Экспертное мнение: Анализ свойств наноматериалов с помощью электронного микроскопа

В НИТУ «МИСиС» ежегодно проводится мероприятие «Рождественские лекции» ^[1]. В рамках этого мероприятия наши ведущие ученые читают лекцию о своих научных направлениях и основных достижениях. В этом году открывал традиционный цикл рождественских лекций наш ведущий ученый, Директор Центра Нанотрубок Национального Института Науки о Материалах, Цукуба, Профессор Цукубского Университета, Япония, Научный руководитель научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», Д.В. Гольберг ^[2]. На данный момент у него один из самых высоких индексов Хирша (80)

В своей лекции он рассказывал про анализ свойств наноматериалов с помощью электронного микроскопа. Также важно заметить, что в своей лекции Д.В. Гольберг продемонстрировал исследование, которому нет аналогов в мире, часть его презентации содержит в себе уникальный материал, который, к сожалению, пока не разрешен для публикации. Мы обратились к нему, чтобы он тезисно написал о своей лекции в рамках нашего традиционного цикла публикаций в форме экспертного мнения. Также он согласился ответить на вопросы читателей, если такие будут. После лекции Дмитрий Викторович улетел в США и уже буквально из самолета писал для нас публикацию. Формат, к сожалению, не научно-популярный, и мы не в праве ставить ученому рамки написания заметки, так как изначально планировалось, что он пишет для нашего дискуссионного научного клуба ^[3], где целевой аудиторией являются инженеры профильных специальностей. Но, поскольку ученый такого уровня не так часто пишет для научно-популярных изданий, мы все же хотели бы опубликовать этот материал в нашем корпоративном блоге на GT. Это нельзя считать заметкой из цикла «Я просто оставлю это здесь», для специалистов этот материал действительно покажется очень увлекательным и интересным.

Фотография / Бродская Мария пресс-служба НИТУ «МИСиС» — рождественская лекция Д.В.Гольберга в НИТУ «МИСиС»

Дмитрий Викторович Гольберг, Профессор Цукубского Университета, Япония Научный руководитель научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС»

Понимание механических, электрических и оптоэлектронных свойств наноматериалов, в частности, на конкретном структурном уровне, имеет ключевое значение в связи с интересом к их интеграции в современные технологии. Тем не менее, в подавляющем большинстве случаев, измерения таких свойств осуществляются с помощью инструментов, не имеющих прямого доступа к атомным структурам наноматериалов, их　кристаллографии и пространственно-разрешенного химического состава. Этот факт в значительной степени ограничивает релевантность собранных данных, поскольку все конкретные структурные особенности нанометрических объектов до / во время / после их тестирования обычно бывают скрыты. Ввиду вышеизложенного, полученные результаты не могут быть непосредственно связаны с конкретной наноструктурой, ее внутренней морфологией и дефектами. Таким образом, большой разброс данных механического, электрического и оптоэлектронного характера является общей чертой различных научных групп и их публикаций. До настоящего момента этот недостаток в значительной степени осложнял работу инженеров-практиков и технологов и приводил к многочисленным неопределенностям в отношении реальных производственных потенциалов наноматериалов.

В этой публикации я продемонстрирую пользу недавно разработанной в рамках нашей группы в Цукубе и усовершенствованной техники in situ просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для анализа механических, электрических и оптоэлектронных свойств различных неорганических наноструктур [1-3]. Эластичность, пластичность, прочность, электросопротивление, проводимость, перепад температур, фототок, фотонапряжение и пространственно-разрешенные карты катодолюминесценции могут быть проанализированы просвечивающим электронным микроскопом высокого разрешения (ПЭМВР) при использовании пьезо-управляемых наноманипуляторов и / или оптических волокон, помещенных в держатели ПЭМ.

Общая схема устройства, используемая в ходе проведенных нами экспериментов, отображена на рисунке 1. Предварительно расположенный нанообразец может быть заряжен, изогнут или растянут, а также освещен светом с различной интенсивностью, длинной волн или частотой импульсов. Все типы держателей (Изготовитель Компания «Nanofactory Instruments AB», Швеция) были совместимы с микроскопом ПЭМВР JEOL JEM-3100FEF (Омега фильтр) с пространственным разрешением 0,17 нм. Микроскоп работает при 300 кВ имеет рентгеновский дисперсионый детектор (EDX) и возможность спектроскопии электронных энергетических потерь для химического анализа с пространственным разрешением и создания элементных карт тестируемых наноматериалов до / во время и после измерений.

Точное размещение нанообразца в держателях является первым шагом на пути к надежной и воспроизводимой регистрации данных и свойств. Свежесрезанную плоскую золотую проволоку (250 микрон в начальном диаметре) сначала погружают в измельченные до состояния порошка частицы наноматериалов. Затем золотую проволоку с прикрепленным наноматериалом устанавливают на фиксированный или подвижный держатель. Следует отметить, что нанообъекты обычно притягиваются к золотой проволоке в результате простой физической адгезии; Только в некоторых случаях серебряная паста была использована для улучшения физического контакта между образцом и золотым электродом. Держатели могут быть СТМ-ПЭМ типа и непроводящего или проводящего АСМ-ПЭМ типа (кантилеверы из кремния, покрытого ~ 15 nm Pt). Также, оптические волокна могли быть соединены с внешними источниками света. С помощью оптического микроскопа был достигнут минимально возможный зазор между образцами и датчиками.

Рисунок 1. Общая схема устройства электронного микроскопа JEOL JEM-3100FEF (Омега фильтр) с возможностями ПЭМ изучения нанообразцов при помощи СTM острия, АСМ кантилевера, а также света с различной интенсивностью, длинной волн или частотой импульсов в тандеме с их изгибом для измерения оптико-электронных или фотоэлектрических свойств.

Затем, при помощи пьезо-моторных манипуляций в ПЭМВР, относительные позиции проволоки с помещенными образцами наноматериалов и острием СТМ, или кантилеверами АСМ, или оптическим волокном, были точно отрегулированы в трех измерениях X, Y и Z, внутри полюсного наконечника микроскопа с точностью более 1 нм. Наконец, относительные высоты двух клеммо-держателей точно фиксируются с помощью колебательной функции ПЭМ. После этого может быть достигнут плотный физический контакт между исследуемым нанообъектом и острием СТМ или кантилевером АСМ. Кроме того, оптическое волокно может быть перемещено по направлению к образцу настолько близко, насколько это возможно, чтобы свести к минимуму рассеивание света внутри колонны ПЭМ. Для системы СТМ-ПЭМ СТМ острие (или образец проволоки, в зависимости от схемы полярности) может быть заряжено до ± 140 В. Измерение силы кантилевером АСМ ПЭМ может быть проведено с помощью датчика MEMS, расположенного в его нижней части. До измерений были рассчитаны константы кантилеверов и мВ-НН коэффициенты MEMS датчика были откалиброваны при помощи предварительного индентирования металлической проволоки. Лазерные диоды с фиксированными длинами волн, например 405, 488, 638, и 808 нм, или яркий широкий мощный излучающий источник света, подключенный к монохроматору и чоппер были применены для оптоэлектронных и фотоэлектрических тестов.

Применяя рассмотренное сложное устройство мы смогли впервые измерить и проанализировать прочность изгиба и предел прочности при растяжении, модули Юнга и изломостойкость разнообразных 1D многослойных и однослойных нанотрубок углерода, нитрида бора и дихалькогенидных нанотрубок, нанопроволок кремния, бора и нитрида галлия, и различные 2D-нанолисты и графено-подобные наноструктуры. Особенное внимание было уделено иллюстрации специфической кинетики деформации на наноуровне. Эти первые результаты были получены при непосредственном изгибе или растяжении с помощью установки АСМ-ПЭМ [1,4-7]. Увеличение температуры в данной точке наноматериалов до ~ 2000oC или более при нагреве электрическим током в держателе СТМ-ПЭМ позволило нам пролить свет на существующие градиенты температур, тепловое сопротивление, интра-диффузионные явления и кинетику аморфизации / кристаллизации наноразмерных металлов в нанопространстве [8,9]. Пилинг индивидуальных атомных слоев дихалькогенида (MoS2) до одного слоя от монокристалла был осуществлен в ПЭМВР при полном контроле энергетики, распределения полей напряжений и деформаций на уровне визуализации с атомным разрешением [10]. Таким образом, открытый процесс моделирует самое популярное микромеханическое расслоение нанолистов из графено-подобных материалов и дает важные подсказки для практических разработок, физического понимания и оптимизации этого метода. Наиболее важно, что основная величина — поверхностная энергия атомных слоев MoS2 — была определена как 0,11 Н / м. Наконец, в условиях ПЭМ оптоэлектронные и фотоэлектрические эксперименты на наночастицах титана оксида, нанопроволоке цинка оксида, нанолентах кадмия сульфида, нанолистах молибдена сульфида и вновь изготовленных гетеро-наноструктурах ведут к четкому пониманию реальных технологических перспектив для изготовления оптоэлектронных устройств [11,12].

Разработанные и выполненные механические и оптикоэлектронные тесты в ПЭМВР позволили пролить дополнительный свет на истинную связь между структурой и свойствами многих сложных наноматериалов, таких как различные неорганические нанотрубки, нанопроволоки, нанолисты и наночастицы, что является Святым Граалем Науки о материалах.

Автор: Наука НИТУ «МИСиС»

Источник ^[4]