2. классификация методов исследования наноструктур

O’ZBEKISTON MILLIY UNIVERSITETI FIZIKA FAKULTETI YARIMO’TKAZGICHLAR VA POLIMERLAR FIZIKASI KAFEDRASI KICHIK O’LCHAMLI HOLATLAR VA NANOTUZILMALI MATERIALLAR FIZIKASI YO’NALISHI MAGISTRANTI A. DEXQONOVNING NANOSTRUKTURALARNI TADQIQLASH USULLARI FANIDAN YAKUNIY NAZORAT ISHI

2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР

2. NANOMATERIALLARNI VA NANOSTUKTURALI QOPLAMALARNI TADQIQOD USULLARINING UMUMIY KLASSIFIKATSIYASI.

Aslida nanomateriallarni o'rganish uchun oddiy kristalli materiallarni o'rganishda bo'lgani kabi deyarli bir xil usullardan foydalanish mumkin. Shu bilan birga, nanomateriallarning o'ziga xos xususiyati bor, bu usullarni hal qilishga nisbatan yuqori talablarni, ya'ni 100-200 nm dan kam o'lchamdagi namunalarning sirt maydonlarini o'rganish qobiliyatini talab qiladi. Shunday qilib, bir qator tarkibiy va kimyoviy tahlil usullarini ajratib ko'rsatish mumkin, ulardan foydalanish bizga nanomateriallarning xususiyatlarini hisobga olishga imkon beradi. Quyida ushbu usullarning asosiylari keltirilgan.

1. Elektron mikroskopiya. Yorug'lik mikroskoplari bilan taqqoslaganda, qisqa to'lqin uzunligi bo'lgan elektron nurni ishlatish piksellar sonini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Hozirgi vaqtda elektron mikroskoplarning bir nechta dizayni qo'llaniladi: transmissiya, rastr (skanerlash), emissiya va ko'zgu. Nanomateriallarni o'rganish uchun eng ko'p ishlatiladigan usullar transmissiya va skanerlash elektron mikroskopidir. Etkazish elektron mikroskopi.

Etkazish elektron mikroskopi bitta eksperimentda namunaning bir xil qismidagi yuqori aniqlikdagi rasmlarni va mikdiffraksion naqshlarni olish imkonini beradi. Zamonaviy transmisyon elektron mikroskoplari 0,1 nm gacha bo'lgan o'lchamlarni ta'minlaydi va mikrodiffraksion naqsh olingan maydonning o'lchami 50 nm gacha. Shu munosabat bilan ba'zan "yuqori aniqlikdagi elektron uzatish mikroskopiyasi" atamasi ishlatilgan. Olingan rasmdan materialning tuzilishini baholash uchun va kristall panjaraning turini aniqlash uchun diffraktsiya naqshidan foydalanish mumkin. U elektron tabancadan va vertikal ravishda joylashtirilgan ustunga o'ralgan elektromagnit linzalar tizimidan iborat bo'lib, unda 10 - 2 - 3 - 3 vakuum saqlanadi . Mikroskopning yoritish tizimiga elektron qurol va ikkita linzali kondansatör kiradi. Elektron tabancasi katoddan (W yoki LaB6 dan qizigan filaman), elektron chiqaradigan, elektrodlarni ajratib turadi (ularga nisbatan katta 43 potentsial qo'llaniladi) va teshikli plastinka shaklida anod. Katod va anod o'rtasida tezlashtiruvchi kuchlanish (zamonaviy mikroskoplarda, 500-3500 kV) bo'lgan kuchli elektr maydoni yaratiladi. Tezlik oshishi bilan to'lqin uzunligi pasayadi (λ = h / mv, λ = h (2meU) -1/2) va elektron massasi o'zgaradi. To'lqin uzunligi pasayishi bilan transmisyon elektron mikroskopining optik tizimi kuchayadi. Tezlashtiruvchi kuchlanishning oshishi, shuningdek, elektronlarning kirish kuchini oshirishga olib keladi. 1000 kV va undan yuqori kuchlanishli mikroskoplarda qalinligi 5-10 mikrongacha bo'lgan namunalarni o'rganish mumkin. Anodning teshigidan o'tib, elektron nur kondensator va hizalama tuzatuvchisiga kiradi, bu erda oxirgi elektron nurlari o'rganilayotgan namunaga yo'naltiriladi. Ob'ektni o'tkazgandan so'ng, elektronlar tarqaladi. Ularning diqqatini jamlash va ekranda asosiy tasvirni olish ob'ektiv tizimi (ob'ektiv, oraliq va boshqalar) yordamida amalga oshiriladi. Diafragma sizga namunadan o'tgan barcha elektronlarni yoki faqat kuchli tarqoq elektronlarni yoki tarqoq yoki kuchsiz tarqalib ketgan elektronlarni tanlash imkonini beradi. Birinchi holda, eng ko'p tarqalish kuchiga ega bo'lgan namunaning maydonlariga mos keladigan joylar (qorong'u maydonli rasm) natijada olingan tasvirga engilroq ko'rinadi, ikkinchisida esa aksincha (yorqin rangli rasm). Ilgari chiqarilgan mikroskoplarda rasmlarni suratga olish fotosurat plyonkalari yoki fotosurat plitalarida amalga oshirildi. Zamonaviy mikroskoplarda raqamli kameralar va kino kameralari qo'llaniladi. Microdiffraction tadqiqotlari uchun mikroskop tarkibiga harakatlanuvchi selektorli diafragma kiritilgan bo'lib, u holda o'lchamdagi diafragma o'rnini bosadi. Transmisyon elektron mikroskopiyasining uchta turi mavjud: to'g'ridan-to'g'ri, yarim to'g'ridan-to'g'ri va bilvosita. To'g'ridan-to'g'ri usul elektronning shaffof yoki shaffof bo'lgan nozik metall plyonka (folga) bo'lgan ob'ektning tuzilishi haqida to'liq ma'lumot beradi. Odatda, folga massiv namunalarni yupqalash orqali olinadi. Yupqa jarayonning so'nggi bosqichlarida elektrokimyoviy abraziv texnologiyasi eng ko'p qo'llaniladi. Ba'zi hollarda folga suvda eriydigan substratlarda (NaCl, KCl) vakuumda bug'lanish orqali ham olinadi. Ushbu usuldan foydalangan tadqiqotlarda individual dislokatsiyalar va ularning klasterlarini ajratish mumkin. Ba'zan mikroskoplar maxsus qo'shimchalar bilan jihozlangan. Masalan, mikroskop ustuniga folga yopishtirish uchun biriktirma ishlatilganda, deformatsiya paytida dislokatsiya tuzilishining evolyutsiyasini bevosita kuzatish mumkin.

