ВОЗМОЖНОСТИ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ КОМПОЗИТНЫХ НАНОСТРУКТУР

FEATURES SCANNING PROBE MICROSCOPY THE INVESTIGATION OF COMPOSITE NANOSTRUCTURES

Elena Prokofieva

сandidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor of the Russian Academy of Natural Sciences, Volgograd Academy of the Russian Ministry of Internal Affairs,

Russia, Volgograd

Nina Sharkevich

teacher Of The Highest Category, Volgograd Polytechnic College V.I. Vernadsky,

Russia, Volgograd

Elena Dunaeva

teacher Of The Highest Category, Volgograd Polytechnic College. V.I. Vernadsky,

Russia, Volgograd

Sergey Chinas

teacher Of The Highest Category, Volgograd Polytechnic College. V.I. Vernadsky,

Russia, Volgograd

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены результаты исследование композитных структур на основе однослойных углеродных нанотрубок методами сканирующей зондовой микроскопии, а именно атомно-силовой микроскопии (АСМ) в контактном и полуконтактом режимах.

ABSTRACT

This paper presents the results of a study of composite structures based on single-walled carbon nanotubes using scanning probe microscopy, namely atomic – force microscopy (AFM) in contact and semicontact modes.

Ключевые слова: сканирующий зондовый микроскоп; композитный материал; наноструктуры; углеродные нанотрубки.

Keywords: scanning probe microscope; composite material; nanostructures; carbon nanotubes.

На протяжении последних лет в различных областях науки и техники все более популярными становятся объекты нанометрового масштаба. Это нанокристаллические ферромагнитные сплавы, фуллерены, углеродные нанотрубки (УНТ), нанокомпозиты, тонкопленочные многослойные наноструктуры и т. д. [2]. Появление наноструктур потребовало новых методов и средств, позволяющих изучать их свойства. В настоящее время они объединены под общим названием – сканирующая зондовая микроскопия. СЗМ эффективно используется для исследований в различных областях науки и техники: в химии физике, в биологии и медицине, в материаловедении, в исследованиях различных покрытий и тонких пленок, полимерных и наноструктурированных материалов и т. д. [3].

Сканирующая зондовая микроскопия охватывает в настоящее время широкий спектр методов исследования поверхности. Диагностика поверхности с помощью АСМ основана на использовании различных видов силового взаимодействия зонда АСМ с поверхностью. Характер данного взаимодействия в общем случае достаточно сложен, поскольку определяется свойствами зонда, образца и среды, в которой проводится исследование. Первостепенное значение для понимания свойств любого твердотельного объекта имеет изучение особенностей его поверхности, поэтому топографические исследования чрезвычайно важны. Для получения изображения рельефа поверхности объекта, а также пространственного распределения его физико-химических свойств используются прецизионные системы механического сканирования зондом поверхности образца.

Мы проводили исследование композитных наноструктур на АСМ Solver Pro в контактном и полуконтактном режимах. В контактном режиме зонд непосредственно касался острием поверхности образца и работал на отталкивание от поверхности. Мы осуществили работу АСМ в режиме поддержания постоянной силы взаимодействия острия с поверхностью образца. В режиме полуконтактной микроскопии сканирование производилось зондом, колеблющимся около поверхности образца, острие находится настолько близко к поверхности, что оно как бы «стучало» по поверхности образца при сканировании. Нами была изучена топология пленок с ориентированными перпендикулярно плоскости пленки углеродными нанотрубками в твердой матрице из оксида железа трех- и двухвалентного. Подобные ориентированные системы могут быть использованы в качестве элементом холодных катодов на основе углеродных нанотруб. Принцип создания подобной пленки следующий: углеродные нанотрубки помещаются в магнитную жидкость – керосин с размешанными в нем наноразмерными зернами Fe₂О₃, в основном вытянутой, несферической формы, причем размеры зерен сравнимы с размерами нанотрубок. Магнитная жидкость является устойчивой коллоидной суспензией однодоменных магнитных частиц в жидкости-носителе. При таких размерах зерен в магнитном поле жидкость принимает форму, описываемую магнитными силовыми линиями (в свободном пространстве). Если высушить магнитную жидкость в магнитном поле, то получиться пленка с анизотропией магнитной проницаемости. Это придает пленке свойство поляризатора электромагнитных волн СВЧ-диапазона [4; 1].

Для того чтобы отличить полученные массивы нанотрубок от самой магнитной жидкости, было получено СЗМ-изображение магнитной жидкости в чистом виде (рис. 1). На СЗМ-изображении отчетливо просматривается, что, магнитная жидкость состоит из зерен оксидов железа по форме близких к эллипсам.

Рисунок 1. СЗМ-изображение магнитной жидкости в 2D и 3D виде

Затем была изучена топология пленок, представляющих собой комплексы углеродных нанотруб в магнитной жидкости, на которые было оказано воздействие постоянного магнитного поля различной направленности. Был установлена явная ориентация массива нанотрубок относительно поликоровой подложки для различных направлений магнитного поля (рис. 2а, рис. 2.б).

а)                                            б)

Рисунок 2. Перпендикулярное ориентирование нанотрубок относительно подложки в магнитной жидкости: а) топографическое изображение; б) график сечения нанотрубки

Сечение нанотрубок, перпендикулярно ориентированных в магнитной жидкости, согласно полученным результатам составило 50 нм (рис. 2, б). Сравнение изображений на рис. 1–3 отчетливо прослеживает ориентированные нанотрубки на зернах магнитной жидкости, перпендикулярно или параллельно подложке из поликора, с которой производилось сканирование.

Рисунок 3. Параллельное ориентирование нанотрубок относительно подложки в магнитной жидкости

Таким образом была доказана возможность адсорбционного взаимодействия углеродных нанотрубок с фрагментами разновалентных оксидов железа, обеспечивающего создание упорядоченной структуры нанотруб в магнитной жидкости при наложении постоянного магнитного поля определенной направленности. Т. е. была экспериментально подтверждена возможность создания массивов, ориентированных нанотрубок в магнитных полях при их взаимодействии с оксидами железа, являющихся компонентами магнитных жидкостей [5].

Список литературы:

1. Запороцкова И.В., Прокофьева Е.В. Взаимодействие углеродных нанотруб с оксидами железа как способ создания пленок с ориентированными массивами тубуленов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2010. – Т. 13. № 1.
2. Ивановский А.Л. Квантовая химия в материаловедении. Нанотубулярные формы вещества. – Екатеринбург: УрОРАН. 1999. – 176 с.
3. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – Нижний Новгород: РАНИФМ, 2004. – 110 с.
4. Прокофьева Е.В., Запороцкова И.В., Запороцкова Н.П. О возможности получения массива ориентированных нанотрубок при адсорбционном взаимодействии оксидов железа с однослойными углеродными тубуленами // Сб. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях волгоградской области». 10–11 декабря, 2008, Волгоград. – 2008. – С. 125–133.
5. Прокофьева Е.В. Однослойные углеродные нанотрубки и некоторые композиты на их основе: строение и электронные свойства: дис. … канд. физ.-мат. наук. – Саратов, 2010. – 192 с.