Аналитикалық электронды микроскоптар

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 20 бет
Таңдаулыға:

Реферат

Тақырыбы: Наноөлшемді жүйелерді зерттеу әдістері

Карағанды 2019

Мазмұны

І Кіріспе
ІІ Негізгі бөлім
3
1 Микроскопия
5
1.1 Жарықтандырғыш электронды микроскопия
5
1.2 Сканирлейтін электронды микроскопия
6
1.3 Атомдық-күш микроскопиясы
8
1.4 Сканирлеуші зондтық микроскоп
11
1.5 Сканирлеуші туннельдік микроскопия
11
1.6 Лазерлі сканирлеуші конфокальді микроскоп
12
1.7 Аналитикалық электронды микроскоптар
13
2 Спектроскопия
14
2.1 Масс-спектрлік талдау
14
2.2 Мессбауэровты спектроскопия
15
2.3 Рентгендік спектроскопия
15
3 Теория және компьютерлік модельдеу
17
ІІІ Қорытынды
19
IVПайдаланған әдебиеттер
21

Кіріспе
Нанохимия наноғылымның химиялық аспектісі болып табылады. Мұнда химия нанокүреске түседі. Наноғылымдар толығымен пәнаралык болуы тиіс екені рас және нанохимия, нанофизика, нанобиология жэне наноинженерия арасында орын алатындай сәйкессіздіктер болмауы тиіс жэне категорияларға бөлудің белгілі бір деңгейі де қажет болып табылады. Бұның себебі, нанохимияның негізгі түсініктері нанохимия, нанофизика, нанобиология немесе наноинженерияда бірдей болып келуінде. Олардың айырмашылығы: осы түсініктердің қолданылауында, окытылуында, нәтиже алу үшін өзара қалайша байланысатынын түсінуде болуы мүмкін.
Нанохимия қате таңбалаудың кұрбаны болды. Бұл нанотехнология саласында өткен революция барысында барлық наноғылымдарда орын алды. Материалдар нанометрлік масштабтарда болғанда материалдарда түсініксіз жайттар болатыны ғалымдармен байқалған.
Нанохимияда өлшемге байланысты эффекттерді көрсететін нанометрлік масштабтағы құрылымдардың синтезі мен химиялық модификациясына байланысты ғылым ретінде анықтама беріле бастады.
Осыдан кейін материалды нано немесе нано емес деп сипаттауға негіз болатын өлшем шегі туралы пікірталастар орын алды. Зерттеулер қандай да бір нано мәніне ие болғаннан кейін, осының барлығы зардаптарға және салдарға ие болды. Бірақ тек санаулы ғалымдар ғана өз зерттеулерінің шынымен нано немесе нано емес екенін толығымен ұғына алды. Молекулалық кешендер деп аталып келген молекулалық кешендер енді молекулалық нанокешендер деп те атала бастады.
