Методы визуализации зарождения и роста углеродных наноструктур и позиционирования наноконтактов

Трунов, Семён Викторович

Методы визуализации зарождения и роста углеродных наноструктур и позиционирования наноконтактов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Трунов, Семён Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нальчик МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Методы визуализации зарождения и роста углеродных наноструктур и позиционирования наноконтактов»

Автореферат диссертации на тему "Методы визуализации 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

2 3 ИЮН 2011

НАЛЬЧИК -2011

4850895

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-атематических наук, профессор Магкоев Тамерлан Таймуразович

Ведущая организация: Таганрогский технологический институт

ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится 4 июля 2011г. в 17— часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.02 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.

Текст автореферата размещен на официальном сайте Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова 3 июня 2011 г. http://kbsu.ru

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

Автореферат разослан 3 июня2011г.

Ученый секретарь диссертационного 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..

щих контролировать каждый этап технологическог о 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 на-нозонда 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 на-нозонда по поверхности образца. Способ продемонстрирован на примерах наблюдения за перемещением контакта острия кантиле-

вера (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 наноси-стемах» 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 105раз.

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 2x2 мкм.

Личный вклад

ной 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 Fia 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. JIoo. 5-9 сентября 2008г.; Труды второго международного симпозиума «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», Ростов-на-Дону, п. JIoo, 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 электропроводно-

стью, 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 нано-объектами 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 ис-

следовать механизмы зарождения и роста наноструктур, диагностировать их строения и свойства.

Экспериментальная установка собрана на базе модернизированного серийного электронного микроскопа "ТЕ8ЬА ВБ - 250". Схематическое изображение установки представлено на рис. 1. Необходимыми функциональными условиями экспериментальной установки являются перевод колонны просвечивающего микроскопа "ТЕ8ЬА В8 - 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 "ТЕ8ЬА В8 -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.

Рис. 2. Фото рабочей камеры микроскопа. Общий вид

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.

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 Ю-6 Па, что является необходимым условием для получения сфоку-

сированного пучка электронов и соблюдение чистоты поверхности в процессе экспериментальных воздействий на образец.

По достижении необходимых условий в рабочей камере включаем электропитание ЭМ. После 2-3 минутного прогрева катода на люминесцентном экране нужно получить светящуюся точку диаметром 1 -2 мм, что наглядно демонстрирует правильную работу фокусирующих линз и то, что давления в камере соответствуют требуемым условиям работы микроскопа.

Затем с помощью микрометрических винтов подводим вольфрамовые иглы в рабочую область микроскопа и получаем чёткое изображение на экране с увеличением до 104 раз, а так же подводится репер (игла стандартного зонда для АСМ) в область обзора.

Далее увеличиваем ток пучка электронов до 200 мкА при ускоряющем напряжении 100 кВ; подав на вольфрамовые иглы напряжение с блока питания около 50 В и с помощью микрометрических винтов и высокоточных пьезаманипуляторов сводим их до соприкосновения, а затем разводим их на минимальное расстояние между остриями игл. После облучения рабочей поверхности электродов в области острий игл можно обнаружить зоны роста углеродных наноструктур в виде стержней и спиралей на поверхности электродов и стенках камеры. Для оценки параметров полученных наноструктур в область наблюдения спиралей и стержней вводится репер (кантилевер) с заведомо известными размерными характеристиками. На рис. 3 представлены снимки спиралевидных углеродных нанотрубок, полученных в рабочей камере электронного микроскопа. Они отличаются от приведённых в литературе УНТ высокой чистотой от примесей.

Для сравнения физико-химических характеристик полученных нами образцов УНТ с имеющимися в литературе собрана экспериментальная установка (рис. 4), позволяющая синтезировать углеродные наноструктуры (нанотрубки) традиционным методом дугового распыления. Во время горения электрической дуги между графитовыми электродами некоторое количество углерода, испаряясь с анода, конденсировалось в виде раствора на катодном стержне. Оказалось, что центральная часть раствора содержала нанотрубки и наночастицы в очень малых количествах. С целью существенного увеличения выхода углеродных нанотрубок при

Рис. 3. Снимки, полученные на экспериментальной установке по визуализации процессов зарождения и роста УНС

дуговом испарении графита дуговой разряд между графитовыми электродами осуществляли в камере с охлаждаемыми с наружи парами азота стенками и при давлении буферного газа - гелия около 10 Па. Расстояние между электродами составляло порядка 1мм. Оно поддерживается с помощью микрометрических винтов. Диаметры графитовых катодов составляли около 9 мм.

