НЕКОТОРЫЕ МОДИФИКАЦИИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ПРИБОРНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР

Прокофьева Елена Васильевна

канд. физ.-мат. наук, доцент, Волгоградский государственный университет, г. Волгоград

Е-mail: olenyonok83@mail.ru

Прокофьева Ольга Юрьевна

преподаватель, Волгоградский политехнический колледж им. В. И. Вернадского, г. Волгоград

Саунин Владимир Сергеевич

студент 4 курса специальности «Наноматериалы», Волгоградский государственный университет, г. Волгоград

Алексеев Валерий Валерьевич

студент 4 курса специальности «Наноматериалы», Волгоградский государственный университет, г. Волгоград

Киселев Александр Юрьевич

студент 4 курса специальности «Наноматериалы», Волгоградский государственный университет, г. Волгоград

SOME OF THE MODIFICATIONS OF THE RESEARCH INSTRUMENT BASE FOR THE STUDY OF NANOSTRUCTURES

Elena Prokofyeva

Candidate of physico-mathematical Sciences, associate professor in forensic and physical materials, Volgograd State University, Volgograd

Е-mail: olenyonok83@mail.ru

Olga Prokofyeva

a lecturer of Volgograd Polytechnic College by VI Vernadsky, Volgograd

Vladimir Saunin

4th year students of speciality "Nanomaterials", Volgograd State University, Volgograd

Valera Alekseev

4th year students of speciality "Nanomaterials", Volgograd State University, Volgograd

Alexander Kiselev

4th year students of speciality "Nanomaterials", Volgograd State University, Volgograd

АННОТАЦИЯ

Предпринята попытка расширить и углубить возможности методов и средств исследования наноструктур. Определяется роль сканирующей зондовой микроскопии в сфере нанотехнологий.

ABSTRACT

An attempt to expand and deepen the capabilities and methods of nanostructures research was made. The role of scanning probe microscopy in nanotechnology is defined.

Ключевые слова: наноструктуры, углеродные нанотрубки, нанотехнологии, катализаторы, полуэмпирический расчет, сканирующая зондовая микроскопия, наноиндентирование.

Keywords: nanostructures, carbon nanotubes, nanotechnology, catalyst, semi-empirical calculation, scanning probe microscopy, nanoindentation.

Нанотехнологии открывают большой спектр возможностей в разных областях: физике, электронике, химии, биологии, и т. д. Появление наноструктур привело к созданию новых методов и средств, позволяющих изучать их свойства.

1. Калибровочные образцы для наноидентирования.

Актуальность данного исследования в том, что в свете стремительно развивающихся методик нанесения нанопокрытий на различные объекты, с целью модификации их физико-химических свойств, одним из важнейших исследуемых свойств является твердость нанообъектов, а также упругость. Для исследования механических свойств различных наноструктурированных материалов широко применяется специальный метод определения микротвердости вещества – наноиндентирование. Метод заключается в прецизионном погружении зонда в поверхность образца на глубину нескольких нм и непрерывной регистрации прилагаемого усилия. Индентирование осуществляется посредством наноиндентора (нанотвердомера). Данное оборудование предоставляет возможность посредством высоко­эффективного автоматизированного метода определить твердость и модуль упругости определенных точек поверхностных слоев [1].

В современном приборостроении существуют наноинденторы, как отдельные устройства, не являющиеся периферийными модулями атомно-силового микроскопа (АСМ). Однако, в наших исследованиях измерение механических свойств нанообъектов осуществимо только в случае использования наносклерометрического модуля АСМ SolverPro. Посредствам наносклерометрического модуля была проведена модификация и сканирование поверхности исследуемого объекта на открытом воздухе в жесткой полуконтактной методике. Отсутствие поверочной схемы для средств измерений механических свойств в наномасштабе приводит к тому, что единственным способом обеспечения прослеживаемости значений твердости из микро- в наномасштаб является использование стандартных (калибровочных) образцов (мер), аттестованных на эталоне микротвердости (по Виккерсу). В настоящее время эталонным объектом для измерения микротвердости принято считать плавленый кварц, однако нигде не конкретизируется, что этот образец является эталонным для нанообъектов (нанопленок). Установление возможных эталонов стало одной из важных проблем нашего исследования.

В результате проведенного исследования, мы выделили ряд материалов, которые могут быть использованы в качестве эталонов для наноиндентирования. Разработаны и аттестованы меры твердости, необходимые для калибровки наносклерометрического модуля АСМ SolverPro. В качестве материалов для изготовления таких мер были выбраны, например, монокристалл Al₂O₃ (сапфир, грань С), стекло, а также и другие материалы, однородные по своей структуре. Измерение твердости и модуля упругости осуществлялось методом динамического наноиндентирования. Полученные результаты полностью удовлетворяют табличным данным.

2. Выращивания углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза на возможных новых катализаторах.

