Көміртекті нанотүтікшелердің ашылу тарихы

Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 26 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі

Академик Е.А. Бөкетов атындағы Қарағанды университеті

Даныкбаев Диас Бағдатұлы

Көміртекті нанотүтікшелер мен Льюис қышқылдарының реакция механизмдерін ab-initio зерттеу

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

5B060600 − Химия мамандығы

Қарағанды 2022

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі

Академик Е.А. Бөкетов атындағы Қарағанды университеті

Қорғауға жіберілді
Физикалық және аналитикалық химия
кафедрасының меңгерушісі
______________С. Н. Никольский
27.04.2022

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

Тақырыбы: "Көміртекті нанотүтікшелер мен Льюис
қышқылдарының реакция механизмдерін ab-initio зерттеу"

5B060600 − Химия мамандығы

Орындаған: Д. Б. Даныкбаев

Ғылыми жетекшісі:
х.ғ.д., профессор А. С. Масалимов

Қарағанды 2022
МАЗМҰНЫ

Бет
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

1 Нанохимия ғылымның жаңа базалық концепциялары ... ... ... ... ... .. ... ... ... ..

1.1 Карбин, графен, фуллерендер, көміртекті нанотүтікшелердің ашылуы ... .

1.2 Көміртекті нанокластерлердің электронды микроскопиясы: фуллерендер, нанотүтікшелер және басқа нанобөлшектер ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .

2 Наножүйелерді зерттеудің кванттық-химиялық әдістері ... ... ... ... ... ... ..

2.1 Gaussian-2016 бағдарламалық кешеніндегі есептеудің эмпирикалық емес әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..

2.2 "GaussViewer-6.0" графикалық драйверімен жұмыс істеу техникасы ... ... .

3 Көміртекті нанотүтікшелердің Льюис қышқылдарымен реакция механизмдерін ab-initio зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

3.1 Көміртекті нанотүтікшелердің Льюис қышқылының модельдік молекулаларымен әрекеттесуін квантты-химиялық зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ...

3.2 Льюис қышқылдарының фуллерендермен реакциясын ab-initio есептеу

Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..