Рис. 4. Схематическое изображение установки по дуговому испарению для получения фуллеренов и нанотрубок: 1 - микровинты для подачи графитовых стержней, 2 - токовводы (вакуумноплотные)

При токе дуги 50-75 А и напряжении на электродах 25-30 В температура плазмы в межэлектродной области при этом достигает значения порядка 4000 К, что соответствует температуре испарения поверхности графитового анода. Графитовый стержень анода сгорает со скоростью менее 1 мм в минуту.

Как только стержень анод почти полностью выгорит, энергия отключается, производится вскрытие камеры только при её полном охлаждении. Содержание УНТ в осадках на катоде и стенках камеры несколько увеличилось. Сложность состояло в выделении их из этих растворов.

Как показывает анализ специальной литературы, целый ряд факторов играет важную роль при получении заметного выхода нанотрубок высокого качества, наиболее важными из них являются давление гелия в испарительной камере, величина подаваемого тока на электроды, постоянное охлаждение электродов, катализа-

торы в графитовых электродах т.д. Для получения качественных углеродных структур надо применять высокочистые графит и гелий регулируемого давления, эффективный метод охлаждения электродов и камеры. В таких условиях также важно визуально наблюдать за процессами зарождения и дальнейшего роста получаемых наноструктур, иметь возможность при необходимости воздействовать на эти процессы.

Сравнительный анализ углеродных наноструктур, полученных стандартным методом дугового испарения графита с соблюдением отмеченных выше условий и с использованием нового метода визуализации роста углеродных нанотрубок, показал, что по физико-химическим параметрам в обоих случаях полученные УНТ в целом идентичны. Данный факт позволяет утверждать, что с помощью нового метода действительно образуются качественные углеродные нанотрубки в виде стержней и спиралей с последующей возможностью селекции (отбора) УНТ nd необходимым параметрам. Данный метод позволяет также изучить факторы, влияющие на структурные изменения образующихся углеродных нанотрубок. Таким образом, разработана экспериментальная установка, обеспечивающая визуализировать образование и рост отдельных наночастиц (УНТ и фуллеренов), изучить их тепловые, электрические и механические свойства, производить селективный отбор, а также фиксировать их изображения и кинетику их роста в виде фото и видео материалов.

Глава 3 посвящена получению углеродных наноструктур в камере экспериментальной установки, описанию предложенного способа, визуально управляемого позиционирования нанозонда и условия смачиваемости нити нанокаплей, обсуждению результатов.

Разработана методика синтеза углеродных новообразований (нанотрубок) в условиях высокого вакуума 10"4 Па) и визуального контроля кинетики зарождения и роста на разработанной и собранной экспериментальной установке с использованием метода теневой электронной микроскопии. На данной установке получены углеродные нанотрубки в виде спиралей и стержней (рис. 3). В режиме работы in - situ для многопользовательских наблюдений и изучения строения производили мгновенный компьютерный ввод и распечатки изображений получаемых в ходе проведения эксперимента изображений нанообъектов, используя систему фото и

видео регистрации и комплекс размещённых по периметру лаборатории мониторов.

По нашим оценкам, диаметр однослойных нанотрубок составлял около 1-1,5 нм, длина углеродных нанотрубок в виде стержней - около 100 нм, а их длина в виде спиралей достигала 2 мкм и более при диаметре витка около 15 нм. Синтезированные в виде стержней и спиралей нанотрубки обладают высокой термостойкостью, выдерживая нагрев на электроразрядах до температуры 4000°С, при которой вольфрамовая игла расплавлялась.

Важна задача создания зондовой аппаратуры для проведения исследования структур в нанолокальных масштабах. При этом надо уметь управлять положением зонда на поверхности исследуемого образца, обеспечить целенаправленное нанометровое позиционирование в системе зонд - наноконтакт, определить взаимное расположение зонда и наночастицы при получении информации об изучаемом параметре.