Өлшем шегі шартты түрде 100 нм деп қабылданды; өлшемі 1000 нм материалдар үшін біздің анықтамамыз әлсіз болып келеді, себебі нанохимияның көптеген тақырыптары зерттелмеген күйінде қала береді. Бірақ әлі де бірнәрсе жетіспеді. Себебі әркім ішінен тынып, нанохимияның эділеттілігін іздеп жүргенде, саны өсіп келе жатқан наноғылым мағлұматтарының осы шектерден шығып кеткен жағдайлары көп байқалды [1].
Химиялық айналуларды зерттеу нонобөлшектердің физика-химиялық қасиеттерімен тығыз байланысты. Бөлшектердің қасиеттерін жазықтықтың үстінде және көлемде зерттеу әдістерінде біраз айырмашылықтар бар. Газ фазасында нанобөлшектердің кейбір қасиеттерін және өлшемдерін анықтаудың негізгі әдістері:
Фотондармен және электрондармен иондау;
Атомды шашу кейіннен нейтралды кластерлерді массасы бойынша бөлу;
Тордағы жарықтандырғыш электронды микроскопия (бөлшектің пішіні мен көлемін анықтауға мүмкіндік береді).
Жазықтықтың бетіндегі бөлшектер туралы ақпарат алу үшін келесідей әдістер қолданылады:
Жарықтандырғыш және сканерлеуші электронды микроскопия (өлшембөлшектің пішіні, оларды тарату және топологиясы);
Электрондардың дифракциясы (өлшем,фаза - қаттысұйық құрылым және байланыс ұзындығы);
Сканерлеуші туннельді микроскопия (бөлшектің ішкі құрылымын және өлшемін, пішінін анықтау);
Газдардың адсорбциясы (беттің ауданы);
Фотоэлектронды спектроскопия (электронды құрылыс);
Электроөткізгіштік (топология, перколяция және өтктішгіштік аймағы туралы ақпарат).
Рентген сәулелерінің кеңейтілген жұқа құрылымы мен адсорбциясы бөлшектердің өлшемін анықтауға мүмкіндік береді, ал электронды парамагнитті резонанс және ядролы магнитті резонанс әдісі электронды құрылыс туралы ақпарат береді. Темір сияқты аса құнды элементтердің ішкі құрылымын анықтау үшін мессбауэр спектроскопиясы немесе қатты дененің атом ядроларымен гамма-кванттарын резонансты сіңіру кеңінен пайдаланылады (гамма-резонанс). Гамма-кванттың энергиясы көп емес (≈150 кэВ). Ауысу энергиясы ядроның табиғатына байланысты және қатты дененің микроскопиялық құрылымы туралы ақпарат береді. Бұл әдіс барлық элементтерге қолданыла бермейді. Осы әдіс арқылы көбінесе Fe57,Sn119,Te125 талдау жүргізіледі [2].

