Файл: Реферат на тему "Размерные эффекты в наноматериалах и принцип работы растрового электронного микроскопа".docx
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 67
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Реферат на тему "Размерные эффекты в наноматериалах. и принцип работы растрового электронного микроскопа"
Введение
Современная наука и технологии все больше и больше уделяют внимание исследованию наноматериалов и наноструктур, так как они обладают уникальными свойствами, которые не присущи материалам больших размеров. Одним из ключевых факторов, который определяет свойства наноматериалов, является их размер. Размерные эффекты в наноматериалах играют важную роль в формировании их механических, электрических, оптических и других свойств. В частности, влияние размера зерна на механические свойства материала важно как для технологических процессов, так и для понимания механизмов деформации и разрушения материалов.
Другим ключевым инструментом для исследования наноматериалов является растровый электронный микроскоп (РЭМ). РЭМ позволяет наблюдать структуру и поверхность материалов с высоким разрешением и позволяет исследовать наноматериалы на микро- и наноуровне. Принцип работы РЭМ основан на взаимодействии электронов с поверхностью образца, что позволяет получать детальные изображения образца с высокой четкостью и разрешением.
Цель данной работы
- рассмотреть влияние размерных эффектов на механические свойства наноматериалов, а также принцип работы и возможности применения растрового электронного микроскопа для исследования наноматериалов.
Раскрыть вопросы: влияния размера зерна на механические свойства, закон Холла Петча, экстремальной зависимости характеристик прочности нанокристаллических материалов на размеры зерна.
Глава 1. Влияние размерных эффектов на механические свойства наноматериалов".
1.1 Размерные эффекты в наноматериалах
Наноматериалы имеют уникальные свойства, которые не свойственны для макроскопических материалов. Размерные эффекты в наноматериалах - это изменения свойств материала, которые происходят в результате его уменьшения до нанометрового масштаба. Эти эффекты связаны с тем, что в наноматериалах свойства зависят от размера и формы частиц, а также от их взаимодействия друг с другом и с окружающей средой.
Одним из наиболее известных размерных эффектов является квантовый размерный эффект, который проявляется в том, что в наночастицах возникают квантовые ямы и точки, в которых энергия связанных электронов оказывается квантованной. Это может приводить к изменению оптических, электронных и магнитных свойств наноматериалов.
Еще одним размерным эффектом является увеличение поверхностно-активных центров реакции в наночастицах, что может приводить к увеличению их каталитической активности. Более того, в наночастицах могут возникать различные механические эффекты, такие как эффекты деформации и пружности, которые могут изменять механические свойства материала.
Размерные эффекты в наноматериалах играют важную роль в различных областях, включая катализ, электронику, оптику, фотонику, медицину и энергетику. Понимание этих эффектов имеет большое значение для создания новых наноматериалов с уникальными свойствами и для развития новых технологий на основе наноматериалов.
2.1 Влияние размера зерна на механические свойства материалов
Влияние размера зерна на механические свойства материалов - это одна из ключевых тем в области материаловедения и нанотехнологий. Размер зерна, как характеристика структуры материала, может значительно влиять на его механические свойства, такие как прочность, жесткость и твердость. Изменение размера зерна может привести к улучшению или ухудшению механических свойств материала.
Свойства материалов, таких как металлы, полупроводники и керамика, в значительной степени зависят от их микроструктуры, которая определяется размером и формой зерен. Увеличение размера зерна может привести к улучшению пластичности материала, но при этом снижается его прочность. С другой стороны, уменьшение размера зерна может увеличить прочность и жесткость материала, но может также привести к снижению его пластичности.
Поэтому, для того чтобы оптимизировать механические свойства материалов, необходимо понимать, как размер зерна влияет на эти свойства. Изучение эффектов размера зерна является важной задачей в области материаловедения и нанотехнологий и может иметь значительное практическое применение в различных отраслях промышленности.
1.3 Закон Холла-Петча
Закон Холла-Петча - это эмпирический закон, описывающий связь между размерами зерна в материале и его механическими свойствами, такими как прочность, твердость и пластичность. Этот закон получил свое название в честь ученых Эдварда Холла и Артура Петча, которые впервые его сформулировали.
Согласно закону Холла-Петча, механические свойства материала зависят от обратной величины квадрата размера зерна в материале. То есть, при
уменьшении размеров зерна, механические свойства материала улучшаются. Это объясняется тем, что в материале с меньшими зернами границы зерен имеют более высокую энергию и большую поверхностную энергию, что приводит к повышению прочности и твердости материала.
Однако, при уменьшении размеров зерен в материале возникает также ряд проблем, связанных с его пластичностью и обработкой. Малые размеры зерен могут приводить к большой твердости материала, но в то же время к его хрупкости, что может усложнить его обработку и применение в некоторых областях.
Таким образом, закон Холла-Петча является важным физическим законом, описывающим взаимосвязь между размерами зерен в материале и его механическими свойствами. Он играет важную роль в различных областях науки и технологии, включая металлургию, нанотехнологии, электронику, медицину и другие.
