Методы визуализации кинетики зарождения и роста углеродных наноструктур и позиционирования наноконтактов

На правах рукописи

Трунов Семён Викторович

Методы визуализации кинетики зарождения и роста углеродных наноструктур и позиционирования наноконтактов

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

НАЛЬЧИК – 2011

Работа выполнена на кафедре физики конденсированного состояния ГОУ «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»

Научный руководитель	-	доктор физико – математических наук, профессор Хоконов Хазратали Бесланович
Официальные оппоненты:	-	доктор физико – математических наук, профессор Дедков Георгий Владимирович
	-	доктор физико – математических наук, профессор Магкоев Тамерлан Таймуразович
Ведущая организация	-	Таганрогский технологический институт ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог.

Защита состоится 4 июля 2011г. в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, КБГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КБГУ по указанному адресу.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах направлять учёному секретарю диссертационного совета КБГУ профессору Ахкубекову А.А..

Автореферат разослан 3 июня 2011 г.

Учёный секретарь дис. совета КБГУ ______________ Ахкубеков А.А.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы диссертации

Повышенное внимание к проблеме исследований строения и физико – химических свойств наносистем, в том числе углеродных нанотрубок, как новый класс физических объектов нанометровых размеров, обладающих необычными физико – химическими свойствами. Исследование таких свойств углеродных наносистем (УНС), как строение и электронная структура, теплопроводность и электропроводность, межфазные взаимодействия и адгезия, электронная эмиссия и химическая активность, механические, капиллярные и сорбционные характеристики представляет фундаментальный интерес для разработки технологии получения наноматериалов. Уникальные физико – химические свойства УНС обеспечивают им обширную область применения в науке, технике и технологии. Так, материалы с использованием углеродных нанотрубок (УНТ) перспективны в качестве эффективного источника полевой электронной эмиссии для катодов и электроэнергетики, высокая тепловая и механическая прочность позволяют использовать эти материалы в условиях высоких температур и больших механических нагрузок; весьма перспективно использование УНТ в медицине в качестве сверхтонких иглы для инъекций и введения препаратов в живую клетку с наименьшим её повреждением и т.д..

Анализ литературных данных показывает, что углеродные наноструктуры (фуллерены, нанотрубки и др.) весьма чувствительны к методам и условиям их синтеза. С одной стороны, это затрудняет разработку способов получения наноструктур, позволяющих получить наноматериалы с удовлетворительно воспроизводимыми свойствами. Малейшее отклонение от технологии синтеза ведёт к заметному изменению свойств наноматериала, следовательно, к уменьшению выхода годной продукции на базе этого материала. С другой стороны, высокая чувствительность строения и свойств наноструктур к методу их синтеза будет способствовать разработке таких методов и технологий для получения наноматериалов с заданными параметрами их свойств. Отсюда следует, что для решения проблемы создания высокой технологии наноматериалов весьма актуальна и проблема разработки и создания диагностических и исследовательских методов и приборов, позволяющих контролировать каждый этап технологического процесса производства наноматериалов, повлиять на формирование наночастиц требуемых строения и свойств. Здесь на первое место выдвигается возможность визуализации процессов зарождения и роста наноструктур. В данной работе приводится описание оригинального метода, с помощью которого впервые удалось визуально в режиме реального времени наблюдать за кинетикой зарождения и роста углеродных наноструктур в виде стержней и спиралей и изучить некоторые их свойства.

Цель работы. В данной работе ставилась цель создания экспериментальной установки и разработки методов визуализации процесса зарождения и роста углеродных наноструктур, а также высокоточного позиционирования нанозондов на их поверхности.

Ставились задачи:

1. Разработать методики реальной визуализации процесса зарождения и роста наноструктур на базе оригинальной экспериментальной установки;
2. Получить наноструктуры – углеродные нанотрубки в виде стержней и спирали в рабочей камере модернизированного электронного микроскопа и определить некоторые их характеристики;
3. Отработать методику управляемого позиционирования нанозонда в измерительной камере электронного микроскопа;
4. Получить металлические нанокапли в условиях высокого вакуума и изучить смачивание ими металлической нити и поверхности твёрдого тела в зависимости от размера капли.

