Нанотехнологии и наноматериалы

NANOMATERIALLARNI O'RGANISHNING ASOSIY USULLARI

Nanomateryallarni o'rganish uchun, qoida tariqasida, oddiy kristalli materiallarni o'rganish bilan bir xil usullardan foydalanish mumkin. Shu bilan birga, nanomateriallar o'ziga xos xususiyatga ega bo'lib, u usullarni aniqlashga qo'shimcha talablarni qo'yishdan iborat, ya'ni o'lchamlari 100-200 nm dan kam bo'lgan namunalar yuzasi maydonlarini tekshirish qobiliyati. Shunday qilib, strukturaviy va kimyoviy tahlilning bir qancha usullarini ajratib ko'rsatish mumkin, ulardan foydalanish nanomateriallarning o'ziga xos xususiyatlarini hisobga olish imkonini beradi. Ushbu usullarning asosiylari quyida keltirilgan.

1. Elektron mikroskopiya.

Yorug'lik mikroskoplari bilan solishtirganda, qisqa to'lqin uzunligiga ega bo'lgan elektron nurdan foydalanish piksellar sonini sezilarli darajada oshirishi mumkin.
Hozirgi vaqtda elektron mikroskoplarning bir nechta konstruktsiyalari qo'llaniladi: uzatish, skanerlash (skanerlash), emissiya va aks ettirish. Elektron mikroskopiyani uzatish va skanerlash usullari nanomateriallarni o'rganishda eng katta qo'llanilishini topdi.


Shaffof elektron mikroskop.
Transmissiya elektron mikroskopiyasi bitta tajribada bir xil namuna maydonining yuqori aniqlikdagi tasvirlari va mikrodiffraktsiya naqshlarini olish imkonini beradi. Zamonaviy transmissiya elektron mikroskoplari 0,1 nm gacha bo'lgan ruxsatni va mikrodiffraktsiya namunasi olinadigan maydonning o'lchamini - 50 nm gacha beradi. Shu munosabat bilan ba'zan "yuqori aniqlikdagi transmissiya elektron mikroskopiyasi" atamasi qo'llaniladi [8]. Olingan tasvirdan materialning tuzilishini va diffraktsiya naqshidan kristall panjaraning turini aniqlash mumkin.
Transmissiya elektron mikroskopining sxematik diagrammasi rasmda ko'rsatilgan. 7.1. U elektron qurol va elektromagnit linzalar tizimidan iborat bo'lib, vertikal joylashgan ustunga o'ralgan bo'lib, unda 10-2-10-3 Pa vakuum saqlanadi [128-130]. Mikroskopning yoritish tizimi elektron tabanca va ikki linzali kondensatorni o'z ichiga oladi. Elektron qurol katoddan (W yoki LaB6 ning isitiladigan filamenti) elektronlar chiqaradigan, fokuslash elektrodlari (ularga kattaroq salbiy potentsial qo'llaniladi) va teshikli plastinka shaklidagi anoddan iborat. Katod va anod o'rtasida tezlashtiruvchi kuchlanishli kuchli elektr maydoni hosil bo'ladi (zamonaviy mikroskoplarda 500-3500 kV). Tezlik ortishi bilan to'lqin uzunligi kamayadi ( = h / mv,  = h (2meU) -1/2) va elektron massasi o'zgaradi. BILAN
to'lqin uzunligini kamaytirish transmissiya elektron mikroskopining optik tizimining ruxsatini oshiradi. Tezlashtiruvchi kuchlanishning oshishi ham elektronlarning kirib borish kuchining oshishiga olib keladi. 1000 va undan ortiq kV kuchlanishli mikroskoplar qalinligi 5-10 mikrongacha bo'lgan namunalarni o'rganish imkonini beradi. Anod teshigidan o'tib, elektron nur kondensatorlar va tekislash tuzatuvchisiga kiradi, bu erda o'rganilayotgan namunadagi elektron nurning yakuniy nishoni amalga oshiriladi. Ob'ektdan o'tgandan so'ng, elektronlar tarqaladi. Ularni fokuslash va ekrandagi asosiy tasvirni olish ob'ektiv tizimi (ob'ektiv, oraliq va boshqalar) yordamida amalga oshiriladi. Diafragma diafragma namunadan o'tgan barcha elektronlarni tanlash imkonini beradi, faqat kuchli tarqalgan elektronlarni yoki