Ushbu usulni o'rganayotganda mikrodiffraksion tahlil ham o'tkazilishi mumkin. O'rganilayotgan sohadagi materialning tarkibiga qarab, sxemalar nuqta (birma-bir kristallar yoki o'rganish zonasidan kattaroq donli polikristallar), qattiq yoki alohida reflekslardan iborat (donalarda juda kichik kristallar yoki bir nechta mayda donalar) shaklida olinadi. Mikrodiffraksion analiz yordamida kristallarning yo'nalishini va don va subgrainlarning yo'nalishini aniqlash mumkin. Juda tor nurli elektr uzatish mikroskoplari materialni mahalliy kimyoviy tahlil qilish, shu jumladan o'rganilayotgan ob'ekt orqali o'tadigan elektronlarning energiya yo'qotish spektri bo'yicha yorug'lik elementlari (bor, uglerod, kislorod, azot) bo'yicha tahlillarni o'tkazish imkonini beradi. Bilvosita usul materialning o'zi emas, balki namuna yuzasidan olingan nozik nusxalarni o'rganish bilan bog'liq. Metodologiya nuqtai nazaridan, bu eng sodda, chunki folga ishlab chiqarish murakkab va juda uzoq jarayondir. Replikatsiya qilish ancha sodda. Keyinchalik namunadan ajratib olinadigan uglerod, kvarts, titan va boshqa moddalarni vakuumda vakuum bug'lanishi yoki sirtni oksidlash yo'li bilan olinadigan oksid plyonkalari (masalan, mis uchun) yordamida amalga oshiriladi. Yupqa qism yuzasida suyuq holatda qo'llaniladigan polimer yoki lak plyonkalar ko'rinishidagi nusxalarni ishlatish yanada istiqbolli. Bilvosita usul qimmatbaho yuqori voltli mikroskoplarni talab qilmaydi. Biroq, bilvosita usul to'g'ridan-to'g'ri echishda sezilarli darajada past. Ruxsatnoma replikaning aniqligi bilan cheklanadi va eng yaxshi (uglerod replikalari) bir necha nm ga etadi. Bundan tashqari, nusxani o'zi ishlab chiqarish jarayonida turli xil buzilishlar va artefaktlar paydo bo'lishi mumkin. Shuning uchun ushbu usul hozirgi kunda kamdan kam qo'llaniladi. Uning ko'pgina vazifalari, shu jumladan fraktografiya, hozirda elektron mikroskopni skanerlash orqali hal etiladi. Yarim to'g'ridan-to'g'ri usul ba'zan heterofaza qotishmalarini o'rganishda qo'llaniladi. Bunday holda, asosiy faza (matritsa) replikalar (bilvosita usul) yordamida o'rganiladi va matritsadan replikaga chiqarilgan zarralar to'g'ridan-to'g'ri usul bilan, shu jumladan va mikrodiffraktsiya yordamida. Ushbu usul yordamida replikatsiya bo'linishdan oldin kichik kvadratlarga kesiladi va keyin matritsa materialining eritilishini va boshqa fazalarning zarralarini saqlanishini ta'minlaydigan rejim bo'yicha namuna olinadi. Etchalash replika plyonkasi bazadan to'liq ajratilguncha amalga oshiriladi. Usul, ayniqsa, ozgina tarqoq fazalarni matritsada, ularning ozgina qismi bo'lgan fazalarni o'rganishda qulaydir. O'z tuzilishining nusxasi yo'qligi zarralardan tortib olinadigan diffraktsiya shakllarini o'rganishga imkon beradi. To'g'ridan-to'g'ri usul bilan matritsa uchun bunday rasmlarni rasmdan ajratish va ajratish juda qiyin. Skanerlash elektron mikroskopi (SEM) Skanerlash elektron mikroskopida o'rganilayotgan ob'ektning tasvirini aniq yo'naltirilgan (5-10 nm) elektron nur bilan skanerlash orqali hosil bo'ladi. Bunday nurni ko'pincha elektron zond deb atashadi. Probning diametri 5-1000 nm bo'lishi mumkin . Tekshirilayotgan materialning yuzasi bilan elektronning o'zaro ta'siri jarayonida turli xil tabiatdagi nurlanish paydo bo'lishiga olib keladigan bir qator murakkab jarayonlar sodir bo'ladi .