Объекты нанометрового масштаба становятся все более популярными в различных областях науки и техники. Одними из таких объектов являются углеродные нанотрубки (УНТ). Нанотрубки следует рассматривать как новый материал с уникальными свойствами, открывающими большие возможности для их широкого применения. Вследствие этого очень острой становится необходимость массового производства УНТ, а также поиск доступных и экономически выгодных для их использования катализаторов [2].

Поиск новых катализаторов для роста УНТ является весьма актуальным в свете того, что исследование свойств УНТ - перспективное направление в нанотехнологии в целом, и с помощью новых катализаторов могут быть получены УНТ с уникальными физико-химическими свойствами. Существует множество методов по выращиванию УНТ, метод каталитического пиролиза один из них. Мы осуществляли рост УНТ на установке СVDomna. При работе с данной установкой используются определенные базовые катализаторы, преимущественно, никелевый золь-гель. Вследствие ограниченности набора исходных катализаторов для данной установки перед нами стояла задача расширить исходную базу катализаторов. Одним из главных критериев поиска катализаторов стали его широкая доступность для использования в массовом производстве [5]. Исследуя базы катализаторов других установок для роста нанотрубок, а также альтернативных методов роста НТ, мы подобрали некоторые новые катализаторы для установки CVDomna: никель-хромовый катализатор; пористый оксид алюминия; напитанный дихлоридом гексааммония-никеля и т. д. Катализаторы проходили стандартный технологический процесс в установке. Также, для массового роста УНТ методом каталитического пиролиза мы впервые использовали воду, как добавку к основному катализатору, были подобраны оптимальные условия роста УНТ на данной установке в присутствие воды.

Также, в подтверждение экспериментальных фактов были теоретически исследованы основные электронно-энергетические характеристики процесса внедрения в полости углеродных нанотрубок типов “arm-chair” и “zig-zag” молекулы воды. Расчеты выполнены на основе модели молекулярного кластера с использованием полуэмпирической квантово-химической схемы MNDO, хорошо зарекомендовавшей себя при исследовании электронного строения молекул и периодических твердотельных структур. Ненасыщенные связи на границе полубесконечной трубки замыкались атомами водорода – так называемая “краевая функционализация” нанотрубки. Заполнение трубки моделировалось путем пошагового приближения молекулы H₂О к тубулену вдоль его главной продольной оси (с шагом 0.1 Å) и проникновением внутрь через торец тубулена. Геометрия системы оптимизировалась. Установлено, что наличие граничных атомов H делает процесс проникновения молекулы воды в полость тубулена активным и энергетически выгодным. Молекула воды входит в полость УНТ и адсорбируется на ее внутренней поверхности.    

3. Зонды для сканирующего туннельного микроскопа

Наиболее новым и вместе с тем перспективным направлением в исследовании строения и свойств наноструктур, в том числе на атомарном уровне, является сканирующая туннельная микроскопия (СТМ). Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что позволяет СТМ занять лидирующие позиции в сфере нанотехнологий, а также стать простым и доступным в использовании [3, 4].

Нами подготовлена материальная база для создания новых зондов-СТМ, а также модифицирования существующей методики травления зондов. Зонды, которые на сегодняшний день используются в СТМ, являются дорогостоящими и труднодоступными, например, платина и вольфрам. В результате наших исследований мы подобрали новые материалы, преимущественно металлы и сплавы (железо, медь, нихром) для создания зондов-СТМ. Размеры каждой проволоки, используемой для создания зонда, составляют от 0.51 мм. В идеальном случае желательно, чтобы кончик иглы состоял из 1—2 атомов. Предполагается, что в таком случае туннелирование будет происходить на площади, равной поперечному сечению 1–3 атомов, и соответственно можно проводить исследования с атомарным разрешением [4].

Как известно, в сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких типов. Широкое распространение получили зонды, приготовленные методом электрохимического травления. Однако новые материалы для зондов, потребовали модификации самого процесса травления, в частности поиска химических реактивов под определенный сплав или металл, а также модификации имеющейся установки для травления посредствам замены некоторых составных ее элементов. Полученные зонды-СТМ на данном этапе исследования тестируются на предмет установления возможности получения с их помощью атомарного разрешения.

Список литературы:

1.Балабанов, В. И. Нанотехнологии. Наука будущего. / В. И. Балабанов. - М.: Эксмо, 2008. – 256 с.

2.Ивановский, А. Л. Квантовая химия в материаловедении. Нанотубулярные формы вещества / А. Л. Ивановский. – Екатеринбург: УрОРАН, 1999. – 176 с.

3.Маслова, Н. С. Сканирующая туннельная микроскопия атомной структуры, электронных свойств и поверхностных реакций / Н. С. Маслова, В. И. Панов // Успехи физических наук. – 1989. – Т. 157, № 1. – С. 185–195.

4.Миронов, В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / В. Л. Миронов. – Нижний Новгород: РАНИФМ, 2004. – 110 с.

5.Симунин, М. М. Анализ температурного профиля полупроводникого образца в дилатометре с ИК-нагревом / М. М. Симунин // Микроэлектроника и Информатика. – М.: МИЭТ, 2004. – 60 с.