Guruch. 7.1. Transmissiya elektron mikroskopining sxematik diagrammasi [128,129]: 1-katodli, 2-fokusli elektrod, 3- anod, 4- birinchi kondensator, 5- birinchi kondensatorning diafragmasi, 6- ikkinchi kondensator, 7- ikkinchi kondensatorning diafragmasi, 8- ikkinchi kondensatorning stigmatori, 9- rostlagich korrektori, 10- o'rganish ob'ekti. , 11- obyektlar uchun stol, 12- obyektiv linzalar, 13- diafragma, 14- ob’ektiv stigmator, 15- sektor diafragma, 16- oraliq linzalar stigmator, 17- oraliq ob'ektiv, o'n sakkiz - diafragma dalalar ko'rish, 19 proyeksiya linzalari, kuzatish uchun 20-ekran.

tarqoq yoki zaif tarqoq elektronlar. Birinchi holda, hosil bo'lgan tasvirda, ko'proq tarqalish qobiliyatiga ega bo'lgan namunaning joylariga mos keladigan joylar (qorong'u maydon tasviri) engilroq ko'rinadi, ikkinchisida esa aksincha (yorqin maydon tasviri). Ilgari chiqarilgan mikroskoplarda tasvirni fiksatsiya qilish fotografik plyonka yoki fotografik plastinkalarda amalga oshirildi. Zamonaviy mikroskoplar raqamli foto va kino kameralaridan foydalanadi. Elektromagnit linzalarning magnit maydonining simmetriyasidagi og'ishlar va qutb bo'laklarining geometrik shaklini buzish natijasida kelib chiqadigan astigmatizm fenomenini kamaytirish uchun. Mikrodifraksion tadqiqotlar uchun mikroskop harakatlanuvchi selektor diafragmani o'z ichiga oladi, bu holda diafragma diafragma o'rnini bosadi.
Transmissiya elektron mikroskopining uch turi mavjud: to'g'ridan-to'g'ri, yarim to'g'ridan-to'g'ri va bilvosita.
To'g'ridan-to'g'ri usul elektronlar uchun shaffof yoki yarim shaffof nozik metall plyonka (folga) bo'lgan ob'ektning tuzilishi haqida eng to'liq ma'lumot beradi. Odatda, plyonkalar quyma namunalarni yupqalash orqali tayyorlanadi. Yupqalash jarayonining oxirgi bosqichlarida ko'pincha elektrokimyoviy polishing texnologiyasi qo'llaniladi. Ba'zi hollarda plyonkalar suvda eruvchan substratlarga (NaCl, KCl) jismoniy vakuumda cho'ktirish orqali ham olinadi. Ushbu usul yordamida olib borilgan tadqiqotlarda alohida dislokatsiyalar va ularning klasterlarini farqlash mumkin. Ba'zan mikroskoplar maxsus qo'shimchalar bilan jihozlangan. Misol uchun, mikroskop ustunidagi folga cho'zish imkonini beruvchi qo'shimchadan foydalanganda, deformatsiyadan keyin dislokatsiya tuzilishining evolyutsiyasini bevosita kuzatish mumkin. Ushbu usulni tekshirishda mikrodifraksion tahlil ham amalga oshirilishi mumkin. O'rganilayotgan hududdagi materialning tarkibiga qarab, diagrammalar nuqtalar shaklida (yagona kristallar yoki donasi o'rganilayotgan hududdan kattaroq bo'lgan polikristallar), qattiq yoki individual ko'zgulardan iborat (donlardagi juda kichik kristallar yoki bir nechta kichik kristallar) olinadi. donalar). Ushbu diagrammalarni hisoblash rentgen nurlari Debyegrammalarini hisoblashga o'xshaydi. Mikrodiffraktsiya tahlili, shuningdek, kristall yo'nalishlari va donalar va pastki donlarning noto'g'ri yo'nalishini aniqlashi mumkin. Juda tor nurli transmissiya elektron mikroskoplari o'rganilayotgan ob'ektdan o'tadigan elektronlarning energiya yo'qotish spektriga ko'ra materialning mahalliy kimyoviy tahlilini, shu jumladan yorug'lik elementlarini (bor, uglerod, kislorod, azot) tahlilini o'tkazishga imkon beradi. . qattiq yoki individual ko'zgulardan iborat (donlardagi juda kichik kristallar yoki bir nechta mayda donalar). Ushbu diagrammalarni hisoblash rentgen nurlari Debyegrammalarini hisoblashga o'xshaydi. Mikrodiffraktsiya tahlili, shuningdek, kristall yo'nalishlari va donalar va pastki donlarning noto'g'ri yo'nalishini aniqlashi mumkin. Juda tor nurli transmissiya elektron mikroskoplari o'rganilayotgan ob'ektdan o'tadigan elektronlarning energiya yo'qotish spektriga ko'ra materialning mahalliy kimyoviy tahlilini, shu jumladan yorug'lik elementlarini (bor, uglerod, kislorod, azot) tahlilini o'tkazishga imkon beradi. . qattiq yoki individual ko'zgulardan iborat (donlardagi juda kichik kristallar yoki bir nechta mayda donalar). Ushbu diagrammalarni hisoblash rentgen nurlari Debyegrammalarini hisoblashga o'xshaydi. Mikrodiffraktsiya tahlili, shuningdek, kristall yo'nalishlari va donalar va pastki donlarning noto'g'ri yo'nalishini aniqlashi mumkin. Juda tor nurli transmissiya elektron mikroskoplari o'rganilayotgan ob'ektdan o'tadigan elektronlarning energiya yo'qotish spektriga ko'ra materialning mahalliy kimyoviy tahlilini, shu jumladan yorug'lik elementlarini (bor, uglerod, kislorod, azot) tahlilini o'tkazishga imkon beradi. .
Bilvosita usul materialning o'zini emas, balki namuna yuzasidan olingan yupqa nusxalarni o'rganish bilan bog'liq. Metodologiya nuqtai nazaridan, bu eng oddiy, chunki plyonkalarni ishlab chiqarish murakkab va juda uzoq jarayondir. Replikatsiya qilish ancha oson. U vakuumda uglerod, kvarts, titan yoki boshqa moddalar plyonkasini namuna yuzasiga purkash orqali amalga oshiriladi.
keyin namunadan ajratib oling yoki sirtni oksidlash natijasida olingan oson ajraladigan oksidli plyonkalardan foydalaning (masalan, mis uchun). Suyuq shaklda yupqa bo'lak yuzasiga qo'llaniladigan polimer yoki lak plyonkalari ko'rinishidagi replikalardan foydalanish yanada istiqbolli hisoblanadi. Bilvosita usul qimmat yuqori voltli mikroskoplarni talab qilmaydi. Biroq, bilvosita usul aniqlik jihatidan to'g'ridan-to'g'ri usuldan sezilarli darajada past. Ruxsat replikatsiyaning aniqligi bilan chegaralanadi va eng yaxshi holatda bir necha nm ga etadi (uglerod nusxalari). Bundan tashqari, replikaning o'zini ishlab chiqarish jarayonida turli xil buzilishlar va artefaktlar paydo bo'lishi mumkin. Shuning uchun bugungi kunda bu usul kamdan-kam qo'llaniladi. Uning ko'pgina muammolari, shu jumladan fraktografiya, hozirda elektron mikroskopni skanerlash usullari bilan hal qilinadi.
Ba'zan geterofazali qotishmalarni o'rganishda yarim to'g'ridan-to'g'ri usul qo'llaniladi. Bunda asosiy faza (matritsa) replikalar (bilvosita usul) yordamida, matritsadan replikaga olingan zarralar esa bevosita usulda, jumladan, oʻrganiladi. va mikrodiffraktsiyadan foydalanish. Ushbu usulda nusxa ajratishdan oldin kichik kvadratlarga kesiladi, so'ngra namuna matritsa materialining erishi va boshqa fazalarning zarrachalarining saqlanishini ta'minlaydigan rejimga muvofiq o'yib tashlanadi. Etching replika plyonkasi taglikdan to'liq ajratilmaguncha amalga oshiriladi. Usul, ayniqsa, kichik hajmli ulushli matritsadagi nozik dispers fazalarni o'rganish uchun qulaydir. Replikaning o'z tuzilishiga ega emasligi zarrachalardan diffraktsiya qonuniyatlarini o'rganish imkonini beradi. To'g'ridan-to'g'ri usul bilan bunday rasmlarni matritsa uchun rasmdan aniqlash va ajratish juda qiyin.


