31 Методы исследования наноразмерных частиц. Общая характеристика

Изучение наноструктур и наноматериалов базируется на основных фундаментальных и прикладных науках, а также на исследовательских методиках, иерархия которых представлена на рисунке 1:

Рис. 1 Принципиальный базис нанотехнологии

Основой базиса являются такие фундаментальные науки как физика, химия и биология. На стыках этих наук находятся смешанные (интегративные) направления: квантовая теория, описывающая способы поведения и взаимодействия наноструктур в нанометровом диапазоне; физическое материаловедение, с помощью которого изучаются свойства наноматериалов; физика и химия вероятностей, поскольку законы поведения материи имеют вероятностный, а не детерминированный характер;химический синтез, биохимия и молекулярная биология, которые описывают наноструктуры биологического происхождения и химические процессы синтеза наноструктур и процессы, протекающие в самих наноструктурах.

Современная методология исследования предполагает наличие моделей (компьютерных) исследуемых структур, а также методов получения информации о свойствах и структуре моделируемых объектов .

Для определения нанообъекта существует положение о том, что размеры этого объекта хотя бы в одном из пространственных направлений должны составлять приблизительно 0,1..100 нм – такие объекты называют малоразмерными.

Основные методы исследования: Электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, магнитно-силовая микроскопия, атомно-силовая и полевая электронная микроскопии, а также масс-спектроскопия.

32 Электронная микроскопия. Растровая электронная микроскопия

Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10⁶ раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями 200 эВ — 400 кэВ и более. Действие электронного микроскопа (рис.) основано на использовании направленного потока электронов, который выполняет роль светового луча в световом микроскопе, а роль линз играют магниты (магнитные линзы). Вследствие того, что различные участки исследуемого объекта по-разному задерживают электроны, на экране электронного микроскопа получается черно-белое изображение изучаемого объекта. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000—10000 раз превосходит разрешение традиционного светового микроскопа и для лучших современных приборов может быть меньше одного ангстрема. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля.

Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственнымразрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым объектом.

Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 3-10 крат (то есть эквивалентно увеличению сильной ручной линзы) до 1 000 000 крат, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучшихоптических микроскопов.

Принцип работы В результате взаимодействия между электронным зондом и образцом генерируются низкоэнергетичные вторичные электроны, которые собираются детектором вторичных электронов. Интенсивность электрического сигнала детектора зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом, сканируя электронным пучком поверхность объекта, возможно получить карту рельефа проанализированной зоны. Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, и фокусируется электронными линзами (обычно электромагнитными, иногда электростатическими). Сканирующие катушки отклоняют зонд в двух взаимоперпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом, подобно сканированию электронным пучком экрана электронно-лучевой трубки телевизора. Источник электронов, электронные линзы (обычно тороидальные магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной.