Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 46
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
образца.
Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия (БСОМ) является особой разновидностью сканирующей зондовой технологии, в которой используется видимый свет [7]. Другое название этой методики – сканирующая световая микроскопия. Традиционно разрешение оптических микроскопов ограничено длиной волны света – примерно половиной микрона. БСОМ улучшает разрешение оптического микроскопа на порядок.
Зондом в БСОМ является «световая воронка», которой сканируют образец. Видимый свет исходит из узкого конца световой воронки диаметром 10–30 нм и попадает на детектор либо после отражения от образца, либо пройдя сквозь него. Интенсивность оптического сигнала регистрируется детектором в каждой точке измерений, а набор данных, считанных со всей сканируемой поверхности, составляет БСОМ-образ. С помощью БСОМ можно формировать изображение поверхности в видимом свете с разрешением около 15 нм при условии, что расстояние между источником света и образцом очень мало, 5 нм.
БСОМ должен поддерживать расстояние между острием сканирующей иглы и образцом постоянным, чтобы получить простое оптическое изображение поверхности. Для этого могут быть использованы традиционные для АСМ методики поддержания постоянного отклонения измерительной консоли.
Имея в виду возможность элементного распознавания атомов, необходимо отметить, что в настоящее время никакая технология СЗМ не может позволить определить тип атома или молекулы при отсутствии другой информации. Тем не менее с помощью СЗМ можно проводить ограниченную идентификацию материалов, используя для этих целей данные об электронной структуре, различия в фрикционных свойствах, в притягивающем вандерваальсовом взаимодействии.
Спектроскопия – один из основных методов исследования наночастиц. Применяют различные методы спектроскопии, в том числе Оже- спектроскопию, фотоэлектронную рентгеновскую спектроскопию, Раман-спектроскопию, фотолюминисцентную и электромоминесцентную спектроскопию, дифракцию медленных электронов и др.
Метод спектроскопии Оже основан на эффекте, открытом в 1925 г. французским физиком Пьером Оже в инертных газах [3]. Суть этого явления в том, что если на одном из внутренних уровней энергии атома по каким-то причинам создается вакансия – дырка, то она быстро заполняется другим электроном атома, а выделяющаяся при этом лишняя энергия передается еще одному электрону, который и «выстреливается» из атома (Оже-электрон). Энергия этих электронов определяется природой испускающих их атомов, а число электронов пропорционально количеству таких атомов. Поэтому Оже-спектроскопия позволяет проводить одновременно качественный и количественный анализ исследуемого вещества. Ожеэлектроны имеют энергию, которой едва хватает для прохождения нескольких ангстрем твердого вещества. Следовательно, они несут информацию именно о приповерхностных слоях кристалла.
Первичную вакансию в поверхностных атомах можно создать электронным, фотонным и ионным пучками. Соответственно различают электронную, фотонную и ионную Оже-спектроскопию поверхности: ЭОС, ФОС и ИОС, первая из которых получила наибольшее распространение. Достигнутая сейчас чувствительность этого метода позволяет регистрировать, например, адсорбированные на поверхности атомы в количествах, не превышающих доли процента от общего числа поверхностных атомов.
Дифракция медленных электронов основана на фундаментальном свойстве материи – волновом характере движения частиц. Этот метод служит аналогом ренттеноструктурного анализа, применяемого для исследования кристаллической структуры в объеме вещества.
При дифракции на кристалле электроны малых энергий способны проникать лишь в поверхностные слои, и поэтому дифракция таких электронов на регулярно расположенных атомах предоставляет сведения о структуре поверхности. Это помогает использовать дифракцию медленных электронов как чувствительный метод наблюдения поверхностных структурных превращений.
В последнее время все большую популярность приобретают комбинированные методы исследования поверхности. Например, электронная Оже-спектроскопия образца производится практически одновременно с рассеянием на нем медленных электронов, а также ионов, атомов и рентгеновских лучей. Поэтому вакуумная камера, в которую помещается образец, обычно имеет множество вводов и позволяет использовать сразу несколько зондирующих агентов. Разумеется, такой всеобъемлющий анализ поверхности был бы невозможен без современных методов автоматизации эксперимента.
Фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия (ФРС) была разработана в середине 1960-х К. Сигбаном и его помощниками. Ему была присуждена Нобелевская премия в области физики в 1981 г. за это изобретение. ФРС – это поверхностный чувствительный метод, который требует присутствия среды со сверхвысоким вакуумом [3]. Рентгеновские лучи используются для выбивания электронов атома из внутренней оболочки, и излучаемые электроны анализируются в соответствии с их кинетическими энергиями. В настоящее время метод является наиболее широко распространенным для поверхностного анализа. Он предоставляет информацию об атомном составе поверхности всех элементов, за исключением водорода и гелия. ФРС поэтому является ключевым методом исследований наноструктурированных материалов, в
которых наноэффекты связаны с поверхностной активностью.