Skanerli elektron mikroskopiya (SEM)
Skanerli elektron mikroskopda aniq fokuslangan (5-10 nm) elektron nur bilan uning sirtini skanerlash orqali oʻrganilayotgan obʼyektning tasviri hosil boʻladi. Ushbu nur ko'pincha elektron prob deb ataladi. Probning diametri 5-1000 nm [128-130] bo'lishi mumkin. Elektronlar o'rganilayotgan materialning yuzasi bilan o'zaro ta'sirlashganda, turli tabiatdagi nurlanish paydo bo'lishiga olib keladigan bir qator murakkab jarayonlar sodir bo'ladi (7.2-rasm). Bu emissiyalarni turli asboblar va sensorlar yordamida qayd etish mumkin. Yuzaki naqsh hosil qilish uchun aks ettirilgan elektronlar va ikkilamchi elektronlar ishlatiladi. Ular tomonidan yaratilgan signallar, ularni ro'yxatdan o'tkazgandan so'ng, qurilmalar tomonidan kuchaytiriladi va keyin katod-nurli trubkadagi tasvirning yorqinligini modulyatsiya qilish uchun ishlatiladi, ularning supurilishi elektron zondning siljishi bilan sinxronlashtiriladi. Shunday qilib, namuna yuzasidagi har bir nuqta o'rtasida katod-nurli trubaning ekranidagi nuqta belgilanadi. Nuqta tasvirining yorqinligi o'rganilayotgan sirtdagi mos keladigan nuqtadan signal intensivligiga proportsionaldir.
Aks ettirilgan elektronlardan signaldan foydalanganda, ma'lumot qalinligi 1-2 mkm va diametri ancha katta bo'lgan qatlamdan olinadi.
elektron nurning tushish maydoni. Yuzaki tasvir unchalik yuqori bo'lmagan aniqlikda olinadi, lekin u kuchli qora va oq kontrastga ega. Ushbu rejim metallografik yupqa kesimlardagi strukturani o'rganishda foydali bo'lishi mumkin.
Ikkilamchi elektronlardan kelgan signaldan foydalanganda, eng yuqori aniqlikka erishiladi, chunki ikkilamchi elektronlar qalinligi taxminan 1 nm qatlamda paydo bo'ladi va ularning paydo bo'lish zonasi elektron nurlarining tushishi atrofidagi maydon bilan cheklangan. Tasvirning kontrasti aks ettirilgan elektronlarni ishlatishdan bir oz pastroq, ammo u stereometrik xususiyatga ega.
Elektron mikroskopni skanerlashning muhim afzalligi yuqori aniqlikdagi (10 nm gacha va lantan geksaborididan tayyorlangan maxsus katodlardan foydalanganda - 5 nm gacha) fokusning katta chuqurligi (10 nv o'lchamda, u 1 mkm). Bu qo'pol namunalarning yuqori sifatli sirtini o'rganish imkonini beradi. Bir qator qurilmalarda katod o'rniga dala emissiya qurollari qo'llaniladi, bu juda tor elektron nurlarni olish va cheklovchi ruxsatni 0,5 nm ga etkazish imkonini beradi. Shuni ta'kidlash kerakki, qo'pol namunalarning cheklovchi o'lchamlari silliq bo'lganlarga qaraganda ancha past bo'ladi. SEM usulining kamchiliklari faqat o'tkazuvchan materiallarni o'rganish qobiliyatidir. Izolyatorlarni o'rganish uchun odatda ularning yuzasiga uglerod kabi elektr o'tkazuvchan moddaning yupqa plyonkasi püskürtülür.
Skanerli elektron mikroskopning sxematik diagrammasi rasmda ko'rsatilgan. 7.3. Katod tomonidan chiqarilgan elektronlar tezlashtirilgan va

Guruch. 7.2. Elektron nurning modda bilan o'zaro ta'siridan kelib chiqadigan effektlar [128,129]: 1- elektron nur, 2- o'rganilayotgan namuna, 3- aks ettirilgan. elektronlar, 4- ikkilamchi elektronlar, 5- so'rilgan elektronlardan oqim, 6- katodolyuminesans, 7- rentgen nurlanishi, 8- elektronlar, 9- induksiyalangan oqim, 10- elektron namunadan o'tdi.

Guruch. 7.3. Prinsipli skanerlovchi elektron mikroskop diagrammasi
[128,129]: 1- katod, 2- Venelt tsilindri, 3- anod, 4,10 - cheklovchi
diafragma, 5.6- kondensatsiya linzalar, 7- og'ish rulonlar, sakkiz -
stigmator, 9- obyektiv linza, 11- rentgen detektori, 12-
kuchaytirgich, 13- supurgi generatori, 14- o'rganilayotgan namuna, 15- ikkilamchi elektron detektor, 16- burilish bobinlariga signal etkazib berish, 17- kattalashtirishni boshqarish, 18- katod-nurli trubka.

diafragmalar, linzalar, stigmatlar va boshqalar tizimidan foydalangan holda elektron nurga (zond) hosil bo'ladi. Generatorga ulangan burilish bobinlari katod-nurli trubka bilan sinxronlashni ta'minlaydi (skanerlash) elektron zondning o'rganilayotgan maydoni bo'ylab. namuna yuzasi. Tasvir yorqinligini shakllantirish aks ettirilgan elektronlar, ikkilamchi elektronlar va rentgen nurlanishining detektorlari signallari bo'yicha amalga oshiriladi. Kattalashtirishni nazorat qilish (20 dan 10000 gacha) nisbatni o'zgartirish orqali maxsus qurilma tomonidan amalga oshiriladi.

nurning amplitudalari ekran ustida, elektron prob esa namuna ustida o'tadi.
Materialni elektronlar bilan nurlantirganda, SEMda rentgen nurlanishi paydo bo'lganligi sababli, rentgen-spektral mikrotahlil (rentgen mikroanaliz) usuli ham keng qo'llaniladi. Shuning uchun, deyarli barcha rastrlar uchun elektron mikroskoplar nazarda tutilgan konstruktiv ushbu usullarning kombinatsiyasi. Rentgen nurlanishining tarkibiy qismlarining to'lqin uzunliklari spektrlarini va rentgen nurlari kvantlarining energiyalarini qayd qilish mumkin. Bu yuqori sezgirlikni ta'minlaydi (o'ndan - mingdan bir) yetdi foiz) sifat va miqdoriy tahlil o'rganilayotgan material yuzasining kimyoviy tarkibi, shu jumladan alohida tanlangan nuqtada. RSMA ning fazoviy o'lchamlari 200-500 nm gacha va namunalar sirtini tayyorlash sifatiga kuchli bog'liq.

2.