Реферат - Электронная микроскопия как метод исследования наночастиц - файл n1.docx

Реферат - Электронная микроскопия как метод исследования наночастиц
скачать (77.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx78kb.22.10.2012 00:57скачать

n1.docx



Электронная микроскопия как метод исследования наночастиц
Выполнил:

Доронин А. Г.

ученик 10 г класса

Государственное общеобразовательное учреждение

Общеобразовательная школа-интернат

«Белгородский лицей-интернат»


2008 год
План


  1. Введение………………………………………………………………….3

  2. Концепция развития нанонауки нанотехнологии……………………..4

  3. Электронная микроскопия……………………………………………...6

3.1. Просвечивающая электронная микроскопия……………………..7

3.2. Сканирующая электронная микроскопия…………………………9

3.3. Зондовая микроскопия…………………………………………….11

4. Выводы………………………………………………………………….13

5. Литература………………………………………………………………15

Введение
Исследования последних лет продемонстрировали важную роль наноструктур в различных областях науки и техники (физика, химия, материаловедение, биология, медицина и т.д.). Например, было обнаружено, что углеродные нанотрубки на порядок прочнее стали (имея при этом в шесть раз меньшую истинную плотность) и т.д. Следует отметить, что в связи с углублением знаний о строении и функционировании природных объектов и живых организмов на молекулярном уровне исследователи пытаются разработать общий подход к получению и использованию искусственных материалов с наноразмерной структурой.

В сущности, представляется очевидным, что все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Именно в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов. Нанотехнологический подход означает такое же, но целенаправленное физико-химическое регулирование свойств объектов на молекулярном уровне, определяющем фундаментальные параметры.

Специфичность свойств вещества в нанометровом масштабе и связанные с этим новые физико-химические явления обусловлены тем, что характерные размеры элементов структуры нанообъектов лежат в диапазоне 10-9 – 10-7 м, соответствующей средним размерам атомов и молекул в обычных материалах. С этой точки зрения следовало бы рассматривать наноструктуры в качестве переходного к микро- и макрокристаллам состоянию вещества. Свойства веществ и материалов, образованных структурными элементами с размерами в нанометровом интервале, в объемной фазе не определяются однозначно. Изменения характеристик обусловлены не только уменьшением размеров структурных элементов, но и проявлением квантовомеханических эффектов, волновой природой процессов переноса и доминирующей ролью поверхностей раздела. Управляя размерами и формой наноструктур, таким материалам можно предавать совершенно новые функциональные характеристики, резко отличающиеся от характеристик обычных материалов. К числу уже известных наноструктур относятся углеродные нанотрубки, белки, ДНК. Рациональный подход к производству таких материалов знаменовал бы революцию в науке и технике, если бы ученым удалось выявить и полностью использовать закономерности и принципы, определяющие структуру и свойства таких объектов.

В природе известны самоармированные углеродными и силикатными микроволокнами нанокомпозиты, образовавшиеся в процессе самоорганизации кристаллических структур. Самые прочные из них – это баллас и карбонадо – углерод-углеродные композиты с прочностью на сжатие до 4 ГПа (40 м/см2). Менее прочные – нефрит и жадеит – с прочностью на сжатие до 1 ГПа (10 м/см2). Отметим, что материалы с такой прочностью человечеством еще не производятся, т.е. это можно обозначить стратегической целью перспективных разработок технологии нанокомпозитов [4].
Концепция развития нанонауки и нанотехнологии
Под термином «нанотехнология» понимают создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, т.е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. Нанотехнология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной (точнее надмолекулярной) организацией. Такие наноструктуры, построенные «из первых принципов», с использованием атомно-молекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженерии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, а наноинженерия – эффективным методам их применения).

Нанонаука и нанотехнология возникли на стыке современных и классических дисциплин естествознания. Концепции развития нанонауки и нанотехнологии привлекают внимание исследователей разнообразных научных специальностей по всему миру.

Широкий интерес к нанотехнологии в последнее время объясняется следующими обстоятельствами:

Перечисленные факторы привели буквально к информационному взрыву.

Стремление перейти к изучению и использованию наноразмерных объектов и структур объясняется двумя обстоятельствами: 1) поведение и свойства веществ на квантовом (нанометровом) уровне существенно отличаются от их макроскопических характеристик; 2) материалы, обладающие квантовыми свойствами, теперь могут быть синтезированы и изучены в лаборатории.