Пайдаланылған әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

Кіріспе

Соңғы онжылдықтарда нанобөлшектердің қасиеттерін алу және зерттеу әдістеріне қызығушылық айтарлықтай артты, бұл нанометрлік диапазондағы бөлшектер көрсететін арнайы механикалық, термодинамикалық, химиялық, оптикалық және басқа да қасиеттердің болуына байланысты. Басқаша айтқанда, металл кластерлері электронды құрылғыларда, медицинада және басқа да көптеген салаларда қолданылатын ерекше қасиеттері бар жаңа материалдарды жасаудың перспективалы көзі болып табылады. Осындай заманауи наноматериалдарды өндіру қажеттілігі синтез әдістерін жасауға және жасауға, олардың қасиеттерін зерттеуге қызығушылықтың одан әрі артуына ықпал етеді. Нанокластерлерді эксперименттік әдістермен зерттеу бірқатар белгілі қиындықтарға тап болады, олар бірінші кезекте ұсақ бөлшектердің өлшемімен байланысты.
Дипломдық жұмыстың мақсаты: көміртекті нанотүтікшелер мен Льюис қышқылдарының реакция механизмдерін эмпирикалық емес әдістермен квантты-химиялық есептеулер жүргізу.
Диломдық жұмыстың зерттеу объектілері: көміртекті нанотүтікшелер, Льюис қышқылдары.
Нанокластерлерді зерттеуде компьютерлік модельдеу әдістерін қолдану басқаша шешуі қиын мәселелерді зерттеуге мүмкіндік береді: тепе-теңдік құрылымдары мен конфигурацияларын анықтау, құрылымдық түрлендірулерді зерттеу, кластерлердің түзілу және өсу механизмдері, термодинамикалық қасиеттері мен кинетикасын зерттеу, нанобөлшектерде жүріп жатқан процестер. Бүгінгі күні кластерлердің қасиеттерін егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік беретін көптеген модельдеу әдістері бар.
Бұл жұмыста қолданылған молекулалық динамика әдісі, біздің ойымызша, ең перспективалы және тиімді болып табылады. Бұл әдіс сыртқы жағдайлардың (температура, қысым және т.б.) әсерін ескере отырып, кластерлердің құрылымдық және термодинамикалық қасиеттерін де, қасиеттердің өзгеру динамикасын және кластерлерде болып жатқан процестердің кинетикасын дәл анықтауға мүмкіндік береді. Бұл жұмыста молекулалық динамика әдісімен жүргізілген зерттеулер металл кластерлердің ең тұрақты өлшемдері мен құрылымдарын анықтау, нанобөлшектер құрылымдары мен макроскопиялық фазалық құрылымдар арасындағы байланысты анықтау, кластерлердің балқу механизмін және термодинамикалық қасиеттерін зерттеу, құрылымдық өзгерістерді зерттеу сияқты маңызды мәселелерді қозғайды.
Қазақстанда нанотехнологияларды дамыту ғылыми және мемлекеттік басымдыққа ие екені сөзсіз. Нанотехнологияның неғұрлым берік және жеңіл конструкциялық материалдар өндіруден бастап, наноқұрылымды дәрілерді қан айналым жүйесіне жеткізу уақытын қысқартуға, магнитті тасымалдағыштар сыйымдылығын арттыруға және жылдам компьютерлер жасауға дейінгі зор әлеуеті бар.
Функционалды наноматериалдар - қасиеттері наноқұрылыммен анықталатын материалдар, яғни мөлшері 1-ден 100 нм-ге дейінгі оның реттелген фрагменттері - нанотехнологияның негізгі элементі болып табылады.
Наноматериалдардың физикалық химиясының пәні нанокластерлер мен наноқұрылымдарды алу әдістерін, нанотехнологияларға арналған наноматериалдар мен құрылғылардың қасиеттері мен қолданбаларын қамтиды. Көптеген ақпарат көздері, ең алдымен, ағылшын тілінде, Ричард Фейнманның 1959 жылы Калифорния технологиялық институтында американдық физикалық қоғамның жыл сайынғы кездесуінде жасаған "There's Plenty of Room at the Bottom" атты әйгілі қойылымымен олар кейіннен нанотехнология деп аталатын жаңа материалдарды алу әдістері туралы алғашқы ескертуді байланыстырады. Ричард Фейнман тиісті мөлшердегі манипулятордың көмегімен жалғыз атомдарды механикалық түрде жылжытуға болады деп ұсынды, кем дегенде мұндай процесс қазіргі кездегі белгілі физикалық заңдарға қайшы келмейді.

1 Нанохимия ғылымның жаңа базалық концепциялары

"Нанотехнология" терминін алғаш рет Норио Танигути 1974 жылы қолданған. Ол бұл терминді бірнеше нанометр өлшеміндегі өнімдер өндірісі деп атады. 1980 жылдары бұл терминді Эрик К. Дрекслер өз кітаптарында қолданған: Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology и Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. Оның зерттеулерінде негізгі орынды математикалық есептеулер атқарды, оның көмегімен өлшемдері бірнеше нанометрден аспайтын құрылғының жұмысын талдауға болады.
Қазіргі ғылымда нанотехнология теориялық негіздеменің, зерттеудің, талдаудың және синтездің практикалық әдістерінің, сондай-ақ жекелеген атомдар мен молекулаларды бақыланатын манипуляциялау арқылы берілген атом құрылымы бар өнімдерді өндіру және қолдану әдістерінің жиынтығымен айналысатын іргелі және қолданбалы ғылым мен техниканың пәнаралық саласын білдіреді (1-сурет).
Миниатюризацияның қазіргі тенденциясы, егер сіз осы заттың өте кішкентай бөлігін алсаңыз, заттың мүлдем жаңа қасиеттерге ие болатындығын көрсетті. Өлшемдері 1-ден 100 нанометрге дейінгі бөлшектер (IUPAC ұсынысы бойынша) әдетте "нанобөлшектер" деп аталады.
Зат зерттелетін үлгідегі атомдар санына және оның мөлшеріне байланысты химиялық қасиеттері мен реактивтілігін айтарлықтай өзгерте алады.
Бөлшектегі атомдар саны тіпті периодтық кестенің "үшінші координаты" деп аталды (топпен және қатармен бірге).
Нанохимия - өлшемдері бірнеше нанометр болатын бөлшектердің алынуын және олардың физика-химиялық қасиеттерін зерттейтін ғылым саласы.