Научная новизна:

1. Разработана методика визуализации процессов зарождения и роста наночастиц на созданной нами оригинальной экспериментальной установке на базе модернизированного электронного микроскопа.

2. В рабочую камеру электронного микроскопа вмонтированы нано– и микроманипуляторы, позволяющие производить управляемое визуальное перемещение исследуемого образца и его изображения на люминесцентном экране по всем направлениям с точностью до 1,0 нм в пределах до 2x2 мкм.

3. Разработан способ прецизионного позиционирования нанозонда по поверхности образца. Способ продемонстрирован на примерах наблюдения за перемещением контакта острия кантилевера (зонда) на поверхности материала и торца спирали углеродной нанотрубки.

4. Экспериментально показано, что в металлических системах капли малых размеров лучше смачивает тонкие микрометровые нити, а нанокапли плохо смачивает плоские поверхности.

Практическая значимость.

Разработанный метод позволяет визуально изучать способы получения углеродных нанотрубок, кинетику их зарождения и роста, производить селективный отбор полученных углеродных нанотрубок (УНТ), изучить некоторые их параметры, позволяющие выяснить возможные их применения в науке и на практике. На примере смачивания наноразмерной каплей тонкой нити и плоской поверхности твёрдого тела в металлических системах удалось наглядно показать влияние размера капли на угол смачивания и роль линейного натяжения в процессе взаимодействия нанокапли с поверхностью твёрдого тела. Разработанная методика и созданная экспериментальная установка по визуализации зарождения и роста наноструктур вошли в спецкурс «Межфазные явления в наносистемах» магистерской программы «физика конденсированного состояния вещества».

Основные положения, выносящиеся на защиту:

1. Создана оригинальная экспериментальная установка и разработана методика визуализации процессов зарождения и роста наночастиц, позволяющая получать изображения нанообъектов с увеличением 105 раз.
2. В рабочей камере электронного микроскопа получены углеродные нанотрубки в виде стержней и спиралей высокой чистоты от примесей. Установлено, что однослойные высокочистые (от примесей) углеродные нанотрубки обладают высокой термостойкостью и металлической электропроводностью.
3. Разработан прецизионный способ управляемого визуального позиционирования нанозонда (острия кантилевера) на поверхности исследуемого образца с точностью в несколько нанометров и в рабочем поле 2 x 2 мкм.

Личный вклад

Постановку задач, выбор методов их решения, обсуждения результатов проводили совместно с научным руководителем. Автор данной работы принимал участие в создании экспериментальной установки и отработке методики получения и селекции УНТ, самостоятельно реализовал способ управляемого позиционирования в системе нанозонд – исследуемый образец, осуществил регистрацию, обработку и систематизацию экспериментальных данных; проводил опыты по смачиванию тонкой нити нанокаплей.

Обоснованность и достоверность результатов

Результаты, представленные в диссертации, получены на основе проведенных экспериментов на современном науч­ном оборудовании с использованием современных методов обработки экс­периментальных данных. Проведён эксперимент по получению углеродных нанотрубок стандартным методом, полученные УНТ стандартным и предложенным методами идентичны по своим физико-химическим параметрам известным в литературе углеродным нанотрубкам.

Результаты исследований неоднократно обсуждались на се­минарах и на специализированных конференциях по проблемам, связанных с тематикой диссертационной работы, опубликованы в международных и российских научных журналах и трудах конференций. Это позволяет считать полученные результаты обоснованными и достоверны­ми, отвечающими современному уровню ис­следований. Большинство представленных результатов являются новыми и получены впервые.