ФРС – это самый широко распространенный поверхностный чувствительный метод. Он дает информацию об атомной концентрации и химической среде видов на поверхности. Метод очень полезен в нанотехнологии, поскольку уменьшение размеров повышает важность поверхности. Тонкие пленки могут быть исследованы при помощи ФРС с высокой точностью [9].
Раман-спектроскопия основана на неупругом рассеянии фотонов. В оптическом волокне большая часть фотонов рассеивается упруго, это называется рэлеевским рассеянием. Однако небольшая часть фотонов подвергается неупругому рассеянию. Процесс, который ведет к такому неупругому рассеянию, называется эффектом Рамана. Рассеяние Рамана может произойти с изменением вибрационной энергии молекулы. Другими словами, это может вызвать создание или аннигиляцию фотона. Популяция фотонов в возбужденном состоянии является функцией температуры. Поэтому существует интенсивность сдвига Рамана, которая происходит вследствие разности возникающих и аннигилирующих фотонов. Повторяемость события Рамана происходит приблизительно через 10–14 с или меньше [5].
Фотолюминесцентная спектроскопия – мощный инструмент, который используется для исследования полупроводников, особенно тех, которые применяются для оптоэлектронных устройств. Это простой, гибкий, бесконтактный, неразрушающий метод зондирования электронных структур материалов.
Оборудование для ФЛ состоит из трех основных частей: светового источника для обеспечения возбуждения, дьюара для поддержания низкой температуры образцов во время оптического доступа к поверхности образца и системы обнаружения и регистрации для сбора и анализа фотонов, которые излучаются образцом.
Фотолюминесцентная спектроскопия – широко используемый, недеструктивный метод исследования полупроводниковых материалов [9]. Благодаря большой площади поверхности по отношению к объемной доле в наночастицах также предлагается способ для лучшего изучения поверхностей наноструктур. Более того, наблюдение фиолетового смещения в положении полос показывает практичность его использования при изучении квантовых ограничений электронов в низкоразмерных системах.
Электролюминесцентная спектроскопия. Ее идея была предложена в 1969 г. Г. Дестриау, обнаружившим люминофоры, такие как сульфид цинка, плакированный медью или марганцем, светящийся при воздействии поля высокого напряжения (обычно 10 кВ/см) [3].
Хотя анализ светового излучения из нанокристаллов или объемной среды в основном проводится на основе фотолюминесцентных экспериментов, большинство светоизлучающих приборов зависят от электролюминесцентных свойств веществ. Электролюминесценция может отличаться от фотолюминесценции процессом электризации. В то время как при исследовании фотолюминесценции создание и рекомбинация диаэлектронных вакансий происходит посредством оптического намагничивания вещества, при измерении электролюминесценции электрическая энергия облучает носители. Электролюминесцентная спектроскопия является полезным и важным средством электронного исследования электронных устройств в нанометровом диапазоне. Это позволяет исследователям понять механизмы светоизлучения в приборах, основанных на нанокристаллах.
Таким образом, при измерениях различными методами регистрация параметров нанобъекта, его исследование осуществляется непосредственно сразу после изготовления, причем транспорт объекта из технологической камеры в измерительную осуществляется с помощью специального робота в сверхвысоком вакууме. Это позволяет, например, в течение нескольких часов исследовать свойства поверхности, свободной от газового монослоя.
В настоящее время существует целый ряд методов получения информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне измерений. Среди них сканирующая зондовая и электронная микроскопия, различные виды спектроскопии, рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс и другие.
Каждый метод имеет свои характеристики и отличительные черты, тем самым является уникальным.
Можно сделать вывод, что уровнем проникновения наноструктур в жизнь человека, определяется ее качество. В связи с этим, первостепенное значение приобретают технологии создания наноструктур различного типа, их развитие и совершенствование. Фундаментальные и прикладные исследования в области нанотехнологий должны привести к революционным изменениям в материаловедении и производстве, наноэлектронике, медицине и здравоохранении, энергетике, биотехнологиях, информационных технологиях и национальной безопасности.
Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия (БСОМ) является особой разновидностью сканирующей зондовой технологии, в которой используется видимый свет [7]. Другое название этой методики – сканирующая световая микроскопия. Традиционно разрешение оптических микроскопов ограничено длиной волны света – примерно половиной микрона. БСОМ улучшает разрешение оптического микроскопа на порядок.
Зондом в БСОМ является «световая воронка», которой сканируют образец. Видимый свет исходит из узкого конца световой воронки диаметром 10–30 нм и попадает на детектор либо после отражения от образца, либо пройдя сквозь него. Интенсивность оптического сигнала регистрируется детектором в каждой точке измерений, а набор данных, считанных со всей сканируемой поверхности, составляет БСОМ-образ. С помощью БСОМ можно формировать изображение поверхности в видимом свете с разрешением около 15 нм при условии, что расстояние между источником света и образцом очень мало, 5 нм.
