Нанотехнология в электротехнических и радиоэлектронных материалах (стр. 3 из 3)

Таким образом, рентгеновская дифракция позволяет определить средний размер зерна, но для определения действительного распределения размеров зерен необходим электронный микроскоп.

Гистограмму распределения размеров зерен нанокристаллического образца можно получить из результатов просвечивающей электронной микроскопии. Ее вид представлен на рис. 9. Огибающая гистограмму линия обычно аппроксимируется логарифмической кривой.

Рис. 9. Гистограмма распределения размеров зерен по результатам просвечивающей электронной микроскопии.

Другой подход к определению углов дифракции, удовлетворяющих условию Вульфа-Брегга, состоит в использовании порошка и называется методом Дебая. Схема метода показана на рис. 10. Монохроматический рентгеновский луч падает на образец порошка, обычно находящийся в тонкостенной стеклянной колбе. Колбу иногда вращают для лучшего сглаживания дифракционной картины. Конически расходящийся пучок лучей образуется для каждого угла 2θ, при котором θ удовлетворяет условию Вульфа-Брегга, и попадает на полосу фотопленки, расположенную по дуге окружности.

Рис.10. Метод Дебая-Шеррера дифракции на порошке

Показана схема установки (вверху), траектория рентгеновского пучка для брегговского угла θ (внизу слева) и изображение дифракционных колец на фотопленке от конически расходящегося пучка (внизу справа).

Из рис. 10 видно, что брегговский угол

,

где S – расстояние между двумя соответствующими рефлексами на пленке, а R – радиус окружности, образуемой пленкой. Таким образом можно получить все брегговские углы за одно облучение рентгеновским пучком. Метод Дебая часто используют для идентификации образцов. Для облегчения идентификации образцов дебаеграммы более 20000 веществ находятся в общедоступной базе данных ISTM. Этот метод часто используется для распознавания структуры наночастиц, полученных в порошке.

3. Гранулометрия (измерение) и классификация (разделение) наночастиц

Самый прямой способ определения размеров микронных частиц — это посмотреть на них в микроскоп. Для наночастиц эту функцию выполняет просвечивающий электронный микроскоп.

Другой способ определения размеров частиц заключается в изучении рассеяния на них света. Рассеяние зависит от соотношения размеров частиц dи длины волны падающего светаЯ , а также от его поляризации. Например, рассеяние белого света с длинами волн в диапазоне от 400 нм (синего) до 7,50 нм (красного) на молекулах азота и кислорода с размерами 0,11 и 0,12 нм соответственно объясняет, почему днем небо кажется голубым, а солнце на рассвете и закате -красным.

При определении размеров частиц используется монохроматический (с одной длиной волны) лазерный луч, который рассеивается на определенный угол (обычно 90°) при параллельной и перпендикулярной поляризации. Измерение интенсивностей рассеяния дает размер частиц, их концентрацию и показатель преломления. Для интерпретации данных о рассеянии на частицах с размерами d < 0,1A, что имеет место при рассеянии видимого света наночастичами, используется теория Рэлея. Пример определения размеров наночастиц органической суспензии с размерами от 9 до 30 нм и максимумом при 12 нм методом рассеяния лазерного луча показан на рис. 11. Метод применим к наночастичам с размерами более 2 нм. Для меньших частиц следует использовать другие методы.

Рис. 11. Измерения распределения размеров частиц проводящего полимера, диспергированного в органической жидкости, при освещении лазерным лучом. Размеры лежат в диапазоне от 9 до 30 нм с максимумом при 12 нм.

Частицы с размерами менее 2 нм удобно измерять масс-спектрометром. Схема типичного газового масс-спектрометра представлена на рис. 12. Наночастицы ионазаруют бомбардировкой электронами, испускаемыми разогретым катодом f в ионизационной камере I. Эти положительные ионы ускоряются разностью потенциалов V между выталкивающей R и ускоряющей A пластинами, затем системой линз L, диафрагмируются щелью S и затем поступают в масс-анализатор. Магнитное поле В анализатора, ориентированное перпендикулярно плоскости рисунка, действует на частицы с силой

, которая искривляет пучок на 90º с радиусом r, после чего он попадает на коллектор ионов. Отношение массы частицы т к ее заряду q дается выражением

Рис.12. Схема масс-спектрометра, использующего 90º магнитный масс-анализатор.

Показаны детали источника ионов: А – ускоряющая пластина или экстрактор, Е – электронная ловушка, f – нить накаливания, I – ионизационная камера, L – фокусирующие линзы, R – отражатель частиц, S – щели. Магнитное поле в масс-анализатое перпендикулярно плоскости рисунка.

В каждой конкретной установке радиус кривизны r обычно фиксирован, так что для фокусировки на детекторе ионов разных масс изменяют либо магнитное поле, либо ускоряющее напряжение. Заряд наноразмерных ионов обычно известен, так что практически определяется их масса. Так как материал наночастиц также известен, то определена и их плотность

, а, следовательно, линейный размер можно оценить как кубический корень из объема:

.

Описанный масс-спектрометр использует стандартную конфигурацию магнитного поля масс-анализатора. Современные масс-спектрометры могут иметь другие конфигурации поля, например квадрупольную, или масс-спектрометр на основе измерения времени пролета, у которого каждый ион получает одинаковую кинетическую энергию

во время ускорения в ионизационной камере, так что более легкие ионы движутся быстрее и достигают детектора раньше, чем более тяжелые ионы, обеспечивая таким образом разделение по массе.

Список литературы

1. Арсеньев П.А., Евдокимов А.А, Матвеева А.Г., Яштулов Н.А. Введение в нанотехнологию: проблемы материаловедения, экономики и экологии.

2. Журнал Наука и жизнь, 1989 г, №9, Атомный силовой микроскоп.

3. Чадеева М. Туннель в наномир.

4. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии.

5. Воронцов В.А., Васильева Н.Д., Определение параметров ближнего порядка в расположении атомов аморфных веществ по данным электронографических исследований.

6. Колчин В.В. Курс лекций Нанотехнология электротехнических и радиоэлектронных материалов и изделий.