Внедрение нанотехнологий в промышленность требует подготовки соответствующего оборудования для лабораторий. Такое оборудование позволяет получать информацию о молекулярном составе поверхности и объёма, реконструировать трехмерное распределение физических свойству объектов с нанометровым разрешением, изучать кинетику изменения состояний отдельных молекулярных фрагментов и кластеров в широком интервале температур, осуществлять автоматическую диагностику большого ансамбля объектов. Все эти исследовательские инструменты объединяют в единую систему методы локальной обработки (зондовая микроскопия, фокусированные ионные и электронные лучи) и методы групповых обработок (МЛЭ, CVD, магнетронное распыление, лазерная абляция, плазменные системы травления, очистки, осаждения) [1].

При создании наноматериалов необходимо учитывать три условия: пространственное ограничение, эффекты близости и самоорганизации.

Использование нейтронов позволяет решать ряд задач в области развития нанотехнологий [2]:

1) изучение механизмов преобразования поверхностей и межфазных границ, процессов самосборки;

2) изучение механизмов образования наноструктур в магнитных полимерах;

3) изучение механизмов эволюции кластеров в коллоидных растворах.

При разработке новых наноразмерных материалов необходимо установить, как условия получения этих материалов влияют на их структуру и свойства. Характеристики наноматериалов можно изучать различными методами, которые имеют свои преимущества и недостатки, поэтому при изучении сложной структуры материалов нанометрового диапазона особый интерес представляют комплексные подходы диагностики, объединяющие различные методы. Для исследования структуры вещества активно используется малоугловое рассеяние рентгеновского излучения и нейтронов (МУР) [3… 5]. С помощью этого метода можно определить ряд структурных характеристик, например, распределения по размерам различных включений в изотропных дисперсных системах, параметры внутренней структуры и т.д.

Эффективно применяется в материаловедении для исследования диэлектрических активированных кристаллов, полупроводников, стёкол, плёнок и других конденсированных сред электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Переход на более высокие частоты позволяет существенно расширить круг задач, решаемых методом электронного парамагнитного резонанса, и даёт возможность получать ценную информацию для технологий производства наноматериалов.

К основным преимуществам перехода на более высокую частоту в экспериментах электронного парамагнитного резонанса для изучения наноматериалов относится [6]:

1) во всех спектрах ЭПР W-диапазона наблюдается более высокое разрешение, облегчающее интерпретацию результатов;

2) размеры образцов для ЭПР-спектроскопии невелики (0,5…3 микролитра). Такие размеры позволяют эффективно проводить поисковые исследования при ограниченном количестве наноматериала;

3) возможность измерения одновременно спектров ЭПР и их релаксационных характеристик существенно повышают информативность эксперимента;

4) использование методики двойного электронно-ядерного резонанса позволяет определить позицию парамагнитного центра (в том числе квантовых точек) в нанообъектах.

Одним из методов, используемых при изучении наноразмерных многокомпонентных и гетерослойных систем является стехиографический метод дифференцирующего растворения [7, 8]. Метод основан на анализе стехиограмм- функций изменения во времени мольных отношений скоростей массопереноса химических элементов из состава анализируемого вещества. Дифференцирующее растворение (ДР) идет в специально создаваемом проточном динамическом режиме без их выделения в чистом виде и без априорного знания фазового состава анализируемого объекта. Эта инструментальная техника определяет одновременно стехиометрию и количество фаз в многоэлементных и многофазовых твёрдых объектах [7… 9].

Отличительными особенностями метода ДР являются:

- безэталонная природа, позволяющая анализировать неизвестные объекты в виде дисперсных порошков, композитов, тонких плёнок, гетероструктур, содержащих кристаллические и/или аморфные фазы постоянного и/или переменного состава;

- чувствительность обнаружения примесных фаз превышающая на 2…3 порядка классический РФА особенно в случае микрограммовых образцов;

- возможность сканирования объёма образца с пространственным разрешением на уровне 10 Е/см²;

- выполнение анализа в течение 5…30 минут при очевидной простоте самого эксперимента;

- отсутствие специальных требований к образцу и условиям эксперимента (вакуум, юстировка прибора и др.).

Метод ДР является российским изобретением и защищён соответствующими патентами [10, 11].

