Инструментарий нанотехнологий. Оптическая и электронная микроскопия. Практика 3, 4

1. Нанотехнологии

Практика 3, 4
Инструментарий нанотехнологий.
Оптическая и электронная микроскопия
(ПЭМ, СЭМ, СЗМ)
Практика 5, 6 – Экскурсия в НОЦ «Нанотехнологии» (2 корпус, 1 этаж).

2.

Введение (1 модуль)
Лекции:
Основные понятия и определения в области
нанотехнологий. Стандартизация нанообъектов
и наноматериалов.
История нанотехнологий.
Практические занятия:
Размерная шкала природных и синтетических объектов и
материалов. Фрактальные объекты.
Инструментарий нанотехнологий. Оптическая и электронная
микроскопия (ПЭМ, СЭМ, СЗМ).
Композиционные материалы. Структура и свойства.

3.

Нанотехнологии:
- фундаментальные исследования и знания свойств и
особенностей поведения нанообъектов;
- совокупность разнообразных методов, методик и
технологий обработки, в том числе промышленных,
применяемых к объектам в наномасштабе;
- собственно результаты – нанопродукция.

4.

Наноассемблер

5.

Углеродные нанотрубки –
одномерные, 1D структуры
Измеряя время возвращения
внутренних слоёв трубки после
удаления манипулятора,
определили силы динамического
трения одного слоя о другой
(1,5×10 –14 Н / атом)

6.

Оценка механических свойств углеродных нанотрубок с помощью СЗМ
Micrographs showing (a) the apparatus for tensile loading of MWCNTs and (b)
the telescoping, ‘‘sword and sheath’’ fracture behavior of the MWCNT

7.

Микроскопия (греч. μικρός — мелкий, маленький и σκοπέω — вижу) —
изучение объектов с использованием микроскопа.
ОПТИЧЕСКАЯ микроскопия
ЭЛЕКТРОННАЯ микроскопия
Лучи видимого диапазона
электромагнитного спектра
Коротковолновое излучение
электромагнитного спектра
Система линз, которые:
- управляют световым потоком,
- увеличивают изображение
Электромагнитные линзы, которые:
- управляет потоком электронов,
- формируют изображение

8.

0,2 мкм
100 мкм
Разрешающая способность минимальное расстояние между
двумя линиями на плоскости,
которое ещё можно различить.
От степени разрешения зависит,
насколько более мелкие детали образца
можно разглядеть.
0,5 нм

9.

https://www.youtube.com/watch?v=Xv7y-diwAEQ

10.

11.

Отличия светового и электронного микроскопов
Световые лучи видимого
диапазона отражаются от
частиц, объектов
микронного масштаба и
позволяют «видеть» эти
объекты.
В то время как субмикрои нанообъекты световые
лучи огибают

12.

Световой и электронный микроскопы
Параметры
Источник излучения,
длина волны
Максимальное
разрешение
Линзы
Объект
Атмосфера
Световой
ПЭМ
Свет
400 – 760 нм
200 – 500 нм (0,2 мкм)
Электроны
0,005 нм
0,5 нм
стеклянные
Микрообъект,
живой, не живой
электромагниты
Нанообъект,
не живой, обезвоженный,
тонкий срез
Глубокий вакуум
Воздух
https://www.youtube.com/watch?v=X3aE8C8ABng

13.

Инструменты нанотехнологий:
просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ),
сканирующий электронный (растровый) микроскоп (СЭМ, РЭМ),
сканирующий зондовый микроскоп (АСМ, СТМ).
1931 г.
Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный
микроскоп, который впервые позволил исследовать частицы размером менее
одного микрометра (в отличие от светового микроскопа).
1965 г.
Чарльз Отли, Кембриджский университет, выпущен первый коммерческий CЭМ
(РЭМ) позволил получать пространственные изображения на нанометровом
уровне.
1981 г.
Немецкие физики Герд Биннинг и Генрих Рорер создали сканирующий
зондовый микроскоп, позволил изучать рельеф поверхности образца с
точностью до ангстрема, манипулировать отдельными атомами, молекулами,
выкладывая нанообъекты на подложке.

14.

Сканирующий
(растровый)
электронный
микроскоп
(СЭМ, РЭМ)
Сканирующий
зондовый микроскоп
(СЗМ, атомно-силовой)
Просвечивающий
электронный микроскоп
(ПЭМ)
NanoEducator – учебный СЗМ

15.

16.

17.

18.

19.

СЗМ – имеется три основных элемента:
• зонд (кантилевер с иглой),
• система перемещения зонда относительно образца,
• регистрирующая система
2 типа СЗМ:
атомно-силовой (АСМ)
туннельный (СТМ)

20.

Принцип работы атомно-силового СЗМ:
регистрация силового взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) между
поверхностью образца и зондом.
Силы притяжения-отталкивания, действующие на зонд со стороны поверхности,
приводят к изгибу консоли.
Изгиб консоли регистрируется с помощью лазерного луча, положение которого
отлеживается фотодиодом.
0 - R0 – расстояние на котором действуют силы отталкивания;
R0 – R – силы притяжения.

21.

Сканирующий туннельный микроскоп (ТЭМ) предназначен для
измерения рельефа электропроводящих образцов.
Между поверхностью образца и
острием иглы
возникает электрический
(туннельный) ток