Апробация работы

Результаты, представленные в диссертационной работе, опубликованы в 12 научных статьях и обсуждались на научных конференциях, симпозиумах и семинарах: Региональный научный семинар им. С.Н. Задумкина, г.Нальчик, КБГУ, 2001 – 2010г.г.; XI Российская научная конференция по теплофизическим свойствам вещества, С. – Петербург, 4 – 7 октября, 2005г.; II Международный семинар «Теплофизические свойства веществ» (жидкие металлы и сплавы, наноструктуры), г.Нальчик, КБГУ, 25 – 30 сентября 2006г.; XII Российская научная конференция по теплофизическим свойствам вещества, Москва, ИМЕТ РАН, 7 – 10 октября 2008г.; Первый международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (LDS – 2008). Ростов – на – Дону, п. Лоо. 5 – 9 сентября 2008г.; Труды второго международного симпозиума «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», Ростов – на – Дону, п. Лоо, 5 – 9 сентября 2009.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе статья в академическом журнале из списка ВАК России (список публикаций приведен в конце автореферата).

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 83 страниц, включая 27 рисунков. Список литературы содержит 92 наименования.

Во введении дана общая характеристика диссертации: обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели работы и решаемые задачи, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения выносимые на защиту.

В главе 1 приведён литературный обзор по теме исследования, описаны физико-химические свойства УНТ и основные методы получения. Отмечено, что свойства УНТ уникальны и многообразны в зависимости от её строения и структуры. Структура и свойства УНТ зависят напрямую от метода и условий их получения, что требует разработки принципиально новых методов получения УНТ, обеспечить возможность детального исследования контроля, отбора по необходимым критериям их использования на практике, в частности по идентичности физико-химических свойств УНТ.

Эксперименты показывают, что углеродные наноматериалы, в первую очередь, нанотрубки (УНТ) имеют рекордно высокие значения модуля Юнга ( 1ТПа). Высокие прочностные свойства УНТ позволили разработать технологии получения сверхпрочных волокон, пряжи и тканей из нанотрубок. Изделия из этих материалов по своим механическим характеристикам стоят вне конкуренции среди любых других подобных материалов. В настоящее время усилия многих исследователей направлены на получение композитных материалов, представляющих собой полимеры с добавлением УНТ. Проблемой является создание сопряжения поверхности полимера и нанотрубок с высокой адгезией на границе раздела между сопрягаемыми материалами. Если проблема сопряжения будет решена, то такие материалы, сочетающие пластичность при высокой механической прочности с хорошей электропроводностью, окажутся уникальными для решения многих проблем материаловедения. В микро- и наноэлектронике наиболее важными являются тепло- и электропроводность, поверхностные состояния и электронная эмиссия, следовательно, необходимо подобрать соответствующие методы и нанотехнологии для получения материалов требуемых свойств.

Глава 2 посвящена описанию разработанной методики и экспериментальной установки по визуализации процессов зарождения и роста УНТ. Углеродные наноструктуры привлекают внимание специалистов как материалы, способные произвести важнейшие преобразования в развитии нанотехнологии, связанные с получением и использованием наноматериалов во многих областях науки, техники и технологии – электронике и информатике, материаловедении и энергетике, космической технике и безопасности, биологии и медицине, машиностроении и сельском хозяйстве и других отраслях.

Диагностика атомарной структуры и физико-химических свойств наносистем применительно к со­зданию новых материалов и углерод­ных наноструктур во многом будут определять перспективы выбора технологии получения новых материалов и их применения в различных областях науки и производства. В решении этих задач важное место занимают разработка и создание специальных диагностических и исследовательских приборов и устройств в области просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, зондовой туннельной и атомно-силовой микроскопии высокого разрешения, а также новых технологий и оборудования для промышленного производства УНС, обеспечивающих переход к широкому использованию их на практике.

При решении указанных задач на первое место выдвигается возможность визуализации процессов образования и роста наноструктур, управления локальными контактами нанозондов с нанообъектами в режиме реального времени и возможность селекции образовавшихся нанообъектов по идентичности их строения. Только при этих условиях можно получить воспроизводимые и достоверные сведения о свойствах исследуемого материала и, самое главное, установить перспективность данного наноматериала для практического использования. С этой целью нами разработаны метод и собрана экспериментальная установка, позволяющая исследовать механизмы зарождения и роста наноструктур, диагностировать их строения и свойства.

