Экспертное мнение: Анализ свойств наноматериалов с помощью электронного микроскопа07.12.2015 14:51

В НИТУ «МИСиС» ежегодно проводится мероприятие «Рождественские лекции». В рамках этого мероприятия наши ведущие ученые читают лекцию о своих научных направлениях и основных достижениях. В этом году открывал традиционный цикл рождественских лекций наш ведущий ученый, Директор Центра Нанотрубок Национального Института Науки о Материалах, Цукуба, Профессор Цукубского Университета, Япония, Научный руководитель научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», Д.В. Гольберг. На данный момент у него один из самых высоких индексов Хирша(80)

В своей лекции он рассказывал про анализ свойств наноматериалов с помощью электронного микроскопа. Также важно заметить, что в своей лекции Д.В. Гольберг продемонстрировал исследование, которому нет аналогов в мире, часть его презентации содержит в себе уникальный материал, который, к сожалению, пока не разрешен для публикации. Мы обратились к нему, чтобы он тезисно написал о своей лекции в рамках нашего традиционного цикла публикаций в форме экспертного мнения. Также он согласился ответить на вопросы читателей, если такие будут. После лекции Дмитрий Викторович улетел в США и уже буквально из самолета писал для нас публикацию. Формат, к сожалению, не научно-популярный, и мы не в праве ставить ученому рамки написания заметки, так как изначально планировалось, что он пишет для нашего дискуссионного научного клуба, где целевой аудиторией являются инженеры профильных специальностей. Но, поскольку ученый такого уровня не так часто пишет для научно-популярных изданий, мы все же хотели бы опубликовать этот материал в нашем корпоративном блоге на GT. Это нельзя считать заметкой из цикла «Я просто оставлю это здесь», для специалистов этот материал действительно покажется очень увлекательным и интересным.

Фотография / Бродская Мария пресс-служба НИТУ «МИСиС» — рождественская лекция Д.В. Гольберга в НИТУ «МИСиС»

Дмитрий Викторович Гольберг, Профессор Цукубского Университета, Япония Научный руководитель научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС»

Понимание механических, электрических и оптоэлектронных свойств наноматериалов, в частности, на конкретном структурном уровне, имеет ключевое значение в связи с интересом к их интеграции в современные технологии. Тем не менее, в подавляющем большинстве случаев, измерения таких свойств осуществляются с помощью инструментов, не имеющих прямого доступа к атомным структурам наноматериалов, их кристаллографии и пространственно-разрешенного химического состава. Этот факт в значительной степени ограничивает релевантность собранных данных, поскольку все конкретные структурные особенности нанометрических объектов до / во время / после их тестирования обычно бывают скрыты. Ввиду вышеизложенного, полученные результаты не могут быть непосредственно связаны с конкретной наноструктурой, ее внутренней морфологией и дефектами. Таким образом, большой разброс данных механического, электрического и оптоэлектронного характера является общей чертой различных научных групп и их публикаций. До настоящего момента этот недостаток в значительной степени осложнял работу инженеров-практиков и технологов и приводил к многочисленным неопределенностям в отношении реальных производственных потенциалов наноматериалов.

В этой публикации я продемонстрирую пользу недавно разработанной в рамках нашей группы в Цукубе и усовершенствованной техники in situ просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для анализа механических, электрических и оптоэлектронных свойств различных неорганических наноструктур [1–3]. Эластичность, пластичность, прочность, электросопротивление, проводимость, перепад температур, фототок, фотонапряжение и пространственно-разрешенные карты катодолюминесценции могут быть проанализированы просвечивающим электронным микроскопом высокого разрешения (ПЭМВР) при использовании пьезо-управляемых наноманипуляторов и / или оптических волокон, помещенных в держатели ПЭМ.

Общая схема устройства, используемая в ходе проведенных нами экспериментов, отображена на рисунке 1. Предварительно расположенный нанообразец может быть заряжен, изогнут или растянут, а также освещен светом с различной интенсивностью, длинной волн или частотой импульсов. Все типы держателей (Изготовитель Компания «Nanofactory Instruments AB», Швеция) были совместимы с микроскопом ПЭМВР JEOL JEM-3100FEF (Омега фильтр) с пространственным разрешением 0,17 нм. Микроскоп работает при 300 кВ имеет рентгеновский дисперсионый детектор (EDX) и возможность спектроскопии электронных энергетических потерь для химического анализа с пространственным разрешением и создания элементных карт тестируемых наноматериалов до / во время и после измерений.

