ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОВРЕМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ

Прокофьева Елена Васильевна

канд. физ.-мат. наук, преподаватель ВА МВД России, г. Волгоград

Е-mail: olenyonok@mail.ru

Прокофьева Ольга Юрьевна

преподаватель, ВПК им. В.И. Вернадского, г. Волгоград

Шаркевич Нина Вячеславовна

преподаватель, ВПК им. В.И. Вернадского, г. Волгоград

THE USE OF MODERN EQUIPMENT FOR STUDYING PERSPECTIVE NANOTECHNOLOGICAL DIRECTION

Elena Prokofyeva

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Teacher of Volgograd Academy of the Russian Internal Affairs Ministry, Volgograd

Olga Prokofyeva

Teacher of Vernadsky Volgograd Polytechnic College, Volgograd

Nina Sharkevich

Teacher of Vernadsky Volgograd Polytechnic College, Volgograd

АННОТАЦИЯ

Развитие нанотехнологий немыслимо без современного парка самого разнообразного оборудования, необходимого для синтеза и диагностики нанопродуктов. Цель нашего исследования состояла в поиске новых материалов для создания зондов-СТМ, а также возможных тестовых образцов для наноидентирования.

ABSTRACT

The development of nanotechnologies is impossible without modern various equipment stock which is necessary for synthesis and diagnostic testing of nanofood. The aim of our research was to find new materials for STM-probes’ creation as well as to find possible text samples for nanoindentation.

Ключевые слова: нанотехнологии; нанообразование; сканиру­ющая туннельная микроскопия; микротвердость; наноиндентирование.

Key words: nanotechnologies; nanoformation; scanning tunnel microscopy; microhardness; nanoindentation.

Нанотехнологии — свидетельство научного и инновационного развития — все шире входят в нашу жизнь. Как отмечают специалисты, в ближайшие годы множество разделов современной науки будет произноситься с добавлением «нано». C точки зрения разработок и производства научно-технологических комплексов и контрольно- измерительного оборудования для Нанотехнологии нас интересуют, главным образом, вопросы практических применений. Поэтому под Нанотехнологией мы понимаем, прежде всего, именно технологию, т.е. совокупность приёмов и способов получения, обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий, характерные размеры, либо точности изготовления которых составляют величины на уровне или ниже 100 нм. А поскольку нас в первую очередь интересуют вопросы научно-технической деятельности (НТД) в Нанотехнологии, то желательно выделить в ней отдельные основные области НТД.

Прежде всего в Нанотехнологии выделяются области, связанные с конечными или промежуточными продуктами, это: Наноматериалы (Nanomaterials); Наноструктуры (Nanostructures);Наноустройства (Nanodevices).

Затем это области, связанные с производством этих продуктов:

Нанотехнологические Установки (Nanotechnology Facilities);

Инструменты Нанотехнологий (Nanotechnology Instruments) [6].

Отдельно выделяется область Нанонауки (Nanoscience, Nanoresearch), т. е. соответствующие научные исследования, связанные с «получением, обработкой или переработкой сырья, материалов, полуфабрикатов или изделий», включая Теоретическую и Компьютерную Нанотехнологию. К сфере Нанотехнологии нужно будет отнести и Инструменты Наноизмерений (Nanomeasuring Instruments), используемые в Нанонауке, а также сопровождающие Нанотехнологические процессы, именно их специфика позволяет более адекватно отграничивать Нанотехнологию.

К важной области Нанотехнологии относится Нанообразование (Nanoeducation), включающее как общенаучное и общетехническое образование, так и подготовку операторов нанотехнологических установок и инструментов, а также и соответствующие вспомога­тельные средства и средства обучения. Важной функцией Нанообразо­вания является также просвещение общества, формирование соответ­ствующего научно-технического мировоззрения, позволяющего с готовностью воспринимать достижения Нанотехнологии. Кроме того, отдельно рассматриваются приложения, связанные с возможным влиянием Нанотехнологии на Окружающую среду и Безопасность Жизнедеятельности — Нанотехнология и ОБЖ (т. н. Environmental, Health, Safety (EHS) Nanotechnology) [5, 4].

Развитие нанотехнологий немыслимо без современного парка самого разнообразного оборудования, необходимого для синтеза и диагностики нанопродуктов. Наиболее новым и вместе с тем перспективным направлением в исследовании свойств поверхности, в том числе на атомарном уровне, является сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) является вариантом сканирующего зондового микроскопа. СТМ предназначен для измерения рельефа поверхности с высоким пространственным разрешением. Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что позволяет СТМ занять лидирующие позиции в сфере нанотехнологий, а также стать простым и доступным в использовании [2, 3].

