Нанотехнологии и наноматериалы

Skanerli zond tadqiqot usullari

Ushbu usullar guruhi nanomateriallar va nanotexnologiyalar sohasida eng ko'p qo'llaniladi. Ushbu guruhning barcha usullarining asosiy g'oyasi zonddan foydalanish - o'rganilayotgan material yuzasidan ma'lumotni o'qish uchun qurilma. Ko'pgina hollarda, uchi radiusi taxminan 10 nm bo'lgan olmos uchi probning ishchi muhiti sifatida ishlatiladi. Yuqori aniqlikdagi joylashishni aniqlash (skanerlash) mexanizmidan foydalanib, prob uchta koordinatada namuna yuzasi bo'ylab harakatlanadi. Odatda zond harakatining bir qatori mavjud: nisbatan past aniqlik va yuqori tezlik bilan qo'pol harakat.
va 0,1-1 nm gacha bo'lgan etarlicha past tezlik va yuqori joylashishni aniqlash aniqligi bilan aniq harakat. Qoida tariqasida, joylashishni aniqlashning yuqori aniqligi balandlik bilan ta'minlanadi. Probdan kelgan signal kompyuter tomonidan qayta ishlanadi va uch o'lchamli tasvirga aylanadi. Olingan signallarni qayta ishlash, ularni filtrlash va tuzatish uchun maxsus dasturiy paketlar qo'llaniladi. Zondli mikroskoplarning narxi va o'lchamlari, qoida tariqasida, elektron mikroskoplarga qaraganda ancha past va imkoniyatlarni solishtirish mumkin. Bundan tashqari, prob mikroskopining bir qator variantlari uchun vakuumning mavjudligi talab qilinmaydi, tadqiqot materiallari juda xilma-xil bo'lishi mumkin, shu jumladan izolyatorlar, yarim o'tkazgichlar va biologik ob'ektlar.


Skanerli tunnel mikroskopiyasi (STM)
Bu usulda prob sifatida elektr o'tkazuvchan uchi qo'llaniladi (7.5-rasm). Prob va namuna o'rtasida 01-10 V tartibli elektr kuchlanish hosil bo'ladi.Bo'shliqda taxminan 1-10 nA tunnel oqimi paydo bo'ladi, bu materialning o'rganilayotgan yuzasida atomlarning xususiyatlari va konfiguratsiyasiga bog'liq. . Ushbu oqim asboblar tomonidan qayd etiladi. Ushbu usul tunnellash deb ataladi, chunki oqim tunnel effekti, ya'ni klassik mexanika tomonidan taqiqlangan hudud orqali elektronning kvant o'tishi natijasida paydo bo'ladi. Bu maydon igna uchi va o'rganilayotgan material yuzasining eng yaqin nuqtasi orasidagi 2-10 Å bo'shliqdir. Tunnel elektronlarning energiyasi taxminan 1 eV ni tashkil qiladi [4]. Zamonaviy qurilmalarda teskari aloqani instrumental amalga oshirish tufayli tunnel oqimining qiymati doimiy ravishda saqlanadigan rejim amalga oshiriladi, bo'shliqning o'lchamini o'zgartirish (probni Z o'qi bo'ylab harakatlantirish orqali). Eng qulay sharoitlarda tunnel mikroskopini skanerlash usuli tekislikda (x va y koordinatalari) 1 Å gacha, balandlikda (koordinata z) esa 0,01 Å gacha bo'lgan ruxsatni ta'minlaydi [4]. Ushbu usulni yangilash va to'ldirish uchun ko'plab variantlar mavjud. Shunday qilib, skanerlash tunnel spektroskopiyasi sirtning turli nuqtalarida oqim kuchlanish xususiyatlarini tahlil qilish yoki turli kuchlanishdagi sirt tasvirlarini olishga asoslangan. Birinchi holda, tunnel oqimining ikkinchi hosilasi qiymatidan atom turini aniqlash uchun foydalanish mumkin. Ushbu usulni yangilash va to'ldirish uchun ko'plab variantlar mavjud. Shunday qilib, skanerlash tunnel spektroskopiyasi sirtning turli nuqtalarida oqim kuchlanish xususiyatlarini tahlil qilish yoki turli kuchlanishdagi sirt tasvirlarini olishga asoslangan. Birinchi holda, tunnel oqimining ikkinchi hosilasi qiymatidan atom turini aniqlash uchun foydalanish mumkin. Ushbu usulni yangilash va to'ldirish uchun ko'plab variantlar mavjud. Shunday qilib, skanerlash tunnel spektroskopiyasi sirtning turli nuqtalarida oqim kuchlanish xususiyatlarini tahlil qilish yoki turli kuchlanishdagi sirt tasvirlarini olishga asoslangan. Birinchi holda, tunnel oqimining ikkinchi hosilasi qiymatidan atom turini aniqlash uchun foydalanish mumkin.



Guruch. 7.5. Skanerli tunnel mikroskopining ish sxemasi: 1- zond, 2- o‘rganilayotgan namuna, u  bo‘shlig‘idagi tunnel oqimi, EF Fermi darajasi, U – zond va namuna o‘rtasida qo‘llaniladigan kuchlanish, W - energiya, e - elektron zaryad, Z - balandlikdagi koordinata o'qi [4].
igna to'xtadi, ikkinchi holda - yarimo'tkazgichlar va supero'tkazgichlar uchun tarmoqli strukturasi parametrlarini aniqlash uchun [4].
Skanerli tunnel mikroskopiya usulining cheklovlari namunaviy materialning majburiy elektr o'tkazuvchanligi va yuqori aniqliklarni olish uchun yuqori yoki o'ta yuqori vakuum va past haroratlarga (50-100 K gacha) ehtiyojdir. Shu bilan birga, bu talablar taxminan 1 nm diapazonidagi o'lchamlari uchun zarur emas.