1.4 Экстремальная зависимость характеристик прочности нанокристаллических материалов на размеры зерна
Экстремальная зависимость характеристик прочности нанокристаллических материалов на размеры зерна обусловлена эффектом уменьшения размера зерна на механические свойства материала. Он проявляется в том, что при уменьшении размера зерна ниже критического значения происходит резкое изменение механических свойств материала. Это объясняется тем, что при уменьшении размера зерна количество дефектов и границ зерен увеличивается, что влияет на механические свойства материала.
Критический размер зерна, при котором происходит резкое изменение механических свойств материала, зависит от типа материала и его структуры. Для большинства металлов и сплавов этот размер составляет порядка 10-100 нм. Для полимерных материалов критический размер зерна может быть еще меньше.
Одним из методов изучения экстремальной зависимости характеристик прочности нанокристаллических материалов на размеры зерна является механическое испытание малых образцов. В таких испытаниях измеряются механические свойства материала, такие как прочность, твердость и упругость, на образцах размером всего несколько микрометров. Такой подход позволяет изучать механические свойства материалов на малых масштабах и получать данные, которые могут быть использованы для оптимизации свойств материалов в различных инженерных приложениях.
Таким образом, экстремальная зависимость характеристик прочности нанокристаллических материалов на размеры зерна является важным фактором, который необходимо учитывать при разработке новых материалов с улучшенными механическими свойствами.
Глава 2 Растровой электронный микроскоп (РЭМ)
2.1 Устройство и принцип работы растрового электронного микроскопа
Растровый электронный микроскоп (SEM) - это прибор, который использует электроны, чтобы получить изображение образца. SEM позволяет получать изображения с очень высоким разрешением, благодаря использованию пучка электронов, который сканирует поверхность образца. Устройство SEM состоит из ряда компонентов, включая электронную пушку, систему фокусировки и сканирующий детектор.
Принцип работы SEM заключается в том, что электронная пушка генерирует пучок электронов, который направляется на поверхность образца. Пучок электронов взаимодействует с поверхностью образца, вызывая испускание вторичных электронов и отражение обратно на детектор. Количество вторичных электронов и отраженных электронов зависит от свойств поверхности образца. Детектор регистрирует количество вторичных электронов и отраженных электронов и использует эту информацию для создания изображения образца.
Одной из основных особенностей SEM является возможность получения изображений с очень высоким разрешением. Это достигается за счет использования коротких длин волн электронов, которые позволяют проникать в глубину образца и получать детальную информацию о его структуре и составе. Кроме того, SEM позволяет анализировать поверхность образца в различных режимах, включая изображение вторичных электронов, отраженных электронов, обратно отраженных электронов, ионов и рентгеновских лучей.
В общем, SEM является очень мощным инструментом для изучения поверхности материалов, и он широко используется в научных и промышленных исследованиях.
Развитие микротехнологий и появление нанотехнологий, где размеры элементов существенно меньше длины волны видимого света, делает растровую электронную микроскопию практически единственной неразрушающей методикой визуального контроля при производстве изделий твердотельной электроники и микромеханики.
2.2 Взаимодействие электронного луча с образцом
П
ри взаимодействии пучка электронов с твердой мишенью возникает большое число различного рода сигналов. Источником этих сигналов являются области излучения, размеры которых зависят от энергии пучка и атомного номера бомбардируемой мишени. Размерами этой области, при использовании определенного сорта сигнала, определяется разрешение микроскопа. На рис. 1 показаны области возбуждения в образце для разных сигналов. Полное распределение по энергии электронов, излучаемых образцом приведено на рис.2. Оно получено при энергии падающего пучка Е0=180эВ, по оси ординат отложено число эмиттированых мишенью электронов Js(E), а по оси абсцисс - энергия Е этих электронов. Заметим, что вид зависимости, приведенной на рис.2, сохраняется и для пучков с энергией 5 – 50 кэВ , используемых в растровых электронных микроскопах.
Г
руппу I составляют упруго отраженные электроны с энергией, близкой к энергии первичного пучка. Они возникают при упругом рассеянии под большими углами. С увеличением атомного номера Z растет упругое рассеяние и увеличивается доля отраженных электронов . Распределение отраженных электронов по энергиям для некоторых элементов приведено на рис.3.
Угол рассеяния 1350
, W=E/E0 - нормированная энергия, d/dW - число отраженных электронов на падающий электрон и на единицу энергетического интервала. Из рисунка видно, что при увеличении атомного номера не только растет число отраженных электронов, но и их энергия становится ближе к энергии первичного пучка. Это приводит к возникновению контраста по атомному номеру и позволяет исследовать фазовый состав объекта.Группа II включает в себя электроны, подвергшиеся многократному неупругому рассеянию и излученные к поверхности после прохождения более или менее толстого слоя материала мишени, потеряв при этом определенную часть своей первоначальной энергии.
Э