Метод динамического рассеяния света – это интерференционный метод исследования броуновского движения частиц. Суть его заключается в падении луча лазера на кювету с коллоидом и рассеивании частицами, движущимися хаотически. Это приводит к флуктуации локальной плотности наночастиц и, следовательно, флуктуации интенсивности рассеянного света на фотоприёмнике. Для того чтобы поанализировать временную зависимость флуктуаций плотности частиц, проводится анализ спектра света, рассеянного вследствие этих флуктуаций [12].

Для изучения наноразмерных материалов используются практически те же методы, что и для исследования кристаллических материалов, однако необходимо учитывать разрешающую способность методов, так как исследованию подвергаются поверхности с размерами с размерами  менее 200 нм. Рассмотрим основные методы структурного и химического анализа.

Электронная микроскопия. По сравнению с обычными  световыми микроскопами использование электронного луча с малой длиной волны существенно увеличивает разрешающую способность.

Как правило, используются такие электронные микроскопы, как просвечивающие, растровые (сканирующие), эмиссионные и отражательные. Наиболее часто применяются методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии.

Просвечивающая электронная микроскопия («просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения») [13]. Просвечивающая электронная микроскопия позволяет получить изображения с высоким разрешением до 0,1 нм при размере исследуемого фрагмента до 50 нм. Полученное изображение характеризует строение материала, а дифракционная картина – тип кристаллической решётки.

Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Растровый электронный микроскоп дает возможность получить изображение объекта сфокусированным лучом электронов. Диаметр зонда может составлять 5…1000 нм [14…16]. Излучение, возникающее при взаимодействии электронов с поверхностью материала, регистрируется с помощью специальных приборов и датчиков.

Спектральные методы исследования. Спектральные методы позволяют исследовать поверхности твёрдых тел и основаны на анализе энергетических спектров отражённых излучений, возникающих при облучении изучаемого материала электронами, ионами и фотонами.

Электронная Оже-спектроскопия (AES). В приборах данного типа энергия электронов в падающем пучке составляет 0,1…3 кэВ [15, 16] и  исследуется поверхность на глубине 0,5…3,0 нм. Разрешение по поверхности составляет до 50 нм.

Масс-спектроскопия вторичных ионов. Данный метод основан на распылении поверхности исследуемого материала пучком ионов с последующим анализом продуктов распыления (выбитых вторичных ионов). Метод обладает высокой чувствительностью при разрешении по глубине от  1 до 10 нм, а по поверхности от3 мм до 500 нм, а при использовании специальных источников ионов и до 40 нм [15, 16].

Лазерный микрозондовый анализ. В данном методе используется пучок импульсного лазерного излучения, под действием которого происходит испарение микрообъёма материала из выбранной точки поверхности и его ионизация [16]. Длительность импульса излучения в ультрафиолетовом диапазоне светового спектра составляет 30 нс и менее. Диаметр пятна достигает порядка 100…500 нм. Недостатком метода является невысокая точность определения количественного содержания элементов (до 30 %).

ИК – спектроскопия органических соединений. ИК-спектры связаны с переходами между колебательными уровнями атомов в молекулах. При поглощении молекулой излучения с n<300 см^–1 возникает вращательный спектр, а при воздействии излучения с n = 300…4000 см^–1 происходят изменения как во вращательных, так и в колебательных состояниях молекулы – возникает инфракрасный вращательно-колебательный спектр. Энергии переходов между колебательными уровнями составляют (0,008…1,987)×10^–19 Дж (ИК-область в общем электромагнитном спектре занимает диапазон 10000…400 см^–1) [17].

Инфракрасные спектры поглощения могут быть измерены для веществ, находящихся в любом агрегатном состоянии. Инфракрасный спектр является тонкой характеристикой вещества и служит критерием для установления идентичности или неидентичности двух соединений, поскольку каждое соединение имеет присущий только ему набор полос поглощения.

Рентгенографические методы исследования. Рентгеновские методы исследования являются более универсальными и к настоящему времени более современными методами исследования материалов. Рентгеновские лучи возникают под влиянием катодных лучей – потока электронов при бомбардировке ими поверхности некоторых металлов в электронных рентгеновских трубках.

Рентгеновские методы исследования делятся на рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализы. Рентгеноструктурный анализ применяется для определения точных позиций атомов в элементарной ячейке, установления пространственной группы структуры, распределения электронной плотности. Рентгеновский структурный анализ характеризует конкретную выделенную фазу; он осуществляется главным образом на монокристаллах.