Atom kuch mikroskopi (AFM)
Bu usulda prob uchining (igna) tekshirilayotgan sirt bilan o'zaro ta'sir kuchining o'zgarishi qayd etiladi. Igna namunaning yuzasi va nuqta cho'qqisi o'rtasida paydo bo'ladigan kichik kuchlar ta'sirida egilishga qodir bo'lgan ma'lum qattiqlikdagi konsol nurining oxirida joylashgan (7.6-rasm). Usulning bir qator variantlarida bu kuchlar bo'lishi mumkin
Van der Waals (molekulyar), elektrostatik yoki magnit. Ignali nurga konsol deyiladi. Deformatsiya

Guruch. 7.6. Atom kuch mikroskopiya usulining ikkita rejimi sxemalari: a) kontakt rejimi, b) kvazi-kontakt rejimi [4]: ​​1- lazer, 2- uchi, 3- konsolning burilish yoki tebranishlarini o'lchash tizimi, 4 - uchiga ta'sir qiluvchi kuchlarni qayd qilish tizimi.
Konsol uning orqa yuzasiga tushgan lazer nurining egilishi yoki egilish paytida konsol materialida yuzaga keladigan piezorezistiv effekt yordamida o'lchanadi [4].
Atom kuch mikroskopiya usuli variantining ikkita rejimi mavjud. Kontakt holatida igna uchi (olmos, fullerit yoki qattiqlashtiruvchi qoplamali kremniy) ish rejimida tekshirilayotgan sirt bilan doimiy aloqada bo'ladi. Ushbu rejimni amalga oshirishning soddaligi bilan bir kamchilik ham mavjud - o'rganilayotgan materialga yoki ignaga zarar etkazish ehtimoli. “Kvazi-kontakt” yoki “kontaktsiz” rejimda konsolning tabiiy tebranishlarining parametrlari o'lchanadi (rezonans chastotalari, tebranishlarni yumshatish, ta'sir qiluvchi kuch va siljish o'rtasidagi faza almashinuvi). Konsol ignasi bu holda namuna yuzasidan ma'lum masofada (10-500 Å) joylashgan va u bilan nisbatan uzoq masofali Van der Vaals kuchlari yordamida o'zaro ta'sir qiladi [4].
Bir qator zamonaviy qurilmalarda ignaning ishqalanish kuchlarini o'lchash, materialning o'rganilayotgan maydonlarining elastiklik xaritalarini, elektr impedanslarini olish, skretch usulida nanoqattiqlik sinovlarini o'tkazish va yarimo'tkazgichli olmos ignalarini ishlatganda - namuna sirtining sig'imi, sirtga yaqin qatlamning o'tkazuvchanligi, sig'imning o'zgarishi kattaligi bo'yicha aralashmalar kontsentratsiyasini aniqlash.
tekislik (x va y koordinatalari) taxminan 1 nm, balandlikda (koordinata z) - 0,1 nm gacha. Usulning to'siqlari igna materialining chidamliligidir. Biroq, o'rganilayotgan materiallarning aksariyati uchun olmos yoki fullerit ignasining qattiqligi juda etarli.


Magnit kuch zond mikroskopiyasi (MFM)
Bu usul aslida avvalgisiga nisbatan o'zgarishdir. Farqi shundaki, konsol igna uchi magnit materialdan yasalgan yoki igna ferromagnit qoplamaga ega. Bunday holda, konsol namunaning magnit tuzilishiga sezgir bo'ladi. Ushbu usulning ruxsati hali ham 10-50 nm [4]. Magnit kuch zond mikroskopiyasidan foydalanish, ayniqsa, ferromagnitlarning yupqa plyonkalarini, masalan, elektronika maqsadlarida ishlashda istiqbolli.


Yaqin optik skanerlash mikroskopiyasi (SNOM)
Bu usul, ba'zan yaqin maydon optik mikroskopiyasi deb ham ataladi, zond sifatida yorug'lik to'lqin o'tkazgichdan (shisha tolali) foydalaniladi, u uchida o'rganilayotgan namunaga qaragan holda torayib ketadi (7.7-rasm). Bunday holda, tolalar uchining minimal diametri

Guruch. 7.7. Yaqin optik zonaning mikroskopini skanerlash usulining sxematik diagrammasi: 1 - to'lqin o'tkazgich, 2 - fotodetektor, 3 - ochiq yorug'lik maydoni

to'lqin o'tkazgichning oxiri (diametri yorug'lik nurlanishining to'lqin uzunligidan kichikroq) [4].

yorug'lik nurlanishining to'lqin uzunligidan kamroq bo'lishi kerak. Bunday sharoitda yorug'lik to'lqini to'lqin o'tkazgichni uzoq masofaga qoldirmaydi, faqat uning uchidan biroz "tashqariga qaraydi" [4]. To'lqin o'tkazgichning boshqa uchida lazer va to'lqin o'tkazgichning erkin uchidan aks ettirilgan yorug'likning sezgir fotodetektori mavjud. Tekshirilayotgan sirt va zondning uchi orasidagi kichik masofani hisobga olgan holda, sirtning uch o'lchamli tasvirini yaratish uchun ishlatiladigan signal aks ettirilgan yorug'lik to'lqinining amplitudasi va fazasidir. Usul aniqlikka erishishga imkon beradi

10 nm. Nanotexnologiyadan foydalangan holda so'nggi avlodning bir qator qurilmalarida atom kuch mikroskopining igna uchiga lazer va fotodetektor o'rnatila boshlandi, bu ikkala usulning imkoniyatlarini birlashtirishga imkon beradi [4].

7.