Нанотехнология открывает качественно новый уровень изучения различных свойств поверхности материалов. Существует возможность не только исследовать поверхность, но и производить прецизионное воздействие: перемещать слабо связанные с поверхностью наноструктуры, производить нанолитографию), кроме того, возможно и физическое воздействие на поверхность (рисунок 1).

Рисунок 1 - Изображение поверхности глазной линзы. Жидкостная ячейка, контактная мода. Линза была высушена, а затем вновь помещена в водный раствор, в результате чего на поверхности линзы появились трещины. Изображения получены на приборе СОЛВЕР-Р4, оснащенном специализированной жидкостной ячейкой для контроля глазных линз.

Возникновение и развитие нанотехнологий связано с открытием физиками из швейцарского отделения компании IBM сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов (1981-1986 гг.).

К настоящему времени сменилось уже два поколения сканирующих зондовых микроскопов.

К первому поколению относятся сканирующие туннельные микроскопы (СТМ). Они были изобретены в 1981 году как сверхвысоковакуумные приборы, на которых впервые было получено атомарное разрешение при исследовании поверхности кристаллических образцов. Также были созданы и получили распространение жидкостные, воздушные, вакуумные и сверхвысоковакуумные варианты приборов.

Принцип работы СТМ - это регистрация туннельного тока между проводящим образцом и микроиглой. Микроигла формирует туннельный ток, локализованный на малой площади. Например, если микрозонд удален на фиксированное расстояние от поверхности, то высота физического рельефа в исследуемой точке определит величину туннельного тока. Контролируя при сканировании фиксированную величину туннельного тока за счет вертикального перемещения микрозонда, определяют микрорельеф поверхности. Применение СТМ ограничивается проводящими поверхностями, и исследования, в основном, имеют чисто научное значение. Кроме того, интерпретация СТМ-данных не однозначна - ток зависит не только от расстояния, но и плотности электронных состояний, энергии связи электронов, присутствия адсорбционных слоев.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В 1986 году были изобретены атомно-силовые микроскопы (АСМ) названные так, поскольку с их помощью регистрировались силы межатомного взаимодействия, так называемой силы ближнего поля. Они были построенные подобно патефону. Острая игла на пружинке скользит вдоль поверхности и отклонение пружинки при этом измеряется. Первоначально пружинки изготавливались из тонкой платиновой фольги, и к ним приклеивалась острая маленькая иголочка - кантилевер, выбранная, например, из разбитого монокристалла сапфира. Одно из основных требований к кантилеверу - его острие должно быть предельно острым: заканчиваться единичными атомами (рисунок 2). Промышленная технология производства таких кантилеверов была создана в 1990 году, после чего и начало развиваться второе поколение зондовых микроскопов.

Рисунок 2 - Электронно-микроскопические снимки кремниевых кантилеверов. Видно, что радиус кривизны кантилевера около 1 нм. Атомное разрешение, полученное на снимке, доказывает, что острие остается кристаллическим в процессе травления и на самом кончике может быть практически не окисленным.

Вопросы для самоконтроля

1 Тенденции и развитие микроскопов?

2 Область применения СТМ.

3 В каком году был изобретен АСМ? Принцип работы.

Рекомендуемые источники

Основные

, Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [, Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

, Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.

Дополнительные

, тр.,  с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.

Лекция 8

(1 час; 10 неделя)

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.

Рекомендуемые источники

Основные

, Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [, Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

, Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.

Дополнительные

, тр.,  с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.

Лекция 9

(2 часа; 11, 12 недели)

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

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6