1-сурет. Нанотехнологияның пәнаралық сипаты

Нанохимияның басым міндеттерінің бірі - нанобөлшектің мөлшері мен оның қасиеттері арасындағы байланысты орнату.
Кластерлер (ағылшын тілінен cluster, әріптер - топтама, үйінді, топтама), бір-бірімен тығыз байланысты атомдар, молекулалар, иондар топтары, кейде ультра дисперсті бөлшектер. Кластерлік қосылыстың қаңқасын құрайтын металл атомдарының саны бойынша - нуклеарлығы (q)-кластерлер кіші (q = 3-12), орташа (q = 13-40), үлкен (q=41-100) және ультра үлкен, "алып" (q100) болып бөлінеді.
Ғылымда нанохимия объектілерін жіктеуге көптеген талпыныстар бар. 1-кесте анықтамаларды шатастырмауға көмектеседі.

1-кесте. Нанохимия объектілері
Фазалық күй
Бірлік атомдар
Кластерлер
Нанобөлшектер
Ықшам зат
Диаметр, нм
0,1 - 0,3
0,3 - 10
10 - 100
100 жоғары
Атомдар саны
1 - 10
10 - 10[6]
10[6] - 10[9]
10[9] жоғары

Алайда, нанобөлшектердің жоғарғы шекарасын анықтайтын атомдар саны әр қосылыс үшін жеке болады.
Геометриялық принцип бойынша (өлшемділік) нанообъектілерді әртүрлі көзқарастар бойынша жіктеуге болады. Кейбір зерттеушілер нысанның өлшемін объект макроскопиялық өлшемдері бар өлшемдер саны бойынша ұсынады (макроөлшемге сәйкес). Басқалары наноскопиялық өлшемдердің санын негізге алады (наноөлшем бойынша). Соңғы 14 қисындырақ. Біз екі тәсілді де біріктіретін классификацияны енгізуге тырысамыз (2-кесте).

2-кесте
Нанохимия объектілерінің біріккен жіктелуі
Объект сипаттамасы
Өлшеулер саны 100 нм кем
Өлшеу саны 100 нм астам
Үлгілер
Барлық үш өлшем (ұзындығы, ені және биіктігі) 100 нм-ден аз
3-өлшемді объект
0 - өлшемді объект
Кванттық нүктелер, фуллерендер, коллоидты ерітінділер, микроэмульсиялар
Көлденең өлшемдері 100 нм-ден аз, ал ұзындығы қалағаныңызша үлкен
2 - өлшемді объект
1 - өлшемді объект
Кванттық жіп (сымдар), нанотүтікшелер, нанофибрлер, нанокапиллярлар және нанопорлар
Тек бір өлшемі (қалыңдығы) 100 нм-ден аз, ал ұзындығы мен ені қалағаныңызша үлкен
1 - өлшемді объект
2 - өлшемді объект
Кванттық орын, нанотаспалар мен наноқабаттар
Барлық үш өлшем 100 нм-ден асады
0 - өлшемді объект
3 - өлшемді объект
Қарапайым макродене

Кванттық нүкте (КН) - бұл кванттық бөлшек үшін үш өлшемді потенциалды шұңқыр, соңғысының қозғалысын үш бағытта шектейді және кванттық бөлшектің де-Бройль толқын ұзындығының ретін өлшейді. Физикалық тұрғыдан алғанда, КН-ны қос гетероқұрылым ретінде қолдануға болады, онда тар аймақты жартылай өткізгіш кіші енгізу түрінде кең аймақты матрицаға енгізіледі. Содан кейін үш өлшемді кванттық шұңқыр (немесе КН) тар өткізгіш жартылай өткізгіш аймағында заряд тасымалдаушылар үшін пайда болады.