Ushbu chiqindilarni turli xil asboblar va sensorlar yordamida aniqlash mumkin. Yoritilgan elektronlar va ikkilamchi elektronlar sirt rasmini shakllantirish uchun ishlatiladi. Kuchaytirgandan so'ng ular yaratadigan signallar qurilmalar tomonidan kuchaytiriladi va keyinchalik skanerlash elektron zondning sinishi bilan sinxron bo'lgan katod nurlari naychasida tasvirning yorqinligini modulyatsiya qilish uchun ishlatiladi. Shunday qilib, namuna yuzasidagi har bir nuqta katod nurlari naychasining ekranidagi nuqta bilan bog'liq. Nuqta tasvirining ravshanligi o'rganilayotgan yuzadagi tegishli nuqtadan keladigan signal intensivligiga mutanosibdir. Yorug'likli elektronlardan signalni ishlatganda, qalinligi 1-2 mikron va diametri elektron nurning tarqalish zonasidan ancha katta bo'lgan qatlamdan ma'lumot olinadi. Sirtning surati juda yuqori piksellar bilan olinadi, ammo u kuchli qora va oq kontrastga ega. Bunday rejim metallografik ingichka uchastkalarda strukturani o'rganishda foydali bo'lishi mumkin. Ikkilamchi elektronlar signalidan foydalanganda eng yuqori aniqlikka erishiladi, chunki ikkilamchi elektronlar qalinligi 1 nm bo'lgan qatlamda paydo bo'ladi va ularning paydo bo'lishi zonasi elektron nurlari tarqalish atrofidagi mintaqa bilan cheklangan. Tasvirning aniqligi aks ettirilgan elektronlarni ishlatganda bir oz pastroq, ammo u stereometrik xarakterga ega.

Skanerlash elektron mikroskopining muhim afzalligi yuqori aniqlikdagi (10 nmgacha va lanthanum geksabardidan maxsus katodlarni ishlatishda - 5 nmgacha) katta fokus chuqurligiga ega. Bu qo'pol namunalarni yuqori sifatli sirtini o'rganish imkonini beradi. Bir qator qurilmalarda katod o'rniga dala emissiya qurollari qo'llaniladi, bu juda tor elektron nurlarni olish va maksimal piksellar sonini 0,5 nm ga etkazish imkonini beradi.