Проблема нанометрового позиционирования зонда в исследованиях строения и процессов на поверхности материалов весьма важна и сложна. Описанный оригинальный экспериментальный метод визуализации процессов зарождения и роста углеродных нанотрубок и их селекции позволил разработать способ и создать устройство для управляемого прецизионного позиционирования нанозондов по поверхности исследуемого образца, добиваться на-ноконтактов в атомарном масштабе.

В экспериментах в качестве нанозонда использован кантилевер АСМ остриё которого оттачивалось пучком электронов высоких энергий, а в качестве нанообъекта - полученные в самой установке углеродные нанотрубки. На рис. 5 изображено позиционирование острия кантилевера с нанокаплей олова диаметром около 20 нм (на поверхности пленки золота), а на рис. 6 представлена последовательность позиционирования нанометрового острия кантилевера диаметром около 15 нм с торцом спирали из нанотрубок, внутренний диаметр которой составляет около 80 нм. Между соседними кадрами имелись десятки других кадров, показывающих процесс позиционирования в системе острие зонда - торец наноспирали. На рис. 6 представлены лишь характерные кадры, которые дают представление о возможности управления движением острия кантилевера (зонда) в процессе его позиционирования. ,

Рис. 5. Позиционирование острия кантилевера (Я ~ Юнм) с нанокаплей олова диаметром около 20нм, лежащей на поверхности пленки золота, находящейся на поверхности твердого тела (увеличение ~ 2-104).

Кадры а) и б) рисунка 6 отражают сближение острия кантилевера с торцом наноспирали; в) показывает, что острие кантилевера полностью введено в наноспираль, но для отрыва его от наноспирали требуется приложить некоторое усилие; г), д), е) -процесс отрыва зонда и отход его от наноспирали. Легко заметить, что в режиме реальной визуализации микро- и наноманипуляторы установки позволяют с высокой точностью подводить зонд (острие кантилевера) к торцу спирали, вводить его внутрь наноспирали и снова выводить наружу.

На базе созданной установки разработана методика для исследования размерного эффекта смачиваемости тонких нитей микро- и наноразмерными металлическими каплями. Отметим, что явление смачиваемости нашло использование для транспортировки

д) е)

Рис. 6. Последовательность позиционирования острия кантилевера с торцом спирали из нанотрубки (увеличение ~ 2-104)

жидкости через капиллярно - пористые среды в условиях невесомости в космосе, следовательно, особое значение приобретает изучение размерного эффекта смачиваемости. Дерягин Б.В. и Щербаков Л.М. много внимания уделяли проблеме, размерной зависимости краевого угла смачивания, результаты которых обобщены и развиты в работах их сотрудников.

На рис. 7 представлена фотография платиновой нити с посаженной на ней каплей олова.

0,66мкм

0,1мкм

0,5мкм

Рис. 7. Смачивание платиновой нити каплей олова. Увеличение в 1,2-104 раз

Угол смачивания вг(г) оказался равным 14 градусам, тогда

как угол смачивания плоской поверхности платины большой каплей олова при той же температуре составляет около 21 градуса. Таким образом, наноразмерная нить платины лучше смачивается малой каплей олова, что качественно согласуется с формулой, полученной на основе капиллярного эффекта второго рода Щербакова Л.М.

Однако, при контакте нанокапли размером менее ~ 20 нм с плоской поверхностью (рис. 5) влияние линейного натяжения на линии пересечения трёх фаз твёрдое тело - жидкость - газ (линия смачивания) приводит к ухудшению смачиваемости.

В заключении следует отметить, что создание технологии получения наноструктур с новыми функциональными возможностями исключительно актуально для решения задач наноматериало-ведения, нано - и оптоэлектроники, средств связи, новых информационных технологий, медицины и т.д.. Успехи в создании таких технологий будут определяться прежде всего развитием эффективных методов исследования механизма зарождения и роста наноструктур и диагностики их свойств.

_ . 2а 4а

соэ в. ~ соэ 0т 1 + — + ——- , а = 0,2 нм

Г г2

Основные результаты работы

1. Разработана методика визуализации процессов зарождения и роста наночастиц на основе оригинальной экспериментальной установки, позволяющей получать изображения нанообъектов с увеличением около 105раз.