2-сурет. Кванттық нүкте 3-сурет. Кванттық жіп

Кванттық сым − бұл кванттық бөлшектің екі өлшемді потенциалдық шұңқыры, оның өлшемдері екі кеңістіктік бағытта ~ кванттық бөлшектің де-Бройль толқын ұзындығында болады. Кванттық бөлшектің кванттық сым қозғалысының қалыпты осіне тән ерекшелігі-бұл бағыттардағы қозғалыс энергиясының мүмкін (рұқсат етілген) мәндерінің жиынтығы дискретті болуы.
Кванттық орын − бұл кванттық бөлшектің ~де-Бройль толқын ұзындығының өлшемдері болатын кванттық бөлшек үшін бір өлшемді потенциалдық шұңқыр. Кванттық шұңқырдағы кванттық бөлшектің қозғалысының ерекшелігі − оның энергиясының мүмкін (рұқсат етілген) мәндерінің жиынтығы дискретті болуы.

1.1 Карбин, графен, фуллерендер, көміртекті нанотүтікшелердің ашылуы

Карбиннің ашылуы

Атомдардың sp-будандастыруымен көміртегі формаларының болу мүмкіндігі туралы мәселе теориялық тұрғыдан бірнеше рет қарастырылды. 1885 жылы неміс химигі Адольф Байер ацетилен туындыларынан тізбекті көміртекті сатылы әдіспен синтездеуге тырысты. Алайда, Байердің полиин алу әрекеті сәтсіз болды (молекулада кемінде үш оқшауланған немесе конъюгацияланған байланыс бар С≡С), ол төрт ацетилен молекуласынан тұратын көмірсутекті алды және өте тұрақсыз болып шықты. Төменгі полииндердің тұрақсыздығы Байерге кернеу теориясын құруға негіз болды, онда ол тізбекті көміртекті алу мүмкін еместігін алға тартты. Ғалымның беделі зерттеушілердің полиин синтезіне деген қызығушылығын суытып, осы бағыттағы жұмыстар ұзаққа созылды.
Карбин ашушылардың айтуынша, олар үшін ең қиыны көміртегі атомдарының тізбекке қандай байланыстар қосылғанын анықтау болды. Бұл ауыспалы бір және үш жақты байланыс (-C≡C-C≡C-), тек қос байланыс (=C=C=C=C=C=) немесе екеуі де бір уақытта болуы мүмкін. Тек бірнеше жылдан кейін ғана алынған карбинде қос байланыс жоқ екені дәлелденді. Карбинді озондау кезінде қымыздық қышқылының пайда болуы тізбектердің полиен құрылымын растау болды.
Сонымен, сызықтық көміртектің екі формасы алынды: полиин (-С≡С-)n, немесе α-карбин, және поликумулен (=С=С=)n, немесе β-карбин. Ашылу авторлары Карбин құрылымын әртүрлі әдістермен егжей-тегжейлі зерттеп, оның термодинамикалық және электрофизикалық қасиеттерін зерттеді.

Графеннің ашылу тарихы

Графен − бұл алтыбұрышты торға жиналған көміртек атомдарының бір қабатынан тұратын екі өлшемді кристалл. Оның теориялық зерттеулері материалдың нақты үлгілерін алудан бұрын басталды, өйткені графеннен үш өлшемді графит кристалын жинауға болады. Графен осы кристалл теориясын құру үшін негіз болып табылады. Графит жартылай металл болып табылады және 1947 жылы Ф.Уоллес көрсеткендей, графеннің аймақтық құрылымында да тыйым салынған аймақ жоқ, валенттілік аймағы мен өткізгіштік аймағының түйісу нүктелерінде электрондар мен тесіктердің энергетикалық спектрі толқындық вектордың функциясы ретінде сызылады.
Осындай ерекше ерекшеліктерге қарамастан, 2005 жылға дейін бұл тұжырымдар эксперименталды түрде расталмады, өйткені графенді алу мүмкін болмады. Сонымен қатар, ертерек те теориялық түрде еркін идеалды екі өлшемді пленканы бүгу немесе бұралуға қатысты тұрақсыздыққа байланысты алу мүмкін еместігі көрсетілген. Жылулық ауытқулар кез келген шекті температурада екі өлшемді кристалдың балқуына әкеледі.
2004 жылы орыс тектес британдық ғалымдар Андрей Гейм мен Манчестер университетінің Константин Новоселов Science журналында тотыққан кремнийдің субстратына графен алынғандығы туралы жұмыс жариялады. Осылайша, екі өлшемді пленканы тұрақтандыруға SiO2 диэлектрикасының жұқа қабатымен МПЭ көмегімен өсірілген жұқа қабықшаларға ұқсас байланыс арқасында қол жеткізілді. Алғаш рет өткізгіштік, Шубников-де-Гааз эффектісі, атом қалыңдығындағы көміртегі пленкаларынан тұратын үлгілерге арналған холл эффектісі өлшенді.

