрассеяние от поверхности на пять порядков величины слабее рассеяния вобъеме. В связи с чем данные о структуре поверхности можно получитьпри скользящем падении рентгеновского излучения, когда угол паденияравен или меньше критического угла для полного внутреннего отражения.Спектральные методы исследования. Для исследования поверхности твердых тел обычно применяют спектральные методы, основанные наанализе энергетических спектров отраженных излучений, возникающихпри облучении изучаемого материала электронами.
Таких методов в настоящее время известно несколько десятков. Однако не все из этих методов имеют преимущественное или особенное применение в области исследования наноматериалов. Так, например, широко известный методрентгеноспектрального микроанализа имеет, при количественном анализе,диаметр анализируемого участка на образце не больше 1 – 2 мкм, а методрентгеновской фотоэлектронной спектроскопии – 2 – 10 мкм. В связи с145этим ниже будет рассмотрен ряд методов, которые с одной стороны посвоим возможностям представляют интерес именно для изучения наноматериалов, а с другой – являются наиболее иллюстративными и достаточношироко используемыми.Метод вторичной ионной масспектрометрии (ВИМС).
Этот методявляется одним из физических методов исследования поверхности. Он позволяет получить количественное распределение примеси по глубине вповерхностных слоях различных материалов. Анализ образца проводитсяв условиях высокого вакуума. Поверхность образца бомбардируется пучком первичных ионов с энергией 0,1 – 100 кэВ.
Сталкиваясь с поверхностью, первичные ионы выбивают вторичные частицы, часть из которых(обычно 5 %) покидают поверхность в ионизированном состоянии. Этиионы фокусируются и попадают в масс-анализатор, где разделяются в соответствии с отношением их массы и заряда. Далее ионы попадают на детектор, который фиксирует интенсивность тока вторичных ионов и передает информацию на компьютер.
На рис. 7.6, в качестве примера, приведен спектp масс высокотемпературного сверхпроводящего материала –YВa2Cu3O7.Рис. 7.6. Спектр вторичных ионных кластеров высокотемпературного сверхпроводника YВa2Cu3O7 (энергия первичных ионов О+2 составляла 4 кэВ) [13]Диапазон интенсивностей пиков на этом спектре типичен дляВИМС-спектров, снимаемых на сегодняшний день – они перекрываютоколо пяти порядков величины.
Немногие методы имеют столь широкийдинамический диапазон, являющийся одним из преимуществ методаВИМС наряду с его высокой чувствительностью. Присутствие молеку146лярных ионов среди распыленных с поверхности вещества делает этот метод особенно ценным при исследовании молекулярных поверхностей имолекулярных адсорбатов, лежащих на поверхностях, так как спектрВИМС будет иметь характерную форму, которую можно связать с определенным сортом молекул, если использовать эталоны.Электронная оже-спектроскопии. Метод ЭОС является одним изнаиболее распространенных спектроскопических методов анализа химического состава поверхности.
Оже-спектроскопия позволяет анализировать состав нескольких приповерхностных слоев образца. Толщина слоя,состав которого определяется методом ЭОС, соответствует среднейдлине свободного пробега (глубина выхода) оже-электронов. Глубинаменяется от ~ 0,5 нм (при энергии 50 эВ) до ~ 2 нм (при энергии ожеэлектронов 500 эВ). Таким образом, та часть спектра, которая находится внизкоэнергетической области, является наиболее удобной для обнаружения частиц на поверхности. Минимальная площадь анализа ограниченадиаметром электронного пятна и составляет 0,01 – 0,1 мм.
Чувствительность оже-метода зависит от элемента, который нужно обнаружить. Напрактике характеристические пики можно обнаружить, если относительная поверхностная концентрация атомов составляет 0,1 – 1 %. Применение растровой методики позволяет проводить двумерный анализ поверхности, а в сочетании с ионным распылением – трехмерный анализ приповерхностных слоев материала.Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда.