Методы рентгеноструктурного анализа. Метод Лауэ используется для определения симметрии кристаллов. Пучок рентгеновских лучей падает на монокристалл, рассеивается, отражаясь от определённых плоскостей кристалла, и попадает на плоскую фотопластинку, давая на ней в виде засвеченных точек картину строения системы.

Метод Дебая – Шерера. При вращении вокруг рентгеновского луча (как оси) плоскости кристалла, от которой он отражается, при повороте на 360^о отражённый рентгеновский луч на плоской фотопластинке описывает круг, а в пространстве образует конус. Аналогичную картину можно получить и в том случае, если кристалл оказывается раздробленным так тонко, что эти плоскости равномерно ориентируются в массе, отражённые от них лучи являются образующими одного и того же конуса. Лучи, отражённые от одинаковых плоскостей, образуют сплошную коническую поверхность и на фотопластинке фиксируется сплошной круг.

Зная длину волны рентгеновского излучения и угол падения лучей можно определить межплоскостные расстояния в кристалле. Кристалл каждого минерала характеризуется определёнными межплоскостными расстояниями, которые приводятся в справочной литературе.

Рентгенофазовый анализ предназначен для идентификации различных фаз в смеси на основе анализа дифракционной картины, даваемой исследуемым образцом. Основным методом фазового анализа является метод порошка из-за его простоты и универсальности.

Значения межплоскостных расстояний и интенсивностей для различных веществ приведены в нескольких справочниках. Наиболее полной является рентгенометрическая картотека ASTM [18]. Значения межплоскостных расстояний и интенсивностей для многих веществ также приведены в «Рентгенометрическом определителе минералов» В.И. Михеева [19] и справочнике Л.И. Миркина [20].

Сканирующие зондовые методы исследования. Методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) используются для визуализации микро-и наноструктур. Эти методы не требуют сложной предварительной подготовки образцов и дают возможность работы в широком диапазоне различных внешних условий: высокая или сверхнизкая температура, вакуум, жидкость, воздушная или контролируемая газообразная среда [21…25]. Ещё одна важная особенность – это возможность проведения экспериментов, в которых наблюдается динамика процессов на поверхности вещества.

Последние тенденции развития СЗМ свидетельствуют о качественном переходе в исследованиях от простой визуализации поверхности к количественной характеризации различных её физических и химических свойств. СЗМ обладает огромным потенциалом, что связано с возможностью получения метрологически точной, трёхмерной информации о свойствах поверхности образца с нанометровым пространственным разрешением (в отдельных благоприятных случаях оно может достигать атомарного). Причём, благодаря высокому разрешению СЗМ, можно получать не просто характеристики поверхности в целом, а строить карту распределений той или иной физической величины в нанометровом масштабе измерений [24].

В этих методах, получивших достаточно широкое распространение, используется зонд, представляющий собой алмазную иглу с радиусом ≈10 нм. С помощью специального механизма зонд перемещают над поверхностью образца по трём координатам.

Сканирующая туннельная микроскопия (STM). Этот метод основан на создании электрического напряжения (01-10 В) между зондом и образцом. В зазоре возникает туннельный ток величиной около 1-10 нА, который зависит от свойств и конфигурации атомов на поверхности исследуемого образца.

Метод сканирующей туннельной микроскопии может обеспечить разрешение по плоскости (координаты x и y) до 1 Å, а по высоте (координата z) – до 0,01 Å [26].

Следует учитывать, что исследуемый материал должен обладать электропроводностью. Кроме того, необходимо создание  условий вакуума и низких температур (до 50…100 К) для получения высоких разрешений. Для разрешения в диапазоне порядка 1 нм эти требования необязательны.

Атомно-силовая микроскопия (AFM). В этом методе регистрируют изменение силы взаимодействия кончика зонда (иглы) с исследуемой поверхностью. Игла располагается на конце кантилевера с известной жёсткостью, способной изгибаться под действием небольших сил, возникающих между поверхностью образца и вершиной острия.

Деформация кантилевера измеряется по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в материале кантилевера при изгибе [26].

Разрешение по плоскости (координаты x и y) составляет порядка 1 нм, а по высоте (координата z) – до 0,1 нм. Недостатком метода является невысокая стойкость материала иглы. Однако для большинства исследуемых материалов твёрдости алмазной или фуллеритовой иглы вполне хватает.