4-сурет. Графеннің идеалды кристалды құрылымы − алтыбұрышты кристалды торы

Фуллерендердің ашылу тарихы

Нанобөлшектердің алуан түрлілігінің ішінде әртүрлі агрегаттық күйлерде наножүйелерді құрайтын ең белгілі нанообъектілердің бірнешеуін бөліп көрсетуге болады (3-кесте).
Фуллерендер, бакиболдар немесе букиболдар − көміртектің аллотропты формаларының класына жататын (басқалары − алмаз, карбин және графит) және үш үйлестірілген көміртек атомдарының жұп санынан тұратын дөңес жабық көпбұрыштар болып табылатын молекулалық қосылыстар. Бұл қосылыстар геодезиялық конструкциялар осы принцип бойынша салынған инженер және дизайнер Ричард Бакминстер Фуллерге өз атауын береді. Бастапқыда бұл қосылыстар класы тек бес және алтыбұрышты қырларды қамтитын құрылымдармен шектелді. Эйлер теоремасына сәйкес, теңдік n − e + f = 2 (мұндағы n , e және f сәйкесінше шыңдар саны) теңдік әділдігін растайтын көпбұрыштарға арналған, тек бес және алтыбұрышты қырларды құрайтын n шыңдарынан тұратын осындай жабық көпбұрыштың болуы үшін, жиектері мен қырлары), дәл 12 бесбұрышты және n2-10 алтыбұрышты беттердің болуы міндетті шарт болып табылады.

3-кесте
Нанохимиялық зерттеулердің негізгі объектілері
Нанобөлшектер
Наножүйелер
Фуллерен
Кристалдар, ерітінділер
Нанотүтікшелер
Агрегаттар, ерітінділер
Ақуыз молекуласы
Ерітінділер, кристалдар
Полимерлі молекулалар
Кірне, гельдер
Бейорганикалық нанокристалдар
Аэрозольдер, коллоидты ерітінділер
Мицеллалар
Коллоидты ерітінділер
Наноблоктар
Қатты денелер
Ленгмюр Фильмдері-Блоджетт
Бетінде пленкасы бар денелер
Газдардағы кластерлер
Аэрозольдер
Заттардың қабаттарындағы нанобөлшектер
Наноқұрылымды пленкалар

Е с к е р т у − Наножүйе деп белгілі бір ортада мөлшері 100 нм аспайтын нанобөлшектердің жүзіндісі түсініледі

1985 жылы зерттеушілер тобы − Роберт Керль, Харольд Крото, Ричард Смолли, Хит және О'Брайен қатты үлгіні лазермен сәулелендіру (абляция) арқылы алынған графит буының массалық спектрлерін зерттеп, 60 және 70 көміртек атомдарынан тұратын кластерлерге сәйкес келетін максималды амплитудасы бар шыңдарды тапты. Олар бұл шыңдар C60 және C70 молекулаларына сәйкес келеді деп болжады және C60 молекуласы ih симметриясының кесілген икосаэдрасы түрінде болады деген болжам жасады (5-сурет). Фуллерендердің ашылуының өзіндік тарихы бар: олардың өмір сүру мүмкіндігі 1971 жылы Жапонияда болжанып, 1973 жылы Ресейде теориялық негізделгенін айта кету керек.