1 Микроскопия
1.1 Жарықтандырғыш электронды микроскопия

Нанобөлшектердің өлшемін анықтауда микроскопия негізгі әдіс болып табылады. Зондты микроскоптардың әртүрлі түрлері және жылдамдатылған электрондардың сәулесі бар электронды микроскоп кеңінен қолданылады.
Электронды микроскопия негізгі екі бағытқа бөлінеді:
Жарықтандырғаш электронды микроскопия (ЖЭМ);
Сканерлеуші электронды микроскопия (СЭМ)
Олар зерттеу нысаны туралы әр түрлі сапалы ақпарат береді және жиі бірге қолданылады [2].
Үлгінің беткі қабатын ғана талдауға қабілетті ЖЭМ-ның СЭМ-нан айырмашылығы, оның үлгінің ішін де қарай алатындығында. Электрондардың кең шоғыры жұқа үлгінің арасынан өтеді және оның ішкі құрылысын көрсететін көріністі түзеді. Оптикалық микроскопта жарық шыны линзалардың көмегімен фокустелетіндей, ЖЭМ-дағы электрондар шоғыры магнитті линзалар көмегімен фокустеледі.ЖЭМ тек қана өте жұқа үлгілерге жарық түсіріп анықтайтын болғандықтан, ол қарапайым оптикалық микроскопқа ұқсайды.
Алынған көріністегі аса қаралтқым жерлер электрондардың көп жұтылуына сәйкес келсе, ал қарасы аз жерлер - электрондардың аз мөлшерде жұтылуына сәйкес келеді. Көптеген биологиялық нысандар көміртегі, азот, оттегі және сутегінен тұрады. Оларды ЖЭМ көмегімен айырып анықтауға болатындай, олардың компонеттерінің тығыздығы айтарлықтай ерекшеленбейді. Мұндай жағдайларда биологтар үлгіге арнайы химиялық процедуралар көмегімен, белгілі бір атомдар мен молекулалармен байланысатын және нақты көрініс түзетін ауыр металдардың атомдары бар бояуларды қосады.
ЖЭМ көмегімен оптикалық микроскоппен қарауға болатын ны- сандардан 1000 есе кіші, ал көзбен көрінетін нысаннан 500000 есе кіші нысандарды қарастыруға болады. ЖЭМ- нің бөлу қабілеті шамамен, 0,1 - 0,2 нм-ге тең. Қатты денедегі атомдар бір-бірінен тура осындай қашықтықта орналасады.
Жоғары энергиялы шоғырлары бар жарықтандырғыш электронды
микроскоптарды өте аз нанонысандарды талдау және олардың ... зерттеу
үшін қолданады:
өлшемі мен пішінін;
ішкі құрылымын және оның күрделілігін;
құрамын;
атомдар мен молекулалардың реттеліп орналасуы;
физикалық қасиеттерін (балқу температурасы, қаттылығы,
беріктігі, өткізгіштігі, реактивтілігі) [3].
Жарықтандығыш электрондық микроскоп - ультра жіңішке үлгідегі суретке электрондық шоқтың әрекеттесуі нәтижесінде немесе үлгідегі затты магнитті линзалармен үлкейту арқылы және флуорсценциялы қалқада тіркеумен жүзеге асатын жабдық. Жарықтандырушы электрондық микроскопты ең алғаш неміс инженері Макс Кнолл және Эрнст Русскпен 1931 жылы 9 наурызда ойлап тапқан. Бірінші практикалық электрондық микроскопты Альберт Пребус және Дж. Хиллиер Торонто университетінде 1938 жылы құрастырып шығарған.Жарықтандырушы электрондық микроскоп - әр түрлі материалдар дың құрылымын талдау үшін тиімді қолданып жатыр: Металлдарды, балқымаларды, керамиканы, полимерлерді, нанотрубкаларды, наноқұрылымдарды, фуллерендерді, көп қабатты нәзік қабыршақтарды, әр түрлі биологиялық объекттерді зерттеуге мүмкіндік береді. ПЭМ - де жарықталыну жүйесі электрондық шоқтан және екі линзалы конденсатордан тұрады. Конденсатор сәулелену ағынының интенсивтілігін қадағалайды. Электрондық атқылаушы катодтан,( W немесе LaB6 қызған сым), тесігі бар пластинкасы бар анодтан тұрады. Анодпен катод арасында үдемелі кернеуі бар өте күшті электрлік өрісі бар. Жылдамдығы өскен сайын толқын ұзындығы кемиді, сондай - ақ электронның массасы өзгереді(l=hmv, l=h(2meU)-12). Ал бұл дегеніміз оптикалық жүйенің рұқсат етілген дифракциялық шегінің артады деген сөз. Үдемелі кернеудің артуы электронның енгіш қасиетін арттырады. Анод тесігі арқылы өткен электрон шоғы конденсаторға және юстировкалаушы конденсаторға өтеді.Онда ең соңғы рет зерттелетін объектіге электрон шоғы түседі.Электрон объектіден өткеннен соң шашырайды. Оның фокусталуы және экранда бірінші бейнені алу линзалар жүйесі арқылы іске асады. (объективті, аралық және т.б.) Аппретуралық диафрагма зерттелетін объектіден өткен электрондардың арасынан ең күшті шашырағанын, не болмаса мүлде шашырамағанды, не аз шашыраған электронды таңдауға мүмкіндік береді.Оны алатын суреттен байқауға болады. Сурет фотопластинкаға немесе фотопленкаға түсіріледі. Қазірде сандық фотокамера және сандық видеокамералар қолданылады [4].

