Обзор средств исследования нанообъектов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли

УДК 001.895

Г. В. Конкина, Л. В. Зверинцева

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ОБЗОР СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНООБЪЕКТОВ

Проведен обзор средств исследования нанообъектов - сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового микроскопа, сканирующего оптического микроскопа ближнего поля и моделирования с помощью программного обеспечения Ыапв1аЬ.

При сверхмалых размерах объектов атомы ведут себя иначе, чем в макромасштабах, поскольку они подчиняются законам квантовой механики. Тысячекратное увеличение электронного микроскопа позволило получить изображения атомов-точек, имеющих размер порядка ангстрема (0,1 от миллиардной доли метра). Получить прямое изображение наноструктур в видимом свете невозможно: размер деталей, которые мы хотим рассмотреть, меньше, чем длина волны видимого света (URL: http://www. popmech. ru/article/711 -tunnel-v-nanomir).

Генрих Рехрер и Джерд Карл Бинниг в 1981 г. изобрели сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) (рис. 1), с помощью которого можно было наблюдать отдельные атомы на поверхности образца.

Сканирующий туннельный микроскоп используют для наблюдения электропроводных свойств изучаемых образцов металлов или полупроводников. Если к двум электрическим проводникам приложено напряжение, между ними течет электрический ток не только при их соприкосновении, но и при наличии сверхмалых зазоров между ними (рис. 2). Сила этого «туннельного тока» зависит от расстояния между двумя телами. Перемещая сверхтонкий измерительный зонд по поверхности образца, можно последовательно сканировать ее мельчайшие элементы, создавая точное изображение этой поверхности. В СТМ необходимо чтобы зонд и исследуемый образец были металлами.

В 1986 г. был изобретен атомно-силовой микроскоп (АСМ) (рис. 3). Главным его элементом также является сканер, позволяющий отображать разные участки поверхности. Однако измеряет этот микроскоп не ток, а силу взаимодействия между зондом и поверхностью. Зонд АСМ устанавливается на миниатюрном кронштейне, между зондом и образцом возникают силы притяжения, и при сканировании образца измеряется деформация кронштейна (рис. 4). После

сканирования компьютер «переводит» полученные данные в изображения, воспроизводящие поверхность образца. Зондовые микроскопы лучше всего позволяют визуализировать поверхность и происходящие на ней процессы. Туннельная микроскопия позволила определить, в каком положении находятся на поверхности те или иные атомы, обнаружить выходы дефектов кристаллов на их поверхность, исследовать дислокации, границы зерен, доменов, наблюдать сверхрешетки, возникающие в результате перестройки поверхностных атомов, атомные и субатомные ступеньки, химические реакции на поверхности. С ее помощью исследуют процессы адгезии («прилипания» атомов и молекул к поверхности), трения, роста кристаллов и гетероструктур. Исследуемый сканирующим микроскопом образец может быть размещен не только в вакууме, но и в газе или жидкости. Зондовым методом можно не только исследовать, но и влиять на образец. Игла микроскопа может перенести атом на поверхность. При подаче к зонду определенного напряжения, можно заставить атомы притягиваться к острию или двигаться вдоль поверхности. В области контакта зонда и образца можно проводить локальные химические реакции. Современный микроскоп имеет набор специализированных зондов, каждый из них предназначен для исполнения своей специфической измерительной или технологической задачи.

Дитер Поль (Швейцария) в 1982 г. изобрел сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (ШОМ) (рис. 5, 6). ШОМ строит изображение, обрабатывая фотоны, приходящие от каждого атома, «индивидуально». Принцип действия микроскопа №ОМ состоит в том, что изображение объекта строится по точкам [1]. В каждой точке излучение от образца собирается в ближнем поле зондом - заостренным кончиком оптического волокна.

Решетневские чтения

Величина зазора между зондом и поверхностью объекта находится в пределах 1-10 нм. Оптическая разрешающая способность такого микроскопа определяется размером кончика зонда (апертурой) и составляет 20-30 нм.

Рис. 5. Схема NSOM

Рис. 6. ШОМ

Сканирование образца обеспечивается пьезоэлектрическим сканером полностью, аналогично устройству СТМ или АСМ. Наноустройства должны работать, т. е. меняться во времени. Наибольшая информация о функционировании наноустройства будет

получена при объединении возможности определения топографии образца с помощью СТМ или АСМ с возможностями регистрации временной динамики.

Для виртуального моделирования и испытаний нанотехнологических материалов и устройств Центром изучения нанотехнологий в Институте Нильса Бора Копенгагенского университета и компанией Atomistix A/S (Дания) создано программное обеспечение NanoLab (рис. 7). Оно основано на новых кван-тово-химических алгоритмах, имеет интуитивно понятный интерфейс и используется ведущими исследовательскими и промышленными учреждениями Японии и США [2].

Рис. 7. Виртуальное программное обеспечение NanoLab

Библиографические ссылки

1. Осадько И. С. Микроскоп ближнего поля как инструмент для исследования наночастиц // Успехи физических наук. 2010. Т. 180. № 1. С. 83-87.

2. Андрюшин Е. А. Сила нанотехнологий: наука & бизнес. М. : Фонд «Успехи физики», 2007. Т. 2.

G. V. Kochkina, L. V. Zverintseva Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

REVIEW OF RESEARCH NANO-OBJECTS

A review of studies of nano-objects — a scanning tunneling microscope, atomic force microscope, a scanning optical near-field microscope and a virtual simulation with the help of the Nanolab software.

© KoHKHHa r. B., 3BepHH^Ba H. B., 2011

УДК 669.14.018.28

Г. Г. Крушенко

Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

МЕХАНОАКТИВАЦИЯ НАНОПОРОШКОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ СОДЕРЖАНИЯ В МОДИФИЦИРУЮЩИХ ПРУТКАХ

В результате использования нанопорошков химических соединений, обработанных в планетарной мельнице, повышается их содержание в модифицирующих прутках.

Известен способ модифицирования сплавов путем введения в них нанопорошков (НП) тугоплавких химических соединений в объеме предварительно отпрессованного прутка из композиции, состоящей из частиц алюминия (гранулы, крупка,

сечка) и нанопорошка [1]. Однако содержание НП в таких прутках не превышает 2,7 масс. %, в связи с чем для введения в расплав требуемой дозы нанопорошков (до 0,05 масс. %) расходуется большое количество прутка.