5-сурет. Фуллерен молекуласы

Көміртекті нанотүтікшелердің ашылу тарихы

Көміртекті нанотүтікшелер диаметрі бір-бірден бірнеше ондаған нанометрге дейінгі және ұзындығы бірнеше сантиметрге дейінгі ұзартылған цилиндрлік құрылымдар болып табылады, олар түтікшеге оралған бір немесе бірнеше алтыбұрышты графиттік жазықтықтардан (графендер) тұрады және әдетте жарты шар тәрізді баспен аяқталады.

6-сурет. Бір қабатты көміртекті түтіктің идеализацияланған моделі

Көміртекті нанотүтікшелерге келетін болсақ, олардың нақты ашылу күнін айту мүмкін емес. 1991 жылы жапондық зерттеуші Иджима көп қабатты нанотүтікшелердің құрылымын байқау фактісі белгілі болса да, олардың ашылуының бұрынғы дәлелдері бар. Осылайша, мысалы, 1974-1975жж. Эндо және басқалары бу конденсациясы әдісімен дайындалған диаметрі 100 Å-ден аз жұқа түтіктерді сипаттайтын бірқатар жұмыстарды жариялады, бірақ құрылымды толық зерттеу жүргізілген жоқ. 1952 жылы Кеңес ғалымдары Радушкевич пен Лукьяновичтің мақаласында темір катализаторындағы көміртегі тотығының термиялық ыдырауы кезінде алынған диаметрі шамамен 100 нм болатын талшықтарды электронды микроскопиялық бақылау туралы хабарланды. Бұл зерттеулер де жалғасын таппады.

1.2 Көміртекті нанокластерлердің электронды микроскопиясы: фуллерендер, нанотүтікшелер және басқа нанобөлшектер

Электрондық микроскоп (ЭМ) - оптикалық микроскопқа қарағанда жарық ағынының орнына 200 эВ - 400 кэВ және одан да көп энергиясы бар электрондар шоғын пайдаланудың арқасында барынша үлкейтіліп, 106 есеге дейін объектілердің бейнесін алуға мүмкіндік беретін аспап (мысалы, үдеткіш кернеуі 1 МВ болатын жоғары ажыратымдылықтағы жарықтандырушы электрондық микроскоптар).
Потенциалдық айырмашылығы 1000 В болатын электр өрісінде жылдамдатылған электрондардың де-Бройль толқын ұзындығы 0,4 Å құрайды, бұл көрінетін жарықтың толқын ұзындығынан әлдеқайда аз. Нәтижесінде электронды микроскоптың ажыратымдылығы қарапайым оптикалық микроскоптан 10 000 есе артық болуы мүмкін. Электрондық микроскопта кескінді алу үшін электромагниттік өрістің көмегімен құрылғының бағанындағы электрондардың қозғалысын басқаратын арнайы магниттік линзалар қолданылады.
Жарықтандырушы электронды микроскопия (ЖЭM) және жоғары ажыратымдылықтағы электронды микроскопия (ЖАЭМ) көптеген ондаған жылдар бойы заттардың кең спектрінің құрылымын зерттеу үшін қолданылып келеді. Электрондық дифракция әдістерімен, рентгендік энеродисперсиялық талдаумен, электрондардың энергия жоғалтуының спектроскопиясымен, электронды микроскопиялық бейнелерді өңдеу және түсіндіру әдістерімен және басқа да заманауи әдістермен ұштасқан ЖЭМ және ЖАЭМ зерттелетін материалдың құрылымы, химиялық құрамы және химиялық байланыстары туралы ақпаратты 0.1 нм дейінгі рұқсатпен алуға мүмкіндік береді. Материалдың құрылымы оның қасиеттерін едәуір анықтайтындықтан, ЖЭМ материалдарды, атап айтқанда көміртекті нанотүтікшелерді зерттеудің ерекше құралы болып табылады. Растрлық электронды микроскопия (РЭM) көміртекті нанотүтікшелердің жабындарын зерттеуде және басқа да бірқатар жағдайларда, мысалы, катодты депозитті зерттеуде тиімді.
Электронды микроскопта электрондар ағыны (1) электронды зеңбіректің (2) қыздырылған вольфрам катодымен (3) жасалады және жоғарғы (4) және төменгі (5) электромагниттік линзалармен фокусталады. Содан кейін электрондар сақина саңылауынан (6) және сканерлеу катушкасынан (7) өтіп, соңында проектор объективімен (8) зерттелетін үлгіге (9) бағытталған. Бүкіл процесс вакуумда жүреді, ауа сорғымен шығарылады (10). Сканерлеу катушкасының жұмысы, ол сәулені бүкіл объект бойынша өтетін етіп бағыттайды, компьютерді басқарады. Үлгі ауа камерасына орналастырылады (11) және қолмен қажетті жағдайға орнатылады (12). Зерттелетін объектінің бейнесі объектіден шағылысқан электрондардың бекітілуіне байланысты пайда болады (13). Бұл электрондардың қозғалысы объектінің беткі пішінімен байланысты; оларды анықтау детектордың (14) флуоресцентті нысанасына (15) тиген кезде пайда болады. Алынған кескін компьютер дисплейінде көрсетіледі (16).

