Исследование материалов и покрытий методом атомно-силовой микроскопии

1.

ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И
ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ АТОМНОСИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

2. Физические основы метода АСМ

Потенциал Леннарда-Джонса
h 6 h 12
U
( h ) U 2 0 0
LD
0
h
h
U0 – значение энергии в минимуме,
h0 – равновесное расстояние между
атомами
Энергия взаимодействия
W
Сила зонд - образец
F grad W
PS
PS
PS
U h h n h n h dVdV
LD
P
S
V V
P S
nS(h) и nP(h΄) – плотности атомов в
материале образца и зонда

3.

Атомно-силовой микроскоп NTEGRA
Фирма NT-MDT, Зеленоград
Производства 2005 года

4. Кантилеверы

Базовый кантилевер NSG10
R 10 нм.
“Вискерный”
кантилевер
NSC05/5
R 1-2.5 нм
“Вискерный”
кантилевер
NSG01_DLC/10
R 1 нм

5. Высокоориентированный графит HOPG

“Вискерный”
кантилевер
NSG01_DLC/10
R 1 нм
“Вискерный
кантилевер
NSC05/5
R 1-2.5 нм

6. Эталонные решетки

Достоверность результатов
контролировалась эталонными
решетками:
TGZ1, TGZ2, TGZ3 – прямоугольные
профили, h= 23, 112, 545 нм,
соответственно;
• TGQ1 – квадратные выступы, h= 19.5
нм;
•TGT1 – конические пики, h= 400 нм,
угол при вершине 30о
Эталонные
решетки

7. Монокристалл кремния STEPP

•Высота одноатомной ступени 0,314 нм
•Средняя шероховатость площади без
одноатомных ступеней – 0,06 нм
•Эталон является предельным для метода
•Требуется совместная юстировка
кантилевера, сканера и эталона
•Фирма NT-MDT дала заключение –
предельное разрешение получено
Разрешение межплоскостных ступенек 0,31 нм

8. Защитные покрытия на углеродные материалы

Обеспечивается защита
углеродных
материалов в
экстремальных
условиях при
температурах выше
1400 °С
Авиакосмическая техника,
цветная и черная
металлургия

9.

Буран
Состояние
теплозащиты
после приземления

10. Защитные покрытия на углеродные материалы нового поколения

Формирование покрытий в процессе входа изделия в эксплуатацию
(реакционный синтез)
ZrB2 - MoSi2 – SiO2
1400 С, 30 мин
Зарождение и рост
кристаллов
ZrB2+O2 ZrO2
MoSi2+O2 MoO3 +Si
O2
ZrO2 + SiO2 ZrSiO4

11.

Газонепроницаемые стеклокерамические покрытия ZrB2-MoSi2-SiO2
Установлено, что
использование наночастиц SiO2
позволяет снизить температуру
синтеза с 1400 до 1100оС
15
2
2
m , мг/см
10
1
5
0
0
2
4
6
8
10
12
t, ч
1 - кварцевое стекло; 2 - золь SiO2
Кинетические кривые изменения
массы при 1100ºС
Остеклованная поверхность
покрытия 70ZrB2-30MoSi2-золь SiO2,
полученного при температуре 1100ºС.

12.

Покрытия для защиты углеродных материалов
системы TiB2-MoSi2
Газонепроницаемые стеклокристаллические слои
Топография в 3D-формате
В режиме фазового контраста
TiB2 + MoSi2 + O2 TiO2 + MoO3 ↑ + B2O3·SiO2

13.

Структура реакционно-образовавшихся кристаллов в стекломатрице
ZrO2
ZrB2 + MoSi2 + O2 →
ZrO2 + MoO3 ↑+ B2O3·SiO2
TiO2
TiB2 + O2 → TiO2 + B2O3

14.

Последовательное формирование зеренной поверхности
тонкого слоя стекломатрицы
Фрактальность
Цепочечные структуры,
замыкающиеся в кольца, с
последующим заполнением
внутренних областей.
Толщина слоя 30-50 мкм

15. Окисление MoSi2 на воздухе

1400oC, 1 ч
MoSi2 + O2 → MoO3↑ + SiO2
Образование
газонепроницаемой защитной
силикатной пленки
Кратеры газовыделения

16. Исследование причин обрыва стекловолокна

качественное
волокно
(свили)
некачественное
волокно,
рвущееся
вследствие
кристаллизации
(друзы кристаллов)
Диаметр
волокон
~ 50 мкм

17.

Покрытия на основе силиката натрия (жидкие стекла)
Пузырение как результат газовыделения (дегидратации)

18.

Покрытия на основе силиката натрия (жидкие стекла)
Кратеры газовыделения (дегидратация)
Правильная сферическая форма пузырей

19.

Покрытия на основе силиката натрия (жидкие стекла)
Поверхностая кристаллизация при разных температурах
100oC
Кристаллы гидрокарбонатов
180oC
Кристаллы гидрокарбонатов
и карбонаты

20.

Покрытия на основе силиката натрия (жидкие стекла)
Поверхностная кристаллизация
Кристаллы гидрокарбонатов
Кристаллы гидрокарбоната
и карбонатов
Изображения в 3D-формате

21.

Покрытия на основе силиката натрия (жидкие стекла)
Поверхностная
кристаллизация
(карбонизация)
Дегидратация при 180oC
пленка
(жидкое стекло)
подложка
(боросиликатное стекло)

22.

