Тема 12. Методы исследования наноматериалов 341

12.1. Введение 341

12.2. Методы исследования химического состава поверхности 341

12.2.1. Масс-спектроскопия 341

12.2.2. Оже-электронная спектроскопия 347

12.2.3. Ионная масс-спектроскопия 349

12.2.4. Фотоэлектронная спектроскопия 353

12.2.5. Радиоспектроскопия 355

12.3. Исследования физической структуры поверхности 357

12.3.1. Рентгеноструктурный анализ 357

12.3.2. Рентгеновская спектроскопия и дифракция 362

12.3.2.1. Рассеяние на аморфных и частично упорядоченных объектах. Малоугловое рентгеновское рассеяние 366

12.3.2.2. Рентгеновская спектроскопия поглощения:

EXAFS, XANS, NEXAFS 367

12.3.3. Анализ поверхности электронным пучком 370

12.3.4. Полевая эмиссионная микроскопия 374

12.3.5. Сканирующая зондовая микроскопия 376

12.3.5.1. Сканирующая туннельная микроскопия 376

12.3.5.2. Атомно-силовая микроскопия 383

12.3.6. Магнито – силовая микроскопия 387

12.3.7. Электронная микроскопия 389

12.3.8. Эллипсометрия 392

12.4. Спектроскопия 398

12.4.1. Инфракрасная и рамоновская спектроскопия 398

12.4.2. Фотоэмиссия и рентгеновская спектроскопия 402

12.5. Методы исследования кинетических свойств объема и

поверхности наноматериалов и наноструктур 407

12.5.1. Исследование удельного сопротивления 407

12.5.2. Диагностика поверхностных состояний 409

12.5.3. Кинетические параметры 411

Вопросы для повторения 413

Резюме по теме 414

Литература 414

Тема 1. Введение. Твердое тело. Силы взаимодействия. Типы связи.

Цели и задачи изучения темы:

Целью изучения данной темы является ознакомление с терминами «нанотехнология», «наноматериалы», «нанонаука» и др. В этой же теме рассматривается возникновение и строение твердого тела, силы взаимо-действия и типы связей.

1.1. Введение

Развитие современной промышленности и науки тесно связанно с нанотехнологией. Термины «нанонаука», «нанотехнология», «наноматериа-лы», «наноэлектроника» и др появились на стыке физики, химии, мате-риаловедения, биологии, электронной и компьютерной техники. Приставка «нано» означает одна миллиардная часть; 1 нанометр (нм) = 10^-9 м. Для сравнения толщина человеческого волоса 50 000 нм, клетка бактерии несколько сотен нанометров, а поставленные в ряд 10 атомов водорода соста-вят 1 нм. К объектам нанотехнологии относятся как индивидуальные части-цы, пленки, стержни или трубки (т. е. трех-, двух- и одномерные образования, а также нульмерные объекты – квантовые точки), так и их совокупность наноструктурные и нанопористые материалы вместе с нанокомпонентами и наноустройствами. Нижний предел размеров объектов нанотехнологии опре-деляется размером атомов и молекул, а верхний предел четко не определен. В некоторых литературных источниках можно встретить утверждения, что наноразмерные объекты имеют величину приблизительно от долей нанометра до 100 нм. Некоторая нечеткость формулировок связана с тем, что в настоя-щее время идет бурное формирование этой области знания.

Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейман в 1959 году в своей лекции под названием “Внизу полным полно места” предсказывал огромные перспективы которые сулит изготовление материалов и устройств на атомно-молекулярном уровне. Он подчеркивал, что для работы в этой области необходима специальная измерительная аппаратура и специальное обору-дование. Такая аппаратура появилась в1980 годы (сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы и другие устройства и приборы). Прогресс в вычислительной технике позволил моделировать и рассчитывать параметры наноматериалов. Были сформулированы принципы самоорганизации вещест-ва и “самосборки”. Реально все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Строение природных материалов на молекулярном уровне определяет их свойства. Нанотехнология предполагает целенаправленное регулирование свойств на молекулярном уровне. Наноматериалы должны создаваться “снизу вверх”. До этого основным принципом в электронике и технике была миниатюризация “сверху вниз” (мелкие объекты создаются из крупных путем уменьшения масштаба). В настоящее время только формиру-ется понимание принципов конструирования наноматериалов и наноуст-ройств. Однако определенные успехи в различных областях науки и техники

и технологии были достигнуты. Идет успешное исследование применения нанообъектов в микроэлектронике и вычислительной технике. Было обнару-жено, что наночастицы могут избирательно проникать в раковые клетки, а углеродные нанотрубки на порядок прочнее стали (при удельном весе в шесть раз меньше) и т.д.

Свойства нановеществ и материалов связаны с тем что в их основе лежат нанообъекты размеры которых 10^-9 – 10^-7м, что сопоставимо с размерами атомов и молекул. В этих условиях существенным является влияние квантовомеханических эффектов, проявление волновой природы процессов переноса, возрастающей роли границ раздела. В наномире свойства материалов и устройств очень сильно зависят от их размеров. Например наноразмерный провод не обязательно должен подчиняться закону Ома. Закон Ома связывает силу тока, сопротивление и напряжение, но он не выполняется если провод имеет ширину в один атом и электроны вынуждены проходить по нему по одному друг за другом.

Можно сказать, что постепенно оформляются нанонаука – занима-ющаяся фундаментальными исследованиями наноматериалов и эффектов в них, нанотехнология – область знания посвященная способам создания нано-структур, наноинженерия – занимающаяся применением наноустройств.

Следует однако понимать и трезво оценивать значение, возможности и роль нанотехнологии в современном мире. Нанотехнология это не панацея от всех бед. Следует рассматривать ее как один из методов создания новых материалов, приборов и устройств, правда весьма эффективный. Эффективность этого метода в полной мере проявляется в сочетании и может быть реализована только при высоком уровне традиционных технологий (они гармонично, взаимно дополняют друг друга). Методы нанотехнологии применялись специалистами в различных областях материаловедения и микроэлектроники уже давно. Так, например, при помощи золь-гельных методов получали нанопорошки (в том числе и высоко температурных сверхпроводников (ВТСП)). Работы по молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых наноструктур (тонкопленочных гетероструктур) были практически одновременно начаты в СССР, Японии и США в начале 1970-х гг. Можно привести множество других примеров.

Поток информации, посвященный нанотехнологии, в настоящее время велик и постоянно растет, что происходит во многом благодаря тому, что нанотехнология и нанонаука являются междисциплинарными областями, в которых работают специалисты по технологии, медицине, физике, химии, биологии, экологии и т. д.

Широкий интерес к нанотехнологии в последнее время обусловлен надеждами получить устройства и материалы с принципиально новыми свойствами превосходящими современный уровень.