7-сурет. Электронды микроскоп құрылысы

Микроскопия нанобөлшектердің мөлшерін анықтаудың негізгі әдісі болып табылады, сондықтан толығырақ қарастырылады. Бұл жағдайда, әдетте, электронды микроскопия қолданылады, ол жеделдетілген электрондардың сәулесін және зонд микроскоптарының әртүрлі нұсқаларын қолданады.
Электронды микроскопияда өз кезегінде екі негізгі бағыт бар:
-соңғы уақытта жоғары ажыратымдылықтағы электронды микроскопияны жеке бөлімге бөлу қабылданған жарықтандырушы электронды микроскопия (ЖЭМ);
- сканерлеуші электрондық микроскопия (СЭМ).

Жарықтандырушы электронды микроскопия

Жұқа пленка болып табылатын объект 50-200 кэВ энергиясы бар 10-6 вакуумдағы жеделдетілген электрондардың сәулесімен жарқырайды. Нысанның атомдары кішкентай бұрыштарға ауытқып, объект арқылы өтетін электрондар экранда және фотопленкада ішкі құрылымның жарық еден бейнесін құрайтын магниттік линзалар жүйесіне енеді. 0,1 нм ажыратымдылыққа қол жеткізіледі, бұл 106 есе өсуге сәйкес келеді. Рұқсат объектінің сипатына және оны дайындау әдісіне байланысты. Әдетте қалыңдығы 0,01 мкм пленкалар зерттеледі, контрастты арттыру үшін көміртегі репликалары қолданылады. Заманауи ультрамикротомалар қалыңдығы 10-100 нм кесектерді жасауға мүмкіндік береді. Металдар жұқа фольга түрінде зерттеледі. Мөлдір микроскоптардың көмегімен объектінің кристалдылығы туралы ақпарат беретін дифракциялық кескіндерді алуға болады.