1.2 Сканирлейтін электронды микроскопия

Бұл әдіс негізінен беттік бөлшектерді зерттеу үшін қолданылады. Электрондық сәулелер магниттік линзалармен нысан бойынша нүктеден нүктеге жылжып отыратын, яғни оны сканерлейтін жұқа (1−10 мм) зондқа сығылады. Электрондар объектімен әрекеттескенде сәулеленудің бірнеше түрлері пайда болады:
Екіншілік және шағылысқан электрондар;
Өткен электрондар;
Рентгендік тежеуші сәулелену;
Жарық сәулесі.
Аталған сәулеленулердің кез-келгенін тіркеуге және электрлік сигналдарға айналдыруға болады. Әдістің басты артықшылығы - ақпараттың жоғары мөлшері, ал кемшілігі - процестің ұзақ уақыты. Бұл әдіс әдетте 5 нм-ден үлкен бөлшектер үшін қолданылады. 100 кВ энергиясы бар электрондар үшін үлгі қалыңдығы шамамен 50 нм. Үлгі жойылуының алдын алу үшін, оларды дайындаудың арнайы әдістері қолданылады. Сонымен қатар, үлгілерге сәулелік жүктеме мүмкін екендігін есте ұстау керек, мысалы, сәуле астындағы бөлшектердің агрегациясы.
Үлгілерді дайындауды әдісінің бірі утрамикротомдарды қолдану. Сонымен қатар химиялық әдістер кеңінен таралған, әсіресе матрицаны еріту. Алынған гистограмманың түрі үлгіні алу әдісіне байланысты [2].
Сканирлеуші электронды микроскопта (СЭМ)-та фокустелген электрондар шоғыры жұқа және қалың үлгілердің бетін сканирлеу үшін қолданылады. Алынған суреттер зерттелетін нысанның үш өлшемді құрылымы туралы көз алдымызға елестетуге мүмкіндік береді. Қорытынды көрініс зерттелетін нысан бетінің көп жерлерін сканирлеу нәтижесінде алынған нүктелерді қосу арқылы алынады.
1-суретте СЭМ-нің бірнеше негізгі компоненттері көрсетілген.

1-сурет. Электронды микроскоптың жұмыс істеу принципі

СЭМ 10-нан 100000-ға дейін ұлғайтуды қамтамасыз етеді, ол 5-10 нм шамасына дейін нысан тетігін қарастыруға мүмкіндік береді. Көптеген заманауи аса қуатты құралдар нысанды 1 нм-ге жуық бөле отырып, 1000000 есеге дейін үлкейтуге қабілетті. Бөлу қабілеті - оптикалық аспаптың жақын нысандар арасындагы арақашықтық пен бұрышты өлшеу қабілеті.Суретті өте қуатты линзалар көмегімен үлкейтуге болады, бірақ онда жаңа тетіктерді көру мүмкін емес. Себебі алынған көріністің
ұлғайтуы бөлу қабілетін ұлғайтпайды.Оптикалық микроскоптың бөлу қабілеті жарықтың толқын ұзындығы мен дифракциясымен (жарықтың ауытқу дәрежесі) және апертурасымен (объективтің саңылау шамасы) шектеледі.
СЭМ мониторының экрандарындағы қара-ақ көріністер зерттелетін нысанды ұсынады, сонымен қатар, аса ашық жерлер шағылған электрондардың көптеген жиынына, ал аса ашық емес жерлер аздаған жиынына сәйкес келеді.
Көбінесе, СЭМ-дегі үлгілер вакуум жағдайында зерттеледі. Олар вакуумның әсерінен сығылысып қалмауы және пішінін өзгертпеуі үшін оларды мұқият дайындау қажет. Биологиялық үлгілерді олар қозғалып кетпеуі үшін кептіреді және қабықшамен қаптайды. СЭМ-дағы көрініс электрондардың көмегімен түзілетіндіктен, үлгілер электр тоғын өткізулері тиіс. Арнайы платформаға орнықтырылған үлгіге, металдың өте жұқа қабатын шаңдатып отырғызады да, тоқ өткізгіш беттік қабат жасайды.
Микроскоптан ауаны сорып алғаннан кейін шоқ көзі жоғары энергияның электрон шоғырларын, оларды бір нүктеге фокустайтын магнит линзаларының бірнешеуі арқылы жібереді.
Ауытқытушы катушкалардың жиыны (1-суретті қараңыз) үлгі бетін сканирлей отырып, фокусталған шоқтың алдыға-артқа орнын ауыстырады. Электрондар шоғыры үлгіге түсіп және үлгіден басқа электрондарды немесе оны өткізетін жамылғыны ұрып шығарады. Детектор шағылған және ұрылған электрондарды ұстап қалады және күшейткішке дабыл береді. Үлгі бетінің барлық сканирленген бөліктерінен дабылдар күшейгеннен кейін бірге жинақталады және монитор экранында бейнеленеді [3].