Резерфордовскоеобратное рассеяние (РОР) является одним из наиболее часто используемых методов количественного анализа элементного анализа поверхностных слоев. Он применяется для анализа очень широкого круга материалови может служить эталонным для других методов анализа. Наиболее точные результаты метод РОР дает при анализе элементов, масса атома которых больше, чем масса атома матрицы.Метод обратного рассеяния Резерфорда основан на облучении поверхности образца пучком ионов с энергией от 1 до 3 МэВ (обычно используются ионы Не+ или Н+).
Диаметр пучка, как правило, составляет от10 мкм до 1 мм. Спектр РОР представляет собой график: по оси абсцисс –номер энергетического канала (ni), в который попадает рассеянный ион сопределенной энергией, а по оси ординат – количество ионов (Нi), попавших в канал ni. В зависимости от типа анализатора (полупроводникового,магнитного и т. д.) можно получить различные характеристики обратнорассеянных частиц.
Выход обратного рассеяния от поверхности проявляетсебя в качестве поверхностного пика. Анализ интенсивности поверхностного пика дает информацию о структуре поверхности. В качестве примерана рис. 7.7 приведен спектр РОР ионов гелия от пленки Al-Ni на молибденовой подложке. Этот спектр является одним из основных типов спектров147РОР, встречающийся в экспериментах по применению метода резерфордовского обратного рассеяния.Рис. 7.7.
Спектр РОР от системы пленка Al-Ni на молибденовой подложке [13]С помощью этого метода проводить качественный элементный анализ образца, состав исследуемой поверхности, количественный элементный анализ, определять толщину слоя пленки, покрытия, распределениеэлементов по глубине (т. е.
построение концентрационных профилей).Дальнейшее развитие всевозможных методов диагностики (в частности, диагностики, встроенной в технологию), учитывающих спецификунанообъектов и их характерные размеры, является неотъемлемой частьюразвития высоких технологий получения и анализа свойств наноструктурнового поколения.7.2. Механические испытания твердых тел на нанотвердостьСтруктура и свойства поверхности определяют многие служебные свойства изделий. Развитие и применение высоких технологий инженерии поверхности для модификации поверхностных слоев позволяетформировать пленки и покрытия, в том числе наноразмерные, которыеобладают уникальным сочетанием свойств, принципиальноотличающимся от свойств материалов, обработанной традиционными методами.
Внедрение нанотехнологий в современной электронике требует измерения физических, механических и трибологических свойств применяемых материалов на субмикронном и нанометровом уровне. В последнее время для определения механических характеристик – твердости имодуля упругости поверхностных слоев используется метод непрерывногоиндентирования при малых нагрузках, который получил название наноиндентирования поскольку нагружения индентора проходит на глубину отнескольких десятков до сотен нанометров. Методы наноиндентирования и148микроиндентирования позволяют изучать микромеханическое поведениеи структурную чувствительность механических свойств на малых образцах, тонких пленках, покрытиях [14 – 16]. На рис. 7.8 приведена блоксхема наноиндометра.
Наноиндометры в основном оснащаются алмазныминдентором Берковича, заточенным в форме трехгранной пирамиды.С помощью компьютерной программы задают параметры испытаний– нагрузку, скорость нагружения, время выдержки, скорость разгружения.абРис. 7.8. Блок-схема устройства наноиндентометра (a) и атомно-силовогомикроскопа (б): 1– силовая ячейка; 2 – датчик регистрации перемещенияподвижного штока с индентором (3); 4 – пружины подвески штока; 5 – корпусизмерительной головки; 6 – блок контроллера; 7– компьютер; 8 – образец;9 – предметный столик; 10 – зонд; 11 – пьезоэлектрический актуатор;12–консольная микро-балка (квантилевер); 13 – четырехоконныйфотоприемник (регистратор перемещений зонда); 14 – лазер [15]Прибор содержат узел нагружения 1 и прецизионный датчик 2 длярегистрации перемещения индентора 3 на мягких пружинах 4, конструктивно объединенные в одну измерительную головку 5, контроллерныйблок 6 и компьютер 7 с пакетом программ для управления всеми рабочими циклами прибора, сбора, обработки и хранения данных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