Точное размещение нанообразца в держателях является первым шагом на пути к надежной и воспроизводимой регистрации данных и свойств. Свежесрезанную плоскую золотую проволоку (250 микрон в начальном диаметре) сначала погружают в измельченные до состояния порошка частицы наноматериалов. Затем золотую проволоку с прикрепленным наноматериалом устанавливают на фиксированный или подвижный держатель. Следует отметить, что нанообъекты обычно притягиваются к золотой проволоке в результате простой физической адгезии; Только в некоторых случаях серебряная паста была использована для улучшения физического контакта между образцом и золотым электродом. Держатели могут быть СТМ-ПЭМ типа и непроводящего или проводящего АСМ-ПЭМ типа (кантилеверы из кремния, покрытого ~ 15 nm Pt). Также, оптические волокна могли быть соединены с внешними источниками света. С помощью оптического микроскопа был достигнут минимально возможный зазор между образцами и датчиками.

Рисунок 1. Общая схема устройства электронного микроскопа JEOL JEM-3100FEF (Омега фильтр) с возможностями ПЭМ изучения нанообразцов при помощи СTM острия, АСМ кантилевера, а также света с различной интенсивностью, длинной волн или частотой импульсов в тандеме с их изгибом для измерения оптико-электронных или фотоэлектрических свойств.

Затем, при помощи пьезо-моторных манипуляций в ПЭМВР, относительные позиции проволоки с помещенными образцами наноматериалов и острием СТМ, или кантилеверами АСМ, или оптическим волокном, были точно отрегулированы в трех измерениях X, Y и Z, внутри полюсного наконечника микроскопа с точностью более 1 нм. Наконец, относительные высоты двух клеммо-держателей точно фиксируются с помощью колебательной функции ПЭМ. После этого может быть достигнут плотный физический контакт между исследуемым нанообъектом и острием СТМ или кантилевером АСМ. Кроме того, оптическое волокно может быть перемещено по направлению к образцу настолько близко, насколько это возможно, чтобы свести к минимуму рассеивание света внутри колонны ПЭМ. Для системы СТМ-ПЭМ СТМ острие (или образец проволоки, в зависимости от схемы полярности) может быть заряжено до ± 140 В. Измерение силы кантилевером АСМ ПЭМ может быть проведено с помощью датчика MEMS, расположенного в его нижней части. До измерений были рассчитаны константы кантилеверов и мВ-НН коэффициенты MEMS датчика были откалиброваны при помощи предварительного индентирования металлической проволоки. Лазерные диоды с фиксированными длинами волн, например 405, 488, 638, и 808 нм, или яркий широкий мощный излучающий источник света, подключенный к монохроматору и чоппер были применены для оптоэлектронных и фотоэлектрических тестов.

Применяя рассмотренное сложное устройство мы смогли впервые измерить и проанализировать прочность изгиба и предел прочности при растяжении, модули Юнга и изломостойкость разнообразных 1D многослойных и однослойных нанотрубок углерода, нитрида бора и дихалькогенидных нанотрубок, нанопроволок кремния, бора и нитрида галлия, и различные 2D-нанолисты и графено-подобные наноструктуры. Особенное внимание было уделено иллюстрации специфической кинетики деформации на наноуровне. Эти первые результаты были получены при непосредственном изгибе или растяжении с помощью установки АСМ-ПЭМ [1,4–7]. Увеличение температуры в данной точке наноматериалов до ~ 2000oC или более при нагреве электрическим током в держателе СТМ-ПЭМ позволило нам пролить свет на существующие градиенты температур, тепловое сопротивление, интра-диффузионные явления и кинетику аморфизации / кристаллизации наноразмерных металлов в нанопространстве [8,9]. Пилинг индивидуальных атомных слоев дихалькогенида (MoS2) до одного слоя от монокристалла был осуществлен в ПЭМВР при полном контроле энергетики, распределения полей напряжений и деформаций на уровне визуализации с атомным разрешением [10]. Таким образом, открытый процесс моделирует самое популярное микромеханическое расслоение нанолистов из графено-подобных материалов и дает важные подсказки для практических разработок, физического понимания и оптимизации этого метода. Наиболее важно, что основная величина — поверхностная энергия атомных слоев MoS2 — была определена как 0,11 Н / м. Наконец, в условиях ПЭМ оптоэлектронные и фотоэлектрические эксперименты на наночастицах титана оксида, нанопроволоке цинка оксида, нанолентах кадмия сульфида, нанолистах молибдена сульфида и вновь изготовленных гетеро-наноструктурах ведут к четкому пониманию реальных технологических перспектив для изготовления оптоэлектронных устройств [11,12].

Разработанные и выполненные механические и оптикоэлектронные тесты в ПЭМВР позволили пролить дополнительный свет на истинную связь между структурой и свойствами многих сложных наноматериалов, таких как различные неорганические нанотрубки, нанопроволоки, нанолисты и наночастицы, что является Святым Граалем Науки о материалах.

© Geektimes