1.3 Атомдық-күш микроскопиясы

Атомдық-күш микроскопиясы - зондтық микроскопияның түрі, оның негізінде атомдардың күштік өзара әсері жатыр . Бір ангстремге жуық қашықтықтағы үлгі атомы мен зонд атомы (кантилевер) арасында тебу күші пайда болады, ал үлкен қашықтықта - тарту күші пайда болады. Құрылғы идеясы өте қарапайым - кантилевер бетке қатысты орын ауыстыра отырып және күштердің өзара әсеріне жауап беріп, оның рельефін тіркейді (2-сурет).

2-сурет. Атомдық-күштік микроскоптың (НТ-МДТ) жалпы көрінісі
мен принциптік схемасы

АКМ жұмысының негізінде зонд пен беттің арасындағы күштік өзара әсер жатады, оларды тіркеу үшін соңында үшкір зонды бар серпінді консоль түріндегі арнаулы зондтық датчиктерді пайдаланады (3-сурет). Бет жағынан зондқа әсер ететін күш консольдың майысуына әкеледі. Майысудың шамасын тіркей отырып зондтың бетпен әрекеттесу күшін
бақылауға болады .

3-сурет. АКМ зондтық датчиктің схемалық көрінісі.

Әртүрлі зондтық микроскоптарға тән жалпы сипатын қарастырайық. Зондтық бетпен өзара әрекеті кейбір Р параметрімен сипатталсын. Егер Р параметрдің Р=Р (z) зонд-үлгі ара қашықтығынан жеткілікті және өзара тәуелділік болса, онда берілген параметр зонд пен үлгі арақашықтығын бақылап отыратын кері байланыс (КБ) жүйесін ұйымдастыру үшін пайдаланылуы мүмкін. 4-суретте сканерлейтін зондтық микроскоптың кері байланысын ұйымдастырудың жалпы принципі схемалық түрде көрсетілген.

4-сурет. Зондтық микроскоптың кері байланыс жүйесін ұйымдастыру
схемасы.

Кері байланыс жүйесі оператор ұсынған Р0 шамасына тең Р тұрақты параметр мәнін ұстанады. Егер зонд - беттің ара-қашықтығы өзгерсе (мысалы, артса), онда Р параметрінде өзгеріс жүреді (ұлғаяды). ОС жүйесінде қажетті шамаға дейін күшейіп, ИЭ атқарушы элементке берілетін ΔP = P - P0 шамасына пропорционал айырмашылық сигналы қалыптасады. Атқарушы элемент зондты бетке жақындата отырып немесе оны алыстатып, таратушы сигнал нольге тең болғанға дейін берілген сигналды өңдейді. Осындай жолмен, зонд-үлгінің ара қашықтығын жоғарғы дәлдікпен ұстап тұруға болады. Зонд-беттің ара қашықтықты сақтау дәлдігі қолданыстағы зондтық микроскоптарда ~ 0.01 нм шамаға дейін жетеді. Үлгі бетінің бойымен зондты орын ауыстыру кезінде беттің рельефіне байланысты Р өзара әрекеттестік параметрінде өзгеріс болады. ОС жүйесі осы өзгерісті өңдейді, себебі жазықтықта зондтың орын ауысстыруында атқарушы элементтегі X,Y сигналы беткі рельефке пропорционал болып шығады.
Кескінді алу үшін АСМ-да үлгіні сканирлеу үдерісін ұйымдастыру арнаулы түрде жүзеге асады. Сканирлеудің бас кезінде зонд үлгінің үстінде белгіленген сызықпен қозғалады, мұндағы атқарушы элементтегі сигнал шамасы беттің рельефіне пропорционал, компьютер жадына жазылады. Содан соң зонд бастапқы нүктесіне қайтып келеді және сканирлеудің келесі жолына өтеді, үдеріс басынан қайталанады. Сканирлеу кезіндегі осындай жолмен жазылған кері байланыс сигнал компьютерде өңделеді, содан соң Z = f(x,y) беттің рельефінің АСМ кескіндемесі компьютерлікграфика көмегімен құрастырылады.
Беттің рельефін зерттеумен қатар зондтық микроскоптар беттің түрлі қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді: механикалық, электрлік, магниттік, оптикалық және т.б. Бұл үшін магнитті немесе өткізуші жабындылары бар арнаулы кантилеверлер қолданылады (Co, TiN, Au, алмас жабынды) [5].