БСОМ должен поддерживать расстояние между острием сканирующей иглы и образцом постоянным, чтобы получить простое оптическое изображение поверхности. Для этого могут быть использованы традиционные для АСМ методики поддержания постоянного отклонения измерительной консоли.
Имея в виду возможность элементного распознавания атомов, необходимо отметить, что в настоящее время никакая технология СЗМ не может позволить определить тип атома или молекулы при отсутствии другой информации. Тем не менее с помощью СЗМ можно проводить ограниченную идентификацию материалов, используя для этих целей данные об электронной структуре, различия в фрикционных свойствах, в притягивающем вандерваальсовом взаимодействии.
Спектроскопия – один из основных методов исследования наночастиц. Применяют различные методы спектроскопии, в том числе Оже- спектроскопию, фотоэлектронную рентгеновскую спектроскопию, Раман-спектроскопию, фотолюминисцентную и электромоминесцентную спектроскопию, дифракцию медленных электронов и др.
Метод спектроскопии Оже основан на эффекте, открытом в 1925 г. французским физиком Пьером Оже в инертных газах [3]. Суть этого явления в том, что если на одном из внутренних уровней энергии атома по каким-то причинам создается вакансия – дырка, то она быстро заполняется другим электроном атома, а выделяющаяся при этом лишняя энергия передается еще одному электрону, который и «выстреливается» из атома (Оже-электрон). Энергия этих электронов определяется природой испускающих их атомов, а число электронов пропорционально количеству таких атомов. Поэтому Оже-спектроскопия позволяет проводить одновременно качественный и количественный анализ исследуемого вещества. Ожеэлектроны имеют энергию, которой едва хватает для прохождения нескольких ангстрем твердого вещества. Следовательно, они несут информацию именно о приповерхностных слоях кристалла.
Первичную вакансию в поверхностных атомах можно создать электронным, фотонным и ионным пучками. Соответственно различают электронную, фотонную и ионную Оже-спектроскопию поверхности: ЭОС, ФОС и ИОС, первая из которых получила наибольшее распространение. Достигнутая сейчас чувствительность этого метода позволяет регистрировать, например, адсорбированные на поверхности атомы в количествах, не превышающих доли процента от общего числа поверхностных атомов.
Дифракция медленных электронов основана на фундаментальном свойстве материи – волновом характере движения частиц. Этот метод служит аналогом ренттеноструктурного анализа, применяемого для исследования кристаллической структуры в объеме вещества.
При дифракции на кристалле электроны малых энергий способны проникать лишь в поверхностные слои, и поэтому дифракция таких электронов на регулярно расположенных атомах предоставляет сведения о структуре поверхности. Это помогает использовать дифракцию медленных электронов как чувствительный метод наблюдения поверхностных структурных превращений.
В последнее время все большую популярность приобретают комбинированные методы исследования поверхности. Например, электронная Оже-спектроскопия образца производится практически одновременно с рассеянием на нем медленных электронов, а также ионов, атомов и рентгеновских лучей. Поэтому вакуумная камера, в которую помещается образец, обычно имеет множество вводов и позволяет использовать сразу несколько зондирующих агентов. Разумеется, такой всеобъемлющий анализ поверхности был бы невозможен без современных методов автоматизации эксперимента.
Фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия (ФРС) была разработана в середине 1960-х К. Сигбаном и его помощниками. Ему была присуждена Нобелевская премия в области физики в 1981 г. за это изобретение. ФРС – это поверхностный чувствительный метод, который требует присутствия среды со сверхвысоким вакуумом [3]. Рентгеновские лучи используются для выбивания электронов атома из внутренней оболочки, и излучаемые электроны анализируются в соответствии с их кинетическими энергиями. В настоящее время метод является наиболее широко распространенным для поверхностного анализа. Он предоставляет информацию об атомном составе поверхности всех элементов, за исключением водорода и гелия. ФРС поэтому является ключевым методом исследований наноструктурированных материалов, в
которых наноэффекты связаны с поверхностной активностью.
ФРС – это самый широко распространенный поверхностный чувствительный метод. Он дает информацию об атомной концентрации и химической среде видов на поверхности. Метод очень полезен в нанотехнологии, поскольку уменьшение размеров повышает важность поверхности. Тонкие пленки могут быть исследованы при помощи ФРС с высокой точностью [9].