Магнитосиловая зондовая микроскопия (MFM). Данный метод представляет собой разновидность метода атомно-силовой микросокопии. Отличие заключается в том, что кончик иглы кантилевера выполняется из магнитного материала или игла имеет ферромагнитное покрытие. При этом кантилевер становится чувствительным к магнитной структуре образца. Разрешение этого метода составляет порядка 10…50 нм [26].

Сканирующая микроскопия ближней оптической зоны (SNOM). Использование в качестве зонда светового волновода позволяет достигать разрешения до 10 нм. В ряде приборов самого последнего поколения с использованием нанотехнологий лазер и фотоприёмник стали располагать на кончике иглы атомно-силового микроскопа, что позволяет объединять возможности обоих методов [26].

Фотоакустическая микроскопия. Совместное использование лазерной фотоакустической микроскопии и методов индентирования для детектирования внутренних напряжений в хрупких и пластичных материалах продемонстрировали свою перспективность для различных материалов [27].

Этот метод демонстрирует повышенную чувствительность к внутренним напряжениям в наноструктурированных материалах. Достоинствами лазерного фотоакустического (ФА) метода наряду с высоким пространственным разрешением являются: отсутствие сильных воздействий, необходимых для некоторых других методов; отсутствие необходимости специальной подготовки поверхности объекта; возможность зондирования приповерхностных слоёв с заданной глубиной, определяемой длиной температурных волн [27].

Иные методы исследования. В связи с развитием нанотехнологий особое значение приобретает исследование и контроль свойств поверхностных слоёв новых функциональных, упрочнённых наночастицами материалов, наноструктурных покрытий, твёрдых и сверхтвёрдых материалов и покрытий (нанотвёрдомеры и ультра-нанотвёрдомеры, скретч-тестеры, калотест и т.д.). Нанотвёрдомеры и ультра-нанотвёрдомеры – инструменты, реализующие метод непрерывного инструментального индентирования, благодаря чему в процессе исследования твёрдости можно получить информацию не только о твёрдости и модуле Юнга, оценить долю упругой составляющей в общей деформации и получить данные о скрытой и рассеянной энергии деформации [28].

В скретч-тестерах реализуется метод измерительного царапания. В процессе измерения регистрируются прилагаемая тангенциальная сила, глубина погружения индентора и акустическая эмиссия.

Калотест/Каловеар – семейство приборов, в которых реализован метод шарового истирания, позволяющий при помощи простых геометрических вычислений определять толщину слоёв покрытий, а при помощи прибора Каловеар – определить (по Арчедру) степень износа покрытия, плёнки и материала субстрата [28].

Рассмотренные методы, исследовательские инструменты и контрольно-измерительное оборудование, позволяет регистрировать процессы на субмолекулярном уровне пространственного разрешения, формировать и контролировать свойства наноструктур.