Экспериментальная установка собрана на базе модернизированного серийного электронного микроскопа “TESLA BS – 250”. Схематическое изображение установки представлено на рис. 1. Необходимыми функциональными условиями экспериментальной установки являются перевод колонны просвечивающего микроскопа “TESLA BS – 250” в горизонтальное положение вдоль силовых линий магнитного поля Земли и пристыковка её к боковому фланцу высоковакуумной камеры УСУ-4. Колонна ЭМ (1) и камера УСУ-4 (2) стыкуются с помощью электро – механического высоковакуумного клапана, который позволяет отсекать электро- и магниторазрядные насосы (6). Колонна микроскопа содержит рабочую исследовательскую камеру (4), в которой размещаются исследуемые образцы. Это позволяет сохранять вакуумные условия при смене образцов и в максимально короткое время получить необходимые условия для проведения следующего эксперимента.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1. Колонна электронного микроскопа. 2. Высоковакуумная камера УСУ – 4. 3. Люминесцентный экран. 4. Рабочая камера. 5. Цифровая камера высокого разрешения. 6. Откачной пост. 7. Высоковольтный генератор. 8. ЭВМ, сопряженная с АЦП (регистрация и сохранение видео/фото экспериментальных данных). 9. Электро – механический вентиль.

В качестве рабочей камеры экспериментальной установки использована стандартная рабочая камера микроскопа “TESLA BS – 250”, в которой существенным образом модернизирована система крепления и подачи образцов. Микрометрические винты, расположенные симметрично вдоль прибора, служат для управления перемещениями образца по всем степеням свободы. Механизмы приводов позволяют перемещать исследуемые образцы с точностью до нанометров. Внешний вид рабочей камеры изображен на рис. 2.

В электронном микроскопе существенно модернизированы и дополнены:

• вакуумная и электронно-оптическая системы;
• установлены магниторазрядные и турбомолекулярные насосы, адсорбционные ловушки, дающие возможность дифференциально откачивать объём камеры с образцом до 10-8 Па;
• усилена монохроматизация исходного электронного пучка, используя метод резонансного захвата электронов от катода первой вытягивающей линзой;
• люминесцентный экран наблюдения изображения диаметром 25 см удален на расстояние не менее 600 мм от образца, что позволило повысить коэффициент увеличения примерно до 106 раз;
• изменены фокусное и теневое положения образца;
• обеспечена виброзащита образца с помощью специального пьезоманипулятора;
• в рабочую камеру электронного микроскопа для образца встроены нано- и микроманипуляторы, обеспечивающие возможность ориентировать исследуемый образец и микрозонды двух кантилеверов по всем пространственным координатам с точностью около 10 нм в пределах до 5 мкм.

Рис. 2. Фото рабочей камеры микроскопа. Общий вид.

Методика получения углеродных наноструктур в экспериментальной установке

Для получения УНС используем метод электроразряда между электродами. В качестве электродов используются вольфрамовые иглы, на поверхности которых нанесены тонкие слои никеля. Острие иглы слегка обмакивается в вакуумном масле (ВМ – 100), затем на подготовленные иглы наносится углеродосодержащий материал – мелкодисперсный графитовый порошок.

Вольфрамовые иглы с нанесённой на них смесью закрепляются в рабочей камере микроскопа на держатели пьезокерамических манипуляторов. Все образцы и зонды (кантилеверы), используемые в этом случае в качестве репера, по которому можно судить о размерах полученных нанообъектов, заземлены. Секции ЭМ стыкуются и производится центровка по лучу лазерного излучателя. Рабочая камера ЭМ и камера наблюдения откачиваются до давлений порядка 10-6 Па, что является необходимым условием для получения сфокусированного пучка электронов и соблюдение чистоты поверхности в процессе экспериментальных воздействий на образец.