Поток информации по нанотехнологии интенсивно пополняется не только за счет журнальных публикаций, но и за счет патентов и статей и сборников трудов конференций, симпозиумов, семинаров и т.д.[1]

Электронная микроскопия
В настоящее время электронная микроскопия (долго служившая основным средством исследования веществ в субмикронном масштабе) позволяет получать изображения отдельных атомов в наноструктурах с разрешением меньше нескольких ангстрем. Информация об элементном составе (с разрешением близким к атомарному) может быть получена из данных об энергетических потерях электронов, а также из оже-электронного и рентгеновского спектров. Новые электронно-пучковые методики позволяют анализировать строение магнитных наноструктур.

Для реализации проектов, связанных с электронной микроскопией, весьма перспективным (по сравнению с фокусировкой падающего пучка) является формирование изображений с высокой четкостью с помощью электронов, испускаемых поверхностью. Получены изображения с разрешением 12 нм при использовании эмиссии электронов с поверхности. Этот метод позволяет добиться (в сочетании с новыми источниками синхротронного излучения) наномасштабной четкости изображения с выявлением отдельных химических элементов. Один из вариантов данного метода, основанный на использовании рентгеновского магнитного кругового дихромизма, применим для исследования магнитных наноструктур. [1]

Наиболее широко используется электронная микроскопия, в которой применяются луч из пучка ускоренных электронов и различные варианты зондовых микроскопов.

Электронная микроскопия подразделяется, в свою очередь, на два основных направления:


Просвечивающая электронная микроскопия


Рис. 1. Схема устройства трансмиссионного (просвечивающего) электронного микроскопа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 -образец; 4, 5- объектив и его диафрагма; 6, 7- промежуточная и проекционная линзы; 8 -смотровое окно; 9 - люминесцентный экран; 10 - фотокамера с затвором; 11 - вакуумная система.
Электронный пучок можно использовать для получения кристаллографической информации о поверхности наночастицы, а также для создания изображения поверхности. Такую роль он и играет в микроскопе.

В просвечивающем электронном микроскопе электроны из некоторого источника, например, электронной пушки, попадают на образец, рассеиваются при прохождении сквозь него, фокусируются объективной линзой, проходят через увеличительную (проекторную) линзу и, наконец, создают искомое изображение.

Объект, представляющий собой тонкую пленку, просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50-200 кэВ, в вакууме ~10-6. Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы и прошедшие сквозь объект, попадают в систему магнитных линз, которые на экране или фотопленке формируют светопольное изображение внутренней структуры. Достигается разрешение в 0,1 нм, что соответствует увеличению в 106 раз. Разрешение зависит от природы объекта и способа его подготовки. Обычно исследуют пленки толщиной 0,01 мкм, для увеличения контрастности применяют углеродные реплики. Современные ультрамикротомы позволяют получать срезы толщиной 10-100 нм. Просвечивающие микроскопы дают дифракционные картины, представляющие информацию о кристалличности объекта. Металлы исследуют в виде тонкой фольги [2].

Длина волны электронов в падающем пучке выражается формулой, которую удобнее использовать в виде:
? = нм
где энергия, полученная электронами, Е = eV, a V- ускоряющее напряжение, выраженное в киловольтах. Если присутствуют удаленные друг от друга тяжелые атомы, то они дают основной вклад в рассеяние со средним углом рассеяния в, выражающемся как в - X/d, где d — средний диаметр таких атомов. Для ускоряющего напряжения 100 кВ и среднего диаметра атомов 0,15 нм получаем в ~ 0,026 радиана, или 1,5*. Изображение формируется вследствие того, что разные атомы рассеивают и поглощают быстрые электроны с разной эффективностью. Когда отдельные атомы тяжелых элементов находятся на расстоянии, большем нескольких параметров решетки, их можно в некоторых случаях разрешить этой методикой.

Электроны гораздо сильнее взаимодействуют с веществом, чем рентгеновские лучи или нейтроны со сравнимой энергией или длиной волны. Для обычного упругого рассеяния электронов с энергией ~ 100 кэВ среднее расстояние, проходимое электроном между двумя актами рассеяния в веществе, называющееся длиной свободного пробега, составляет от нескольких десятков нанометров для легких атомов до десятков, или, возможно, сотен нанометров для тяжелых атомов. Лучшие результаты электронная микроскопия дает для пленок с толщиной, сравнимой с длиной свободного пробега. Существенно более тонкие пленки рассеивают слишком мало для получения полезных изображений, в то время как в более толстых пленках преобладает многократное рассеяние, размывающее изображение и делающее его трудно интерпретируемым [2].
Сканирующая электронная микроскопия