Нами подобраны и опробованы новые материалы для создания зондов-СТМ, а также модифицирована методика травления зондов СТМ, и в целом метод приготовления зондов к работе.

Зонды, которые на сегодняшний день используются в СТМ, являются дорогостоящими и малодоступными, например, платина. В результате наших исследований мы подобрали ряд новых материалов, преимущественно металлы и сплавы для создания зондов-СТМ. Как известно, в сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких типов. Широкое распространение получили зонды, приготовленные методом электрохимического травления. Однако новые материалы для зондов, потребовали модификации самого процесса травления, в частности поиска химических реактивов под определенный сплав или металл, а также модификации имеющейся установки для травления посредствам замены некоторых составных ее элементов. Полученные зонды-СТМ были опробованы в учебном процессе на лабораторных практикумах по нанотехнологиям, на предмет остроты заточки, с целью получения атомарного разрешения. Было установлено, что подобранные материалы могут с успехом использоваться в качестве альтернативной замены имеющихся (платины).

Если говорить не о топографии поверхности, а непосредственно о физических свойства, то нельзя не отметить важную роль наносклерометрического модуля. Например, твердость является одной из важнейших механических характеристик наноструктурированных материалов. Измерение твердости — значительно менее трудоемкая операция, чем большинство других видов механических испытаний, и не сопровождается разрушением изделия, такие методики широко распространены в промышленности и используются при контроле технологических процессов, определении эксплуатационных характеристик изделий. Для исследования механических свойств различных наноструктурированных материалов широко применяется специальный метод определения микротвердости вещества — наноиндентирование. Оно основано исключительно на механическом воздействии на исследуемую поверхность. Метод очень прост и заключается в прецизионном погружении зонда в поверхность образца на глубину нескольких нм и непрерывной регистрации прилагаемого усилия. Наноиндентор (нанотвердомер) — прибор, позволяющий осуществить наноидентирование. Данное оборудование предоставляет возможность посредством высокоэффективного автоматизированного метода определить твердость и модуль упру­гости определенных точек поверхностных слоев. При этом анализу могут подвергаться самые различные материалы, в том числе наноструктурированные материалы для различных составных элемен­тов автотранспортных средств. Прибор может быть использован для количественной оценки свойств их твердых покрытий, однослойных и многослойных покрытий, плотных мягких материалов, многофазных сплавов. С помощью нанотвердомера можно проводить тестирование поверхностного покрытия автомобильных транспортных средств, полупроводниковых пластин и т. п. [1].

Отсутствие поверочной схемы для средств измерений механи­ческих свойств в наномасштабе приводит к тому, что единственным способом обеспечения прослеживаемости значений твердости из микро- в наномасштаб является использование стандартных образцов (мер), аттестованных на эталоне микротвердости (по Виккерсу). В настоящее время эталонным объектом для измерения микротвердости принято считать плавленый кварц, однако нигде не конкретизируется, что этот образец является эталонным для нанообъектов (нанопленок), что мы и поставили под сомнение. Установление возможных эталонов является одной из важных проблем нашего исследования. Единой системы эталонов для измерения механических свойств до сих пор не выработано.

В результате проведенного исследования, мы выделили ряд материалов, которые могут быть использованы в качестве эталонов для наноиндентирования. Разработаны и аттестованы меры твердости, необходимые для калибровки нанотвердомера. В качестве материалов для изготовления таких мер были выбраны материалы, одно­родные и изотропные по своей структуре. Измерение твердости и модуля упругости осуществлялось методом динамического наноин­дентирования.

Работы в области нанотехнологий — одни из самых востребованных сегодня. Исследования в этой сфере требуют применения самого современного оборудования. Если говорить об образовании в области современных технологий, к которым относятся нанотехнологии — то это направление образующее, и оно может касаться очень многого. Таким образом, означенная проблема применения перспективного оборудования для изучения нанотехнологического направления очень важна. В этом направ­лении необходимо много работать, совершенствуя и углубляя уже имеющееся и разрабатывая новое.

Списоклитературы:

1.Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. М.: Эксмо, 2008. — 256 с.

2.Маслова Н. С., Панов В. И. Сканирующая туннельная микроскопия атомной структуры, электронных свойств и поверхностных реакций // Успехи физических наук. — 1989. — Т. 157, № 1. — С. 185—195.

3.Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород: РАНИФМ, 2004. — 110 с.

4.Albert Franks "Nanotechnology" 1987 J. Phys. E: Sci. Instrum. 20, pp. 1442—1451.

5.K. Eric Drexler "Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation" 1981 Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 78, No. 9, pp. 5275—5278.

6.Norio Taniguchi "On the Basic Concept of 'NanoTechnology'" 1974 Proc. ICPE Tokyo, 2, p. 18—23.