1. Быков, В.А. Оборудование для метрологических, аналитических и технологических разработок в области нанотехнологий [Текст] / В.А. Быков // Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. – 2008. – Том 1. – С. 189-191.
2. Аксенов, В.Л. Нейтроны в нанодиагностике и исследованиях наноматериалов [Текст] / В.Л. Аксенов // Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. – 2008. – Том 1. – С. 188.
3. Волков, В.В. Малоугловое рентгеновское рассеяние и структура биологических полимерных и композитных наноматериалов [Текст] / С.В. Волков // Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. – 2008. – Том 1. – С. 192.
4. Вуль, А.Я. Особенности диагностики углеродных наноматериалов [Текст] / А.Я. Вуль // Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. – 2008. – Том 1. – С. 192-194.
5. Бойко, М.Е. Диагностирование наноразмерных дефектов совершенных кристаллов, пленок и многослойных наносистем методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей [Текст]  / М.Е. Бойко, С.Г. Конников // Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций.– 2008. – Том 1. – С. 230.
6. Аганов, А.В. ЭПР-спектроскопия наноматериалов в Х- и W-диапазонах [Текст] / А.В. Аганов [и др.]  // Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций.– 2008. – Том 1. – С. 207.
7. Малахов, В.В. // Докл. АН СССР. – 1986. – Т. 290. – С. 1152-1156.
8. Малахов, В.В., / В.В. Малахов,  И.Г. Васильева // Успехи химии. – 2008. – Т.77. – С.370 – 392.
9. Васильева, И.Г. Диагностика наноразмерных систем: новая концепция и техника [Текст] // И.Г. Васильева, В.В. Малахов // Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech». Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. – 2008. – Том 1. – С. 233-235.
10. Пат. 2056635 Российская Федерация, МПК⁶ G01N31/00. Способ фазового анализа твердых веществ [Текст] / Малахов В.В., Болдырева Н.Н., Власов А.А.; заявитель и патентообладатель Институт катализа СО РАН – 4853287/26; заявл. 18.07.1990; опубл. 20.03.1996 – 3с: ил.
11. Пат. 2075338 Российская Федерация, МПК⁶ B01F1/00, B01J8/00. Установка для изучения кинетики растворения твердых веществ [Текст] / Малахов В.В., Власов А.А., Болдырева Н.Н., Довлитова Л.С., Елагин А.С., Пармон В.Н.; заявитель и патентообладатель Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН – 94030213/26; заявл. 15.08.1994; опубл. 20.03.1997 – 4с: ил.
12. Карпо, А.Б. Динамическое рассеяние света в учётом заряда наночастиц [Текст] / А.Б. Карпо, С.Б. Коровин, В.И. Пустовой // Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech». Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. – 2008. – Том 1.- С. 251-253.
13. Карабасов, Ю.С. Новые материалы [Текст] /Ю.С. Карабасова. – М.: МИСИС, 2002 – 736 с.
14. Геллер, Ю.А., Рахштадта А.Г. Материаловедение [Текст]: учеб. Пособие / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадта. – М.: Металлургия, 1989. – 456 с.
15. Металловедение и термическая обработка стали [Текст]: под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштадта. – М.: Металлургия, 1991. Т 1.1. – 304 с.
16. Ковалев, А.И. Современные методы исследования поверхности металлов и сплавов [Текст] / А.И. Ковалев, Г.В. Щербединский. – М.: Металлургия, 1989. – 192 с.
17. Вернигорова, В.Н. Физико-химические методы исследования свойств строительных композиционных материалов [Текст]: монография / В.Н. Вернигорова, Е.В. Королев, Ю.А. Соколова и др. – М.: издательство «Палеотип», 2009. – 320 с.
18. Защук, И.В. Электроника и акустические методы испытания строительных материалов [Текст]: учеб. пособие / И.В. Защук. –  М.: Высшая школа, 1968. –  274 с.
19. Михеев, В.И. Рентгенометрический определитель минералов [Текст]: справочное пособие / В.И. Михеев. –  М.: Госгеолиздат, 1957. –  563 с.
20. Миркин, Л.И. Рентгеноструктурный анализ [Текст]: Справочное руководство/ Л.И. Миркин. –  М.: Наука, 1959. –  560 с.
21. Bukharaev A.A., Nurgazizov N.I., Mozhanova A.A., Ovchinnikov D.V. Surface Science, 482, 1319 (2001).
22. Chuklanov A.P., Bukharaev A.A., ZiganshinaS.A.Surf. Interface Anal. 38, 679 (2006).
23. Чукланов, А.П. Микроэлектроника [Текст] / А.П. Чукланов, А.А. Бухараев, П.А. Бородин // Микроэлектроника. – 2005. – С. 367.
24. Bukharaev A.A., Mozhanova A.A., Nurgazizov N.I., Ovchinnikov D.V. Phys.Low-Dim. Struc., 3/4, 31 (2003).
25. Бухараев, А.А. Особенности получения топографических, оптических, упругих и адгезионных характеристик нанообъектов методами сканирующей зондовой микроскопии [Текст] / А.А. Бухараев [и др.] // Международный форум по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. – 2008. – Том 1. – С. 231-233.
26. Головин, Ю.И. Введение в нанотехнологию [Текст] / Ю.И. Головин. – М.: Изд-во «Машиностроение –1», 2003 – 112 с.
27. Глазов, А.Л. Разработка принципов измерения внутренних напряжений в наноматериалах методами лазерной фотоакустической микроскопии [Текст] / А.Л. Глазов, К.Л. Муратиков // Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech». Сборник тезисов докладов научно-технологических секций.– 2008. – Том 1. – С. 239-241.
28. Могильников, Ю.В. Оборудование для исследования поверхности материалов в нано-, микро-, макродиапазонах компании CSM-INSTRUMENTS [Текст] / Ю.В. Могильников, А.Н. Овсянников, И.Н. Протасова // Международный форум по нанотехнологиям «Rusnanotech». Сборник тезисов докладов научно-технологических секций.– 2008. – Том 1. – С. 267-269.

Все статьи автора «Макарова Людмила Викторовна»