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 высокими термостойкостью (Тщ, > 4000 К), металлической электропроводностью и механической прочностью.

4. Собрана экспериментальная установка для получения УНТ методом дугового распыления графитовых стрежней с катализаторами и охлаждаемыми снаружи стенками.

5. Показано, что металлические капли олова микронных размеров лучше смачивают поверхности тонких платиновых нитей, а капли с диаметром менее 20 нм не смачивают плоскую поверхность.

Список литературы:

1. Трунов, C.B. Метод и экспериментальная установка для визуального позиционирования наноконтактов. / Р.И. Тегаев, Х.Б. Хоконов, Б.С. Карамурзов, C.B. Трунов, А.Г. Магомедов. //Известия РАН. Серия физическая. 2008. Том 72, № 10. С. 14391442.

2. Трунов, C.B. Компактный сканирующий зондовый микроскоп, встраиваемый в электронный микроскоп BS - 250. / Р.И. Тегаев, А.Х. Тутуков, O.A. Дышеков, C.B. Трунов. // Вестник КБГУ. Серия физические науки. Вып. 7. Нальчик: Каб.-Балк. ун-т. 2002. С. 47-48.

3. Трунов, C.B. Установка для исследования кинетики зароды шеобразования, роста и селекции наноуглеродных структур. /Р.И. Тегаев, Х.Б. Хоконов, A.M. Шериев, C.B. Трунов, А.Г. Магомедов. // Вестник КБГУ. Серия физические науки. Вып. 9. Нальчик: Каб.-Балк. ун-т. 2004. С. 43.

4. Трунов, C.B. Экспериментальная установка и методика визуализации зарождения и роста углеродных нанотрубок. / Р.И. Тегаев, Х.Б. Хоконов, Б.С. Карамурзов, C.B. Трунов, A.M. Шериев, А.Г. Магомедов. // Вестник КБГУ. Серия физические науки. Вып. 10. Нальчик: Каб.-Бал. ун-т, 2005. С. 29-30.

5. Трунов, C.B. Смачиваемость тонких нитей наноразмер-ной каплей. / Р.И. Тегаев, Х.Б. Хоконов, C.B. Трунов, A.M. Шериев, А.Г. Магомедов. // Труды II Международного семинара "Теплофи-зические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наноструктуры)". Нальчик: КБГУ. 2006. С. 127-128.

6. Трунов, C.B. Установка для синтеза углеродных наноструктур методом дугового разряда и термического распыления. /Р.И. Тегаев, Х.Б. Хоконов, C.B. Трунов, A.M. Шериев, А.Г. Магомедов. //Труды II Международного семинара "Теплофи-зические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наноструктуры)". Нальчик: КБГУ. 2006. С. 129-130.

7. Трунов, C.B. Электропроводность и полевая эмиссия на-норазмерных контактов твёрдых тел. / Р.И. Тегаев, Х.Б. Хоконов, C.B. Трунов, A.M. Шериев, А.Г. Магомедов. // Труды II Международного семинара "Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наноструктуры)". Нальчик: КБГУ. 2006. С. 130-131.

8. Трунов, C.B. Метод и экспериментальная установка для визуализации кинетики зарождения и роста наноструктур и управляемого позиционирования наноконтактов. / Б.С. Карамурзов, Х.Б. Хоконов, Р.И. Тегаев. // Первый международный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей (LDS - 2008). Ростов-на-Дону, п. Лоо, 5-9 сентября 2008г. С. 266-267.

9. Трупов, C.B. О размерном эффекте смачиваемости поверхности твёрдых тел нанокаплей. / Р.И. Тегаев, Б.С. Карамурзов, Х.Б. Хоконов. // Тезисы докладов XII Российской конференции. «Теплофизические свойства веществ и материалов». Москва, 7-10 октября 2008г. М: 2008. С. 149.

10. Труяов, C.B. Размерный эффект смачиваемости поверхности твёрдого тела нанокаплей. / Р.И. Тегаев, 3.0. Бесланеева, C.B. Трунов, Х.Б. Хоконов. // Вестник КБГУ. Серия физические науки. Вып. 12. Нальчик: Каб.-Бал. ун-т, 2009. С. 6-8.