Сканерлеуші электронды микроскопия

Бұл әдіс негізінен беткі бөлшектерді зерттеу үшін қолданылады. Электрондық сәулелер магниттік линзалармен жұқа (1-10 мм) зондқа сығылады, ол нүктеден нүктеге қарай объект бойымен жылжиды, яғни оны сканерлейді. Электрондар объектімен әрекеттескен кезде сәулеленудің бірнеше түрі пайда болады:
- екінші және шағылысқан электрондар,
- өткен электрондар,
- рентген тежегіш сәулеленуі,
- жарық сәулесі.
Аталған сәулелердің кез келгені тіркеліп, электр сигналдарына айналуы мүмкін. Алынған сигналдар күшейтіліп, электронды-сәулелік түтікке беріледі. Ұқсас жағдай теледидардың кинескопында орын алады. Экрандағы бейнесі қалыптасады, ол суретке де түсіріп алады. Әдістің басты артықшылығы-жоғары ақпараттылық, ал маңызды кемшілігі - процестің ұзақ ұзақтығы болып табылады. Жоғары ажыратымдылық тек төмен жылдамдықпен жүзеге асырылады. Бұл әдіс әдетте 5 нм-ден үлкен бөлшектер үшін қолданылады. Мәселе үлгінің қалыңдығын шектеумен байланысты. 100 кэВ энергиясы бар электрондар үшін үлгінің қалыңдығы шамамен 50 нм құрайды. Үлгілердің жойылуын болдырмау үшін оларды дайындаудың арнайы әдістері қолданылады. Сонымен қатар, сіз әрқашан үлгілерге радиациялық жүктеме мүмкіндігін есте ұстауыңыз керек, мысалы, сәуле астындағы бөлшектердің агрегациясы болуы мүмкін.
Үлгілерді дайындаудың бір әдісі-ультрамикротомаларды қолдану (оларды қолдану біркелкі емес, мысалы, аралша, жауын-шашынмен қиын). Сонымен қатар, матрицасы еріту бөлігінде химиялық әдістер де қолданылады. Микроскопиялық зерттеу арқылы алынған гистограмманың түрі көбінесе үлгіні алу әдісіне байланысты болады.
Электрондық микроскопияның дамуындағы маңызды кезең гистограммаларды пішіні, бағыты және өлшемі бойынша алуға мүмкіндік беретін кескіндерді компьютерлік өңдеу әдістерінің дамуымен байланысты. Құрылымның бөлшектерін бөліп алуға, статистикалық өңдеуді жүргізуге, жергілікті микроцентрацияны есептеуге, торлардың параметрлерін анықтауға болады. Құрылғыларға салынған процессорлар микроскоптарды икемді басқаруға мүмкіндік береді.

2 Наножүйелерді зерттеудің квантты-химиялық әдістері

Қазіргі кванттық химияның негізі стационарлық күйлер үшін Шредингер теңдеуі болып табылады. Ол әдетте адиабатикалық жақындауда шешіледі, яғни ядролық және электронды толқындық функцияларды ядролар мен электрондардың қозғалысы үшін теңдеулерді бөлек бөлуге және шешуге болады деген болжаммен. Бұл жақындауда электронды толқындық функция үшін Шредингер теңдеуі келесідей жазылады:

ĤΨ=ЕΨ,
(4)
Мұнда: Ĥ - жүйенің гамильтонианы, яғни кинетикалық және потенциалдық энергия операторларының қосындысы;
Ψ=Ψ(х1, x2, ..., хn) - n бөлшектерінің жүйесі үшін толқындық функция, олардың кеңістіктегі және спиндердегі орналасуына байланысты;
Е - толық электронды энергия.
Алайда, бұл теңдеуді бір электронды жүйелер жағдайында ғана шешуге болады. Сондықтан кванттық химиялық есептеулерде шамамен әдістер қолданылады. Олардың ішінде Хартри-Фок әдісі немесе өзін-өзі үйлестіретін өріс әдісі (ӨРӨ) кең таралған. Бұл әдіспен әр электрон атом ядроларының өрісінде қозғалады, олардың орналасуы кеңістікте және басқа электрондардың тиімді (орташа) өрісінде болады. Көп электронды толқындық функция спин-орбитальдардың антисимметриялық көбейтіндісі түрінде, яғни α немесе β сәйкес электронның спиндік толқындық функцияларына көбейтілген бір электронды MO φi(μ) түрінде ізделеді:

Ψ = A det[φ1(1)α(1)φ1(1')β(1')...φn(n')β( n')],
(5)

мұнда
2n - молекуладағы электрондар саны;
μ - электрон нөмірі.
А коэффициентінің мәні бірлікке Ψ2 нормалау шартымен анықталады. Хартри-Фоктың жақындауында Шредингер теңдеуі әр жеке электронның қозғалысы үшін интегралдық-дифференциалдық теңдеулер жүйесіне өтеді:

Fφi=εiφi,
(6)
мұнда
F - фокиан (ӨРӨ жақындаудағы гамильтониан);
εi - МО энергиясы.
Молекулалық орбитальдар φi (μ) әдетте атомдық орбитальдардың ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.