1.4 Сканирлеуші зондтық микроскоп

Сканирлеуші зондтық микроскоптар (СЗМ) материалдардың беткіқабаттарын атомдық деңгейде зерттеу үшін қолданылады. Оның зерттелетін нысанның беттік қабатының қасиетін өте аз мөлшерде өзгергенін жазып және қадағалап отыратын зондтың "өткірленген инесі бар". Зонд марсоход сияқты, сол кездегі биіктігін, өткізгіштігін және басқа қасиеттерін жазып отырып, үлгі бетін сканирлейді. СЗМ, граммофонды пластинканың дыбыс жолдарының төбешік болуы мен шұңқыр болуын қайталап отыратын және солай жазбаны пластинкада шығаратын метал инесі бар көне граммофон сияқты жұмыс істейді. Зондтың жоғары және төмен кішкене қозғалысы зондтан шағылып, оның барлық дірілдерін оптикалық детекторға жеткізетін лазерлік сәулемен бекітіледі. Сәйкесінше, зондпен зерттелетін нысанның беттік қабаты арасындағы потенциалдар айырымы мен электр тоғын өлшеуге болады. Сканирлеу режімінде зондтың орнын ауыстыру үшін пъезокристалдар қолданылады.
Пьезокристалдар - бұл сыққан кезде потенциалдар айырымын (электрлік кернеу) тудыратын немесе керісінше, электрлік кернеудің әсерімен пішінін өзгертетін (сыгылады және кеңейеді, айналады және иіледі) кристалдар [3].

1,5 Сканирлеуші туннельдік микроскоптар

СЗМ бірінші прототипі Цюрихте (Щвейцария) ІВМ компаниясының зертханасында 1981 жылы Герд Бинниг пен Хайнрих Рорер ойлап тапқан сканирлеуші туннельді микроскоп болған еді. Бұл революциялық жаңалықта потенциалдар айырымы берілген "үлгі-ине" жүйесі қолданылады. Электрондар үлгіден инеге туннельденіп, дәл өлшеуге болатын туннельді электрлік тоқ тудырады. 1986 жылы Герд Биннинг мен Хайнрих Рорер "сканирлеуші туннельді микроскопты ойлап тапқандары" үшін физика саласы бойынша Нобель сыйлығына ие болды.
Инені қолдану тәсіліне байланысты әртүрлі ақпарат алуға болады. Қарапайым жағдайда үлгінің беткі қабаты тұрақты қашықтықта сканирленеді, мысалы, 0,2 нм, ал ине тұрақты тоқты ұстап тұру үшін жоғарылайды немесе төмендейді, бұл ине мен беттік қабат арасындағы бірдей қашықтықты білдіреді. Көбінесе зонд ұшы мен өткізгіш үлгінің арасында аралық (туннель) арқылы электрондар ағынын тудыратын, потенциалдар айырымы беріледі [6].
4-суретте вольфрамды иненің сызбанұсқасы көрсетілген.

4-сурет. Сканирлеуші туннельді микроскоп үшін вольфрам инесінің
сызбанұсқасы

Туннельді электрлік тоқ - электрондар тосқауыл биіктігінен кіші, толықэнергияныиеленеотырып (туннельденукезінде өзгеріссіз қалады), потенциалдық тосқауылдан өтетін, классикалық механикада мүмкін емес, кванттық табиғаты бар құбылыс. Бұл тоқтың шамасы үлгі мен ине арасындагы арақашықтыққа экспоненциалды түрде тәуелді.
Бірыңғай туннельді тоқты ұстап тұру үшін инені беттік қабатқа қатысты жоғары және төмен жылжыту беттік қабаттың топографиясының (рельеф) фиксациясы мүмкін болады. Туннельді тоқ болу үшін үлгі өткізгіш болу керек. Изоляторлар, мысалы резеңке, электр тоғын өткізбейді және ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.