11. Трунов, C.B. Стробоскопический метод визуализации и позиционирования углеродных наноструктур. / Р.И. Тегаев, C.B. Трунов, З.М. Хамдохов, Х.Б. Хоконов. // Вестник КБГУ. Серия физические науки. Вып. 12. Нальчик: Каб.-Бал. ун-т, 2009. С. 35-36.

12. Трупов, C.B. Определение пространственной формы и размеров эритроцитов на атомно-силовом микроскопе, встроенном в просвечивающий электронный микроскоп. /C.B. Трунов, О.Х. Гегаева, Р.И. Тегаев. // Вестник КБГУ. Серия физические науки. Нальчик: Каб.-Бал. ун-т, 2009. Вып. 12. С. 43-44.

Сдано в набор 30.05.2011 г. Подписано в печать 31.05.2011 г. Гарнитура Тайме. Печать трафаретная. Формат 60x84 '/16. Бумага писчая. Усл.п.л.1,0. Тираж 100.

Типография ФГОУ ВПО «Кабардино-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В.М. Кокова»

360030, г. Нальчик ул. Тарчокова, 1а

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Трунов, Семён Викторович

Введение

Глава 1. Обзор методов получения и исследований структуры и свойств углеродных наноструктур

1.1. Традиционные методы получения углеродных наноструктур

1.1.1. Электродуговое распыление графита

1.1.2. Каталитическое разложение углеводородов (СVI) - метод)

1.1.3. Абляция графита с помощью лазерного облучения

1.1.4. Получение открытых и однослойных нанотрубок путем окисления

1.1.5. Электролитический синтез

1.1.6. Каталитический крекинг ацетилена

1.2. Методы исследования структуры и состава нанотрубок

1.3. Свойства и перспективы применения углеродных наноструктур нанотрубок в частности)

Выводы по первой главе

Глава 2. Метод и экспериментальная установка для визуализации процесса зарождения и роста наноструктур

2.1. Экспериментальная установка для исследования зарождения и роста углеродных наноструктур

2.2. Структура рабочей камеры и электрическая схема блока управления перемещениями зонда и образца

2.3. Получение углеродных наноструктур в камере электронного микроскопа экспериментальной установки

2.4. Получение углеродных наноструктур в разрядной камере методом дугового распыления графитовых стержней

Выводы по второй главе

Глава 3. Методы получения углеродных наноструктур и визуально управляемого позиционирования нанозонда на поверхности исследуемого образца

3.1. Методика визуализации получения углеродных нанотрубок

3.2. Способ управляемого позиционирования нанозонда на поверхности образца

3.3. О смачивании тонкой нити каплей микронного размера в металлической системе

Выводы по третьей главе

Введение диссертация по физике, на тему "Методы визуализации зарождения и роста углеродных наноструктур и позиционирования наноконтактов"

Актуальность темы диссертации

В последнее время наблюдается повышенное внимание к проблеме исследований строения и физико-химических свойств наносистем, в том числе углеродных наноструктур 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, новой технике и технологии. Так, материалы с использованием углеродных нанотрубок (УНТ) перспективны для создания источников полевой электронной эмиссии для катодов в электроэнергетике, 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 миниатюрных рентгеновских облучателей, в качестве сверхтонких игл для инъекций и введения препаратов в живую клетку с наименьшим её повреждением и т.д. [1 - 3].

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 получения наноматериалов с заданными параметрами весьма актуальна и проблема создания диагностических и исследовательских методов и приборов, позволяющих контролировать каждый этап технологического процесса производства наноматериалов, повлиять на формирование наночастиц требуемых строения и свойств [4, 5]. Здесь на первое место выдвигается возможность визуализации процессов зарождения и роста наноструктур [6, 7]. 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 данной работы - исследовать кинетику зарождения и роста углеродных наноструктур на базе принципиально нового метода визуализации указанных процессов и отработать методику управляемого позиционирования нанозонда по поверхности исследуемого образца. Ставились задачи:

3. Отработать методику управляемого позиционирования нанозонда в измерительной камере электронного микроскопа;

Научная новизна:

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 смачивают тонкие микрометровые нити, а нанокапли плохо смачивают 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:

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.

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.; П 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» (1£>8 - 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.