Рис. 2. Схема устройства растрового электронного микроскопа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 - отклоняющая система; 4 - конечная линза с корректором астигматизма; 5 - объектный столик; 6 - образец; 7 - вакуумная система; 8 - генератор разверток; 9 - блок управления увеличением; 10 -селектор сигналов (для выбора регистрируемого вторичного излучения); 11 -видеоусилитель; 12,13 - ЭЛТ и ее отклоняющая система; BИ1-BИ3 - потоки вторичных излучений; C1 - C3 - электрич. сигналы; Д13 - детекторы; ЭЛ1, ЭЛ2 - электронные лучи; X, Y - направления сканирования (строчная и кадровая развертки).
Этот метод в основном применяется для изучения поверхностных частиц. Электронные лучи сжимаются магнитными линзами в тонкий (1-10 мм) зонд, который последовательно от точки к точке перемещается по объекту, т.е. сканирует. При взаимодействии электронов с объектом возникает несколько видов излучений:

Любое из перечисленных излучений может регистрироваться и преобразовываться в электрические сигналы, которые усиливаются и подаются в электронно-лучевую трубку. Основное преимущество метода – высокая информативность, а существенный недостаток – большая длительность процесса. Высокая разрешающая способность реализуется лишь при малых скоростях развертки. Метод обычно применяют для частиц с размером более 5 нм, что обусловлено ограничениями, накладываемыми толщиной образца. Для электронов с энергией 100 кэВ она составляет около 50 нм. Чтобы предотвратить разрушение образцов, используют специальные приемы их приготовления. Кроме того, всегда приходится иметь в виду возможность лучевой нагрузки на образцы, например, может происходить агрегация частиц под лучом.

Одним из способов образцов является применение ультрамикротомов (их использование затруднено при неравномерном, например островком, осаждении). Распространены также химические методы, в частности растворение матрицы. Вид получаемой гистограммы часто зависит от метода получения образца.

В 80-е годы XX века в электронной микроскопии произошел мощный прорыв. Были созданы микроскопы с компьютерным анализом элементного состава на базе спектрометра энергетических потерь. Спектромерию энергетических потерь применяли в комбинированных ПЭМ и СЭМ. Перекомпоновка системы магнитных призм позволила регулировать контрастность изображения, которая зависит от угла падения, атомного номера и коэффициента отражения. На современных приборах можно получать селективные изображения элементов от бора до урана с разрешением в 0,5 нм и чувствительностью до 10-20 г., что, например, для кальция составляет 150 атомов. Информацию о подобных объектах дает электронная микроскопия высокого разрешения.

Важный этап в развитии электронной микроскопии связан с разработкой методов компьютерной обработки изображений, позволяющей получение гистограммы по форме, ориентации и размерам. Можно выделять детали структуры, производить статистическую обработку, рассчитывать локальные микроконцентрации, определять параметры решеток. Встроенные приборы процессоры дают возможность гибко управлять микроскопами [3].
Зондовая микроскопия
Еще один прорыв в микроскопии связан с созданием сканирующих зондов. В 1981 году Биннинг и Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (CTM, или STM). За это изобретение в 1986 году они получили Нобелевскую премию. Микроскоп позволяет проводить исследование с нанометровым и субнанометровым пространственным разрешением. Общим для всех зондовых сканирующих микроскопов является способ получения информации о свойствах исследуемой поверхности.

Основная деталь таких микроскопов – зонд, который приводится в механический или туннельный контакт с поверхностью, при этом между зондом и образцом устанавливается баланс взаимодействий, который может включать силы притяжения и отталкивания (электрические, магнитные, вандерваальсовы), процессы обмена туннелирующими фотонами, электронами.

После установления баланса начинается сканирование. Зонд движется строка за строкой над определенным участком поверхности заданной площади, которая определяется числом строк-сканов, их длиной и расстоянием между строками. Движение осуществляется с помощью пьезоманипулятора. Изменение его размеров под влиянием приложенной разницы потенциалов перемещает образец в трех направлениях.

Рассмотрим общие принципы работы зондовых микроскопов. Все сканирующие зондовые микроскопы характеризуются наличием определенного типа взаимодействия между зондом и образцом, которое используется системой обратной связи для фиксации расстояния зонд – образец (d) при сканировании. Для обеспечения высокой разрешающей способности прибора интенсивность данного взаимодействия должна достаточно резко зависеть от расстояния d. Для атомно-силового микроскопа, например, этому условию удовлетворяют силы отталкивания крайних атомов зонда и образца, а для туннельного микроскопа – экспоненциальный рост величины туннельного тока с уменьшением туннельного зазора, что позволяет достигать с помощью этих приборов субнанометрового разрешения (10-2нм).