Высокоотражающие оптические покрытия
для лазерной техники на основе щелочных силикатов
Высокие отражательные свойства при
температурах до 1000оС,
воздействии
электромагнитных
излучений
и
радиационных нагрузках.
Золь-гель метод. Для низкотемпературного
синтеза
покрытий
(150-250оС)
используются
гелеобразующие
золи
щелочных
силикатов
SiO2-R2O,
где
R2O=Na2O, K2O, Na2O K2O, Li2O Na2O K2O;
SiO2/R2O=3 4.
Гетерогенная структура – частицы
высокодисперсного оксидного
наполнителя (MgO, ZrO2, ZnO и др.)
распределены в матрице силикатного
стекла.
Синтезированные растворы
R2O nSiO2 mH2O
|
|
|
|
– O – Si – O – Si – O + NaOH [ – O – Si – O – H ] + [ – O – Si – O – Na ]
|
|
|
|

23.

Влияние дисперсности частиц наполнителя на оптические свойства
Синтез наночастиц ZrO2
Температура разложения
оксихлорида циркония, оС
600-650
750-800
900-1000
80-100 нм
98,0
Коэффициент отражения, %
Размер частиц
ZrO2, нм
50-60
80-100
120-140
97,5
120-140 нм
97,0
50-60 нм
96,5
96,0
95,5
0
2
4
6
8
Размер частиц ZrO , мкм
10
2
Коэффициент отражения, %
99
98
97
96
95
94
40
60
80
100
120
Размер частиц ZrO2, мкм
140
160
Ультра- и нанодисперсные частицы
ZnO и ZrO2 в матрице Na2O 3SiO2

24. Кристаллизация аморфных металлических сплавов

Полная кристаллизация,
Отжиг 400оС, 1 ч
Зарождение и рост кристаллитов,
Выдержка в течение 20 лет при
комнатной температуре

25. Аморфно-кристаллические пленки ZrO2

Мембраны для
топливных
элементов
водородной
энергетики
Электроннолучевое
напыление
Порошки ZrO2
получены
гидротермальным методом

26. Огненно-полированная поверхность стекла

Характерные участки огненно-полированной поверхности
боросиликатных стекол
Структуры, образовавшиеся в результате примесной
кристаллизации высотой в сотни нанометров

27. Золь-гель пленки – источники диффузии бора в полупроводниковые материалы

Введение органических модификаторов в золи способствует
изменению толщины и морфологии поверхности пленок.

28. Золь-гель пленки – источники диффузии редкоземельных элементов в полупроводниковые материалы

Без термообработки
Термообработка при 500°С
Разрыхление силикатной пленки, допированной гадолинием, в
результате термообработки

29.

Введение углеродных нановолокон в золь-гель покрытия
без использования поверхностно-активных веществ и У/З обработки
Шарообразные углубления, оставшиеся после клубков нановолокон

30.

Морфология органо-неорганического материала
(стеклосферы в полимерной матрице)
Алюмоборосиликатные
стеклосферы возвышаются над
поверхностью
материала
и
покрыты органической связкой.
Показано хорошее смачивание
стеклосфер полимерной матрицей.

31. Электретные пленки оксида тантала

Магнетронное реактивное
напыление.
Биоимплантанты
Кратеры в результате
бомбардировки
высокоэнергетичными
ионами аргона

32.

Многослойные пленочные структуры
Влияние подслоя на топографию пленки
Ta2O5 / Ta / Si
Магнетронное напыление
Электретные свойства
Биоимплантаты
Ta2O5 / Ti / Si

33. Пленочные газовые сенсоры

На основе PrOx
На основе CoOx
• Проблема “электронного носа”

34. Кристаллы фианитов

Грань поликристалла HfO2(Y2O3)
Кристаллические блоки
фианита CeOx(Y2O3)

35. Пленки Zr2Ln2O7±x, Ln=Nb,Pr,La

Электронно-лучевое напыление
Проводящие покрытия с
электронной и протонной
проводимостью,
катализаторы
Si-подложка
пленка

36. Пленки Zr2Ln2O7±x, Ln=Nb,Pr,La

Видны отдельные частицы исходного
материала
H 7 0-100нм, D 300400нм
Структура аморфной пленки.
Зерна H 15-20 нм, D 100-300 нм

37.

Частицы BaTiO3 в силикатной связке
Синтез в расплавах солей
Микро-
Ультра-
Нано-

38. Спекание порошков титаната висмута (нагрев с печью, отжиг 1000оС, 15 мин)

Укрупнение частиц в результате отжига от 100-200 нм до 2-3 мкм

39. Влияние СВЧ обработки на топологию покрытия

Без СВЧ обработки
С использованием СВЧ обработки
СВЧ обработка понижает общую шероховатость поверхности покрытия

40. Влияние СВЧ обработки на шероховатость покрытий

Количественная характеризация шероховатости
Влияние СВЧ обработки на шероховатость покрытий
Обработки
нет
Обработка
есть

41. Частицы Fe2O3 в силикатной матрице

Степень защиты денежных
знаков и ценных бумаг
Магнитные и оптические
свойства
Размер частиц Fe2O3:
D = 0.3-0.4 мкм; h = 70 нм
Плотная упаковка частиц Fe2O3, низкая шероховатость поверхности
Частицы прочно закреплены связкой, треки отсутствуют

42. Частицы ZrO2 в силикатной матрице

Агломерация наночастиц
Цепочечные, ветвистые
структуры из отдельных частиц
и агломератов
Размер частиц ZrO2 75 мкм

43.

Треки слабо закрепленных частиц
Проблема фиксации частиц
АСМ изображения треков
Оптическое изображение
скана с кантилевером

44. Характеризация порошковых наноматериалов Проблема фиксации частиц

Частицы ZrO2 закреплены силикатным золем
Размер частиц ZrO2 ~ 75 нм
Размер частиц SiO2 ~ 7 нм

45.

Институт
химии
силикатов
РАН
Благодарим за внимание