Shuni ta'kidlash kerakki, qo'pol namunalarning cheklangan o'lchamlari silliq namunalarga qaraganda ancha kam bo'ladi. SEM usulining kamchiliklari shunchaki Supero'tkazuvchilar materiallarni o'rganish qobiliyatidir. Izolyatorlarni o'rganish uchun uglerod kabi elektr o'tkazuvchan moddaning yupqa plyonkasi odatda ularning yuzasiga purkaladi. Bunday ob'ektlarni o'rganishda SEMni moslashtirishning boshqa usullari mavjud. Diafragma, linzalar, stigmatorlar va boshqalar yordamida elektron nur (prob) hosil bo'ladi. Jeneratör bilan bog'langan deflyatsion bobinlar namuna yuzasining o'rganilgan maydoni bo'ylab katod nurlari trubkasi bilan sinxron elektronni tekshirishni (skanerlashni) ta'minlaydi. Tasvir ravshanligini shakllantirish detektorlardan aks ettirilgan elektronlar 48, ikkinchi darajali elektronlar va rentgen nurlari orqali amalga oshiriladi. Kattalashtirish nazorati (20 dan 10000 gacha) namuna bo'yicha ekran va elektron zond orqali süpürülmüş amplitüdlarning nisbatlarini o'zgartirish orqali maxsus qurilma tomonidan amalga oshiriladi. Ushbu material elektronlar bilan nurlantirilganda SEM-da rentgen nurlari paydo bo'ladi, rentgen spektral mikroanaliz (PCMA) usuli ham keng qo'llaniladi. Shuning uchun deyarli barcha skanerlash elektron mikroskoplari uchun ushbu usullarning konstruktiv kombinatsiyasi ta'minlanadi. Rentgen komponentlarining to'lqin uzunligi spektrlarini va rentgen kvantlarining energiyasini yozib olish mumkin. Bu o'rganilayotgan material yuzasining kimyoviy tarkibini, shu jumladan alohida tanlangan nuqtada juda sezgir (foizning o'ndan mingdan bir qismi) miqdorini tahlil qilishni ta'minlaydi. RSMA ning fazoviy o'lchamlari 200-500 nm gacha va namunalar yuzasini tayyorlash sifatiga bog'liq. 2. Spektral tadqiqot usullari. Spektral usullar odatda o'rganilayotgan materialni elektronlar, ionlar va fotonlar bilan nurlanish natijasida kelib chiqadigan nurlanishning energiya spektrini tahlil qilish asosida qattiq sirtlarni o'rganish usullarini o'z ichiga oladi (4.4-rasm). Hozirda bir necha o'nlab bunday usullar mavjud. Biroq, ushbu usullarning barchasi nanomateriallarni tadqiq qilish sohasida ustun yoki maxsus qo'llanilmaydi. Shunday qilib, masalan, miqdoriy tahlil qilishda taniqli rentgen spektral mikroanaliz usuli namunadagi tahlil qilingan maydonning diametrini 1-2 mikrondan yaxshi emas va rentgen fotoelektron spektroskopiyasi usuli - hatto 2-10 mm. Shu munosabat bilan, biz bir tomondan nanomateriallarni o'rganish uchun qiziqish uyg'otadigan va boshqa tomondan eng ilg'or va keng qo'llaniladigan bir qator usullarni ko'rib chiqamiz.

Oje elektron spektroskopiyasi (EOS).

Ushbu usul ikkilamchi Oje elektronlarining energiya tahliliga asoslangan. Oje effekti 1925 yilda kashf etgan frantsuz fizigi sharafiga nomlangan. Yiqilgan elektron atomning ichki qobig'idagi elektronni urib yuboradi. Namuna yuzasida atomlarning qo'zg'alishi natijasida ikkilamchi elektronlarning emissiyasi kuzatiladi. Ularning ozgina qismi (taxminan 10-5) bir vaqtning o'zida fotonlarning nurlanishisiz (rentgen kvantasi) interorbital o'tish natijasida namuna qoldiradi. Bunday elektronlarga Oje 49 elektron deyiladi. Oje elektronining kinetik energiyasi elektron tortib olingan ichki qobiqning energiyalari va yuqori bo'lgan energiya sathining energiyasi farqi bilan belgilanadi, bu yerdan Auger elektronining chiqishi bilan elektron hosil bo'lgan bo'sh joyga o'tadi.

Spektral usullarning ishlash printsiplari sxemasi: a) elektron nurlantirishga asoslangan usullar; b) fotonlar bilan nurlanishga asoslangan usullar; v) ion nurlanishiga asoslangan usullar; EOS - elektron elektron spektroskopiyasi, DME - sekin elektronlarning diffraktsiyasi, DBE - tezkor elektronlarning tarqalishi, DNME - inelastial aks ettirilgan sekin elektronlarning tarqalishi, ESID - elektron stimulyatsiya qilingan ionlarning desorbtsiyasi, MSEPS - elektron sirt zondlari bilan mass-spektroskopiya, ESD - elektron-stimul - sirt molekulalarining desorbsiyasi, SCI - xarakterli nurlanishning spektroskopiyasi, SPP - chegara potentsiallarining spektroskopiyasi, LMA - lazerli mikroorganizmlar tahlili, IRP - infraqizil yutilish, Raman spektroskopiyasi - estrodiol nur sochishi, EM - ko'rinadigan yorug'lik ellipsometriyasi, fotodisorbtsiya, XPS yoki ESA-X-ray spektroskopiya, ISR - ionlarning tarqaladigan spektrometriyasi, MSVI - ikkilamchi ionlarning massa spektroskopiyasi, ANN ionlarini neytrallashtirish spektroskopiyasi, rentgen nurlari, PIR - protonlar tomonidan ishlab chiqarilgan rentgen nurlari tahlili bilan IMAR - ion mikroproblari.