Раман-спектроскопия основана на неупругом рассеянии фотонов. В оптическом волокне большая часть фотонов рассеивается упруго, это называется рэлеевским рассеянием. Однако небольшая часть фотонов подвергается неупругому рассеянию. Процесс, который ведет к такому неупругому рассеянию, называется эффектом Рамана. Рассеяние Рамана может произойти с изменением вибрационной энергии молекулы. Другими словами, это может вызвать создание или аннигиляцию фотона. Популяция фотонов в возбужденном состоянии является функцией температуры. Поэтому существует интенсивность сдвига Рамана, которая происходит вследствие разности возникающих и аннигилирующих фотонов. Повторяемость события Рамана происходит приблизительно через 10–14 с или меньше [5].
Фотолюминесцентная спектроскопия – мощный инструмент, который используется для исследования полупроводников, особенно тех, которые применяются для оптоэлектронных устройств. Это простой, гибкий, бесконтактный, неразрушающий метод зондирования электронных структур материалов.
Оборудование для ФЛ состоит из трех основных частей: светового источника для обеспечения возбуждения, дьюара для поддержания низкой температуры образцов во время оптического доступа к поверхности образца и системы обнаружения и регистрации для сбора и анализа фотонов, которые излучаются образцом.
Фотолюминесцентная спектроскопия – широко используемый, недеструктивный метод исследования полупроводниковых материалов [9]. Благодаря большой площади поверхности по отношению к объемной доле в наночастицах также предлагается способ для лучшего изучения поверхностей наноструктур. Более того, наблюдение фиолетового смещения в положении полос показывает практичность его использования при изучении квантовых ограничений электронов в низкоразмерных системах.
Электролюминесцентная спектроскопия. Ее идея была предложена в 1969 г. Г. Дестриау, обнаружившим люминофоры, такие как сульфид цинка, плакированный медью или марганцем, светящийся при воздействии поля высокого напряжения (обычно 10 кВ/см) [3].
Хотя анализ светового излучения из нанокристаллов или объемной среды в основном проводится на основе фотолюминесцентных экспериментов, большинство светоизлучающих приборов зависят от электролюминесцентных свойств веществ. Электролюминесценция может отличаться от фотолюминесценции процессом электризации. В то время как при исследовании фотолюминесценции создание и рекомбинация диаэлектронных вакансий происходит посредством оптического намагничивания вещества, при измерении электролюминесценции электрическая энергия облучает носители. Электролюминесцентная спектроскопия является полезным и важным средством электронного исследования электронных устройств в нанометровом диапазоне. Это позволяет исследователям понять механизмы светоизлучения в приборах, основанных на нанокристаллах.
Таким образом, при измерениях различными методами регистрация параметров нанобъекта, его исследование осуществляется непосредственно сразу после изготовления, причем транспорт объекта из технологической камеры в измерительную осуществляется с помощью специального робота в сверхвысоком вакууме. Это позволяет, например, в течение нескольких часов исследовать свойства поверхности, свободной от газового монослоя.
Заключение
В настоящее время существует целый ряд методов получения информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне измерений. Среди них сканирующая зондовая и электронная микроскопия, различные виды спектроскопии, рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс и другие.
Каждый метод имеет свои характеристики и отличительные черты, тем самым является уникальным.
Можно сделать вывод, что уровнем проникновения наноструктур в жизнь человека, определяется ее качество. В связи с этим, первостепенное значение приобретают технологии создания наноструктур различного типа, их развитие и совершенствование. Фундаментальные и прикладные исследования в области нанотехнологий должны привести к революционным изменениям в материаловедении и производстве, наноэлектронике, медицине и здравоохранении, энергетике, биотехнологиях, информационных технологиях и национальной безопасности.
Список использованных источников
-
Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика: пер. с англ. / Д. Бейли, Э Райт. – М.: Кудиц-пресс, 2008. – 320 с. -
Гапоненко С.В. Оптика наноструктур. Под ред. А.В. Федорова / С.В, Гапоненко. - СПб.:Недра, 2005 г. – 326 с. -
Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике / К.Б. КЛассен – М.: Постмаркет, 2000. – 344 с. -
Облант Ж.М. Метрология: проблема наномасштаба / Ж.М. Облант // Мир стандартов. – 2007. – № 5(16). -
Пихтин А. Н. Оптическая и квантовая электроника / А.Н. Пихтин – М.: Высшая школа, 2001.– 573 с. -
Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи: учеб. Пособие / О.К. Скляров – СПб.: Лань, 2010. – 272 с. -
Федоров А.В. Специальные методы измерения физических величин. Учебное пособие. – СПб: НИУ ИТМО, 2014. – 127 с. -
Холодков И. В. Схемотехника: учебное пособие: в 2 ч. / И. В. Холодков – ИГХТУ: Иваново. – 2013. – 152 с. -
Цаплин А.И., Лихачев М.Е. Методы измерений в волоконной оптике: учеб. Пособие / А.И. Цаплин, М.Е. Лихачев – Пермь: ПНИПУ, 2011. – 227 с.