Учебно-методический комплекс дисциплины «основы нанотехнологий» (стр. 4 )

Вопросы для самоконтроля

1 Тенденции и развитие микроскопов?

2 Область применения СТМ.

3 В каком году был изобретен АСМ? Принцип работы.

Лекция 8

Тема. Методы формирования наноразмерных изображений.

Вопросы

1 Электросиловой метод.

2 Сканирующий туннельный метод.

3 Метод Кельвина.

Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов

В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1-10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно-силового и электросилового микроскопов. Рассмотрим общие черты, присущие различным зондовым микроскопам. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд-образец Р=Р(z), то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис. 1 схематично показан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа.

Рисунок – 1 Схема организации системы обратной связи зондового микроскопа.

Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным, равным величине Р0, задаваемой оператором. Если расстояние зонд – поверхность изменяется (например, увеличивается), то происходит изменение (увеличение) параметра Р. В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональный величине. P=P-P0 , который усиливается до нужной величины и подается на исполнительный элемент (ИЭ). Исполнительный элемент отрабатывает данный разностный сигнал, приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом, можно поддерживать расстояние зонд-образец с высокой точностью. В существующих зондовых микроскопах точность удержания расстояния зонд-поверхность достигает величины ~0.01 A. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости X, Y сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности.

Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строку сканирования, и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z=f(x, y) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие.

Вопросы для самоконтроля

1 Принцип работы СЗМ.

2 Электросиловой метод.

3 Метод Кельвина.

Лекция 9

Тема. Саморегулирующиеся процессы.

Вопросы

1 Виды и характер процессов.

2 Применение.

Продукт представляет собой специальную смесь диоксида кремния, триоксида алюминия и плазменнорасширенного графита, сохраняющего свои смазывающие свойства до температуры 1200 С. Эта смесь изготавливается на основе уникального метода активации каждого компонента, который позволяет создавать на поверхностях трущихся деталей двигателей в процессе их работы антифрикционное покрытие с продолжительным эффектом безизносности и низким коэффициентом трения. Покрытие образует прочное соединение с металлической поверхностью, снижает износ и трение, продлевает срок службы деталей.

Применение нанотехнологий для снижения потерь от трения в двигателях и других агрегатах позволяет реализовать новый принцип продления жизни кинематических пар трения через микромодификацию поверхностей трения в процессе работы машин и механизмов, используя энергию трения.

Введение NanoVit в зоны трения приводит к активному построению, с использованием энергии трения, нанокристаллических структур в виде самовосстанавливающегося микромодифицированного слоя на поверхности металла. На металлической поверхности микромодифицированный слой представляет собой прочную и эластичную структуру, поверхностная часть которой динамически разрушается и восстанавливается, оставаясь в определенном равновесии. Построение микромодифицированного слоя можно регулировать количеством продукта. Большая сила трения и высокая температура многократно повышают активность NanoVit по модификации поверхностного слоя.

Саморегулирующийся процесс

Слой, защищающий от износа, является самовосстанавливающимся. Этот саморегулирующийся процесс использует энергию, выделяющуюся при трении. Эта энергия идет с одной стороны на построение слоя, а с другой стороны на его разрушение.

Равновесие процессов построения и разрушения наружной эластичной части слоя наступает при зазоре между трущимися поверхностями в 1-1.5 мкм и коэффициент трения уменьшается. Зазор между трущимися деталями не должен превышать на 25% максимально допустимый износ конструкции. Толщина слоя составляет от 0,0001 до 0,1 мм.

Процесс обработки можно разделить на два этапа. На первом этапе происходит основательная очистка поверхностей от продуктов износа, нагара и других загрязнителей.

Далее происходит синтез многослойного покрытия на подготовленных и очищенных поверхностях пар трения. Вначале, за счёт образования покрытия происходит увеличение площади особо нагруженных зон трения, а затем покрытие распространяется на все трущиеся поверхности в зависимости от величины приложенных к ним контактных нагрузок, восстанавливая геометрию трущихся поверхностей. В ходе формирования многослойного покрытия температура в зонах трения уменьшается, и рост толщины покрытия замедляется вплоть до полного его прекращения. Таким образом, происходит саморегуляция толщины защитного слоя.

Вопросы для самоконтроля

1 Что такое саморегулирующийся процесс?

2 Как работает NanoVit?

3 Принцип действия NanoVit?

Лекция 10

Тема. Формирование наноструктурированных материалов.

Вопросы

1 Формирование наноструктурированных пленок и покрытий.

2 Формирование наноструктурированных поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы.

Фольга изготовляется вакуумным методом по рулонной ионно-плазменной технологии синтеза наноструктурированных материалов, что позволяет организовать производство анодной фольги нового типа для существующих и перспективных алюминиевых электролитических конденсаторов в промышленном масштабе.

Наноструктурированная конденсаторная анодная фольга, представляет собой качественно новую основу с осажденным на ее поверхности нанослоем алюминия. В настоящее время наноструктурированная анодная фольга на российском и зарубежном рынках радиоэлектроники отсутствует.

Рисунок 1 – наноструктура поверхности алюминиевой анодной фольги.

Преимущества вакуумной ионно-плазменной технологии:

– для нанесения используются неорганические и нетоксичные материалы;

– снижается химическое загрязнение поверхности фольги;

– отсутствуют высокотоксичные отходы;

– промышленные вакуумные установки более компактны по сравнению с большими производственными мощностями по травлению фольги;

– сокращаются производственные расходы (за счет отсутствия необходимости строительства дорогостоящих очистных сооружений для утилизации отходов травления);

– экономится электроэнергия;

– более эффективно расходуется сырье (алюминий).

Преимущества наноструктурированной анодной фольги перед фольгой, изготавливаемой методом электрохимического травления:

– значительное увеличение емкости (на 50%) за счет максимальной площади рабочей поверхности;

– уменьшение толщины (в 1,5-2 раза) и веса;

– значительное увеличение механической прочности;

– уникальная эластичность.

Предварительные испытания наноструктурированной анодной фольги в электролитических конденсаторах показали стабильность ее электрохимических и электрофизических характеристик. В частности, удельная емкость конденсаторов, использующих данную фольгу, составила 120 мкФ/см2 при напряжении 30 В.

Рисунок 2 – наноструктурированная алюминиевая анодная фольга на основе полимерной пленки.

Вопросы для самоконтроля

1 Что представляет наноструктурированная конденсаторная анодная фольга?

2 Какие преимущества вакуумной ионно-плазменной технологии?

3 Какие преимущества наноструктурированной анодной фольги перед фольгой, изготавливаемой методом электрохимического травления?

Лекция 11

Тема. Новейшие достижения в области нанотехнологий.

Вопросы

1 Методы исследования.

2 Нанокристаллы.

3 Аэрогель.

4 Наноаккумуляторы.

Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От монокристалла отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых и дилектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния являются основой современной твердотельной электроники.