Методы визуализации зарождения и роста углеродных наноструктур и позиционирования наноконтактов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Трунов, Семён Викторович

• Трунов, Семён Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат 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 диссертации (часть автореферата) 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:

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 нанозонда 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 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:

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

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.

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.; 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.