При сканировании (движении зонда в плоскости XY) система обратной связи перемещает зонд в направлении Z, поддерживая на заданном уровне сигнал, соответствующий амплитуде рабочего типа взаимодействия. Обозначим это взаимодействие A (X,Y,Z). Сигналы на X,Y и Z обкладках пьезоманипулятора задаются с помощью компьютера. Отработка в процессе сканирования зависимости A (X,Y,Z) = const вариацией Z эквивалентна определению зависимости Z│A = const (X,Y), которая в определенной степени коррелирует с локальными топографическими свойствами исследуемой поверхности. Можно назвать данную зависимость топографией, полученной в режиме постоянного взаимодействия A. Если интенсивность взаимодействия A (X,Y,Z) неодинакова в разных точках исследуемой поверхности, то детектируемая картина будет носить более сложный характер и являться суперпозицией карт поверхностной топографии и поверхностного распределения интенсивности А.

Наряду с топографией в режиме постоянного взаимодействия сканирующая зондовая микроскопия позволяет получать широкий спектр других зависимостей Ф│А = const (X,Y), несущих полезную информацию о различных свойствах поверхности. Здесь функция Ф (X,Y) измеряется при осуществлении режима постоянного взаимодействия А, следовательно, в некотором приближении постоянного расстояния зонд – образец может, например, отображать величину какого-либо взаимодействия, отличного от А.

Принцип измерения функции Ф (X,Y) в режиме А = const применяется в различных зондовых микроскопах. Имеются в виду такие их модификации, как магнитно-силовой микроскоп, работа которого основана на измерении сил между намагниченным зондом и поверхностью, обладающей магнитными свойствами; микроскоп ближнего поля, использующий детектирование электромагнитного поля, которое проходит через миниатюрную диафрагму, расположенную в ближней зоне источника; электростатический силовой микроскоп, где с образцом взаимодействует проводящий заряженный зонд. Во всех этих микроскопах анализ соответствующего взаимодействия осуществляется при поддержании постоянным зазора между зондом и образцом по схемам режима контакта или прерывистого контакта [5].
Выводы
Примерно за полтора столетия химики научились управлять положением небольшого числа атомов внутри молекул, т.е. целенаправленно синтезировать молекулы диаметром около 1,5 нм, но лишь в последние десятилетия ученые подошли к рассмотрению проблемы одновременного «управления веществом» (анализ, организация, контроль) в двух или трех кристаллографических направлениях. Эта способность обеспечила революционные изменения во многих областях химии, медицины и т.д. нанотехнология является своеобразным инженерным искусством регулировать структуру на атомно-молекулярном уровне. Расширение диапазона регулируемых масштабов открывает блестящие перспективы для материаловедения. Хотелось бы особо подчеркнуть, что создание наиболее сложных из известных веществ (живых организмов) требует умения одновременно управлять структурой вещества в нескольких пространственных масштабах (молекулярном, нанометровом, микрометровом, миллиметровом и метровом).

Если наша страна хочет быть среди лидеров мирового научно-технического прогресса, она должна, прежде всего, определить наиболее приоритетные направления исследования и обеспечить их долговременное финансирование. Одним из подходов к решению этой проблемы может стать организация взаимодействия между учебными заведениями, НИИ, отраслевыми лабораториями и промышленностью. Такое взаимодействие осложняются тем, что цели этих организаций не только не совпадают, но и временами противоречат друг другу. Например, учебные и научные организации заинтересованы в публикации получаемых результатов, в то время как производители озабочены проблемами прав и патентов на выпускаемую продукцию.[1]

С появлением новых возможностей встают перед нами и новые задачи, требующие грамотного решения. Нам еще предстоит столкнуться со многими проблемами, в частности и с такими, с которыми ранее не сталкивалось человечество.


Литература:


  1. Смоликов А.А. Наноматериалы. – г. Белгород: издательство БелГУ, 2006 г. – 83 с;

  2. Шиммель Г. – Методика электронной микроскопии, пер. с нем., г. Москва, 1972 г.;

  3. Г. Н. Давидович, А. Г. Богданов. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, пер. с англ., т. 1-2, г. - Москва, 1984 г.

  4. Ч. Пул, Ф. Оуенс. Мир материалов и технологий. Нанотехнологии, 2-е издание, пер., с англ. М., Изд-во Техносфера, 2003 г. – 360 с.

  5. Г. Б. Сергеев. Нанохимия. – г. Москва: КДУ, 2007 г. – 336 с.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации