Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf
Рис. 5. Схема установки лазерного испарения для получения
наночастиц металлов
Рис. 6. Схема установки для получения наночастиц с помощью
плазмы
2
.3.3. Термолиз
Метод основан на разложении при высокой температуре
твердых веществ, содержащих катионы металлов, молекулярные анионы, металлоорганические соединения (рис. 7 [1]).
Рис. 7. Схема установки термолиза для получения наночастиц
Например, частицы лития можно получить термолизом
азида лития: LiN3 → Li + N2. Таким методом можно получить
частицы с размерами менее 5 нм, частицы можно пассивировать, вводя в камеру соответствующий газ. Наличие наночастиц детектируется методом электронного парамагнитного резонанса электронов проводимости металлических частиц.
2.3.4. Импульсный лазерный метод
Метод позволяет получить наночастицы серебра из раствора нитрата серебра в присутствии восстановителя при воздействии импульсного лазера, с помощью которого производится локальный разогрев поверхности вращающегося диска
(рис. 8 [1]). Такой метод получения наночастиц является высокопроизводительным −
2÷3 грамма в минуту.
Рис. 8. Схема установки для получения наночастиц серебра
импульсным лазером
.3.5. Химические методы
2
Химические методы получения наночастиц относятся к
потенциально крупномасштабным способам производства, т. е.
являются перспективными.
Для получения НЧ используются различные восстановители, например, NaBEt3H, LiBEt3H, NaBH4.
MoCl3 + 3NaBEt3H → Mo +3BEt3 + (3/2)H2
При восстановлении хлорида молибдена получают наночастицы металла размером 1÷5 нм, достигается хороший вы-
ход. Можно разлагать Me2EtNAlH3 в толуоле с нагреванием в
присутствии катализатора, причем выбор катализатора определяет размеры образующихся наночастиц. Для предотвращения
слипания наночастиц в раствор могут быть добавлены ПАВ.
ГЛАВА 3.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР
Революция, происходящая в настоящее время в нанонауке, обусловлена сопутствующими достижениями в технологии.
Во-первых, появилась возможность получения все меньших и
меньших структур; во-вторых, происходит постоянное увеличение точности приготовления таких структур.
Непрерывное продвижение технологии с начала 1970-х
гг. следовало закону Мура, согласно которому количество
транзисторов на чипе динамической памяти удваивалось каждые полтора года (рис. 9 [3]).
Рис. 9. Закон Мура. Зависимость количества транзисторов
(треугольники), размера транзисторов (верхний ряд кружков) и
толщины транзисторов (нижний ряд кружков) от времени (Intel
eb site)
w
Необходимость во все большей емкости запоминающих
устройств и во все более быстром и широком распространении
информации стала экономической подоплекой этой революции.
Еще одним ключевым фактором явилось усовершенствование старых и создание новых инструментальных средств для
определения параметров наноструктур. Многие такие системы
пока весьма громоздки, дороги (стоимость около миллиона
долларов США) и часто требуют для работы на них высококвалифицированных специалистов, но развитие нанонауки и
нанотехнологии без них невозможно.
3.1. Структура наноматериалов
Для понимания свойств наноматериалов надо, прежде
всего, знать их атомарную структуру, т.е. определить типы
атомов и их пространственное расположение. Большинство
наноструктур имеет кристаллический характер, т.е. составляющие их атомы упорядочены в кристаллическую решетку.
Некоторые свойства наноматериалов зависят от их кристаллической структуры, тогда как другие – каталитическая
активность, адсорбционные характеристики – от типа открытой поверхности.
.1.1. Кристаллография
3
Для определения структуры кристалла и установления
положения атомов в решетке вещество облучают пучком рентгеновских лучей, электронов или нейтронов и измеряют углы
дифракции этого пучка. Пучок направляют на образец под
фиксированным углом, а сам кристалл вращают в большом
диапазоне углов. Каждый обнаруженный рентгеновский сигнал соответствует когерентному отражению от ряда плоскостей кристалла, для которых выполняется условие БрэггаВульфа: 2ds
Для получения полной информации о кристаллической
структуре рентгенограмма записывается при вращении образца относительно трех взаимно перпендикулярных осей. Затем
inθ = nλ (рис. 10 [1]).
полученные данные математически обрабатываются для выявления положений атомов в элементарной ячейке.
Рис. 10. Отражение рентгеновского пучка, падающего под углом θ к двум параллельным плоскостям, разделенным расстоянием d. Показана разность длины путей 2dsinθ при отражении
от этих двух плоскостей
3.1.2. Определение размеров частиц
Самый прямой способ определить размеры частиц − посмотреть на них в микроскоп (оптический метод). Другой способ – изучение рассеяния света на частицах. Рассеяние зависит
от соотношения размеров частиц (диаметр d) и длины волны
падающего света (λ), а также от его поляризации.
Для изучения наночастиц с размерами больше 2 нм используется монохроматический лазерный луч, который рассеивается на определенный угол при параллельной и перпендикулярной поляризации. Наночастицы с размерами меньше 2
нм удобно изучать с помощью масс-спектрометрии (рис. 11
1]). Наночастицы ионизируют бомбардировкой электронами,
[
испускаемыми разогретым катодом (f) в ионизационной камере (I), образующиеся частицы поступают в масс-анализатор.
Заряд наноразмерных ионов обычно известен, так что практически определяется их масса.
Рис. 11. Схема масс-спектрометра, использующего 90° магнитный масс-анализатор. А – ускоряющая пластина, или экстрактор, Е – электронная ловушка, f – нить накаливания, I – ионизационная камера, L – фокусирующие линзы, R – отражатель
частиц, S – щели. Магнитное поле перпендикулярно плоскости
рисунка
3.2. Микроскопические методы
Наиболее широко для изучения наноструктур используют
следующие виды микроскопии:
просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ);
ионно-полевую микроскопию (ИПМ);
сканирующую микроскопию.
3.2.1. Просвечивающая электронная микроскопия
Электронный пучок можно использовать для изучения
поверхности наноструктурированных материалов, создавая ее
изображение. В просвечивающем электронном микроскопе
электроны из источника (например, электронной пушки) попадают на образец, рассеиваются при прохождении сквозь него,
фокусируются объективной линзой, проходят через увеличительную линзу и, наконец, создают искомое изображение (рис.
12 [1]). Изображение формируется вследствие того, что разные
атомы рассеивают и поглощают быстрые электроны с разной
эффективностью. Можно использовать специальные приемы
обработки изображений, например, преобразование Фурье.
Рис. 12. Схема прохождения лучей в традиционной просвечивающей электронной микроскопии (путь сверху) и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (путь снизу)
3.2.2. Ионно-полевая микроскопия
В ионно-полевом микроскопе на металлическую иглу с
острым кончиком, находящуюся в камере с высоким вакуумом, подается положительный потенциал. Остаточные молекулы аза ионизируются, передавая электроны игле, газообразные катионы отталкиваются иглой и летят на пластинку, создавая изображение распределения атомов на вершине иглы.
3.2.3. Сканирующая микроскопия
Одним из эффективных способов получения изображения поверхности наноструктурированного образца является
сканирование поверхности электронным пучком с образованием растра аналогично тому, как электронная пушка сканирует
экран телевизора. Информация о поверхности может быть получена и с помощью сканирующего твердотельного зонда, траектория которого проходит по интересующим областям.
Схема сканирующего просвечивающего электронного
микроскопа показана на рис. 12.
Сканирующая туннельная микроскопия. Г. Бинниг и
Х. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)
в 1981 г., за что в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии
в области физики. Прообразом СТМ является прибор топо-
графинер, который сконструировал Р. Янг в 1965-1971 гг.
Принцип действия СТМ основан на туннельном эффекте.
В СТМ (рис. 13 [1]) система пьезокристаллов, управляемая
компьютером, обеспечивает трехкоординатное перемещение
металлического зонда на расстоянии порядка 0,1 нм от исследуемой поверхности. Между ней и зондом прикладывают напряжение около 1 В и регистрируют возникающий туннельный
ток. Компьютер управляет вертикальным перемещением зонда
так, чтобы ток поддерживался на постоянном заданном уровне,
и горизонтальными перемещениями по осям х и у, т.е. сканированием. Воспроизводимое на дисплее семейство кривых, отвечающих перемещениям зонда, является изображением эквипотенциальной поверхности, поэтому атомы изображаются в
виде полусфер различных радиусов.
Рис. 13. Сканирующий механизм туннельного микроскопа, где
1 – пьезоэлектрическое основание; 2 – три ножки основания; 3
− пьезоэлектрический сканер на треноге, удерживающий зонд,
направленный к образцу
Изображения, полученные с помощью СТМ, представлены на рис. 14.
а
Рис. 14. Атомы железа на медной подложке (а); поверхность меди (б). STM Image Gallery, IBM Corporation
Достоинствами метода сканирующей туннельной микроскопии являются: сверхвысокое разрешение (10-2 нм); размещение образца в обычной воздушной среде, в атмосфере
инертного газа и даже в жидкости.
Атомно-силовая микроскопия. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был создан Биннигом, Квейтом и Гербером в 1986
г. Фундаментальное различие между СТМ и АСМ состоит в
том, что первый измеряет силу туннельного тока между сканирующим зондом и поверхностью образца, а второй – силу
взаимодействия между ними (рис. 15 [1]).
б
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]