Технологии нанообработки_3. Григорьев С. Н., Грибков А. А., Алёшин С. В. Технологии нанообработки
 Скачать 8.65 Mb.
|
2.Наноизмерения2.1.Классификация методов наноизмеренийНаноизмерения, — измерения наноразмерных величин или измерения с наноразмерной погрешностью, — в зависимости от цели измерений можно разделить на несколько основных групп:
Исследования наноструктур обычно направлены на изучение тонкой структуры материала или изделия (наноструктурный анализ) и определение макроскопических физико-химических свойств, статических, динамических характеристик и реакции на внешние воздействия. Наноструктурный анализ включает в себя определение морфологии, т.е. топологического устройства, размеров, форм зерен, пор и фаз наноструктурного материала, определение химического состава отдельных фаз, зерен, структурных составляющих, а также определение атомно-молекулярной структуры (тип кристаллической решетки, ее параметры, ориентация, спектр структурных дефектов и т.п.). В экспериментальном исследовании наноструктур основную роль играют методы, использующие упругое и неупругое рассеяние зондирующего излучения. Для зондирования обычно используют электроны, фотоны, ионы и нейтроны. Существуют следующие группы методов экспериментального исследования наноструктур:
Для оценки эксплуатационных (главным образом, поверхностных) свойств материалов используются методы наноиндентирования (непрерывного индентирования при весьма малых нагрузках и малой глубине вдавливания индентора [2]), различные методы определения трибологических и адгезионных свойств материалов. Линейные измерения с наноразмерной (менее 100 нм) погрешностью, в частности, требуются для контроля размера при прецизионной (с погрешностью менее 100 нм) обработке наноструктурного материала. Важнейшим частным случаем таких наноизмерений являются измерения перемещений методом лазерной интерферометрии с погрешностью (в зависимости от измеряемой величины и схемы измерения) от 5–10 до 0,1 нм. 2.2.Исследования наноструктур2.2.1.Электронная микроскопияОдним из основных средств наноизмерений является электронная микроскопия. Электронный микроскоп — прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз и более) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30–100 кэВ и более) в условиях вакуума. Длина волны электронов в пучке выражается формулой  нм, (2.1)где U — ускоряющее напряжение (в киловольтах). Средний угол рассеяния электронов на атомах со средним диаметром d  радиан. (2.2)Существует два основных типа электронной микроскопии: просвечивающая электронная микроскопия и растровая (сканирующая) электронная микроскопия. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) или Transmission Electronic Microscopy (TEM). ПЭМ работает по схеме проходящих электронных лучей в отличие от светового металлографического микроскопа, в котором изображение формируется отраженными световыми лучами. Источник света в электронном микроскопе заменен источником электронов, вместо стеклянной оптики используются электромагнитные линзы (для преломления электронных лучей). ПЭМ состоит из электронной пушки — устройства для получения пучка быстрых электронов и системы электромагнитных линз. Электронная пушка и система электромагнитных линз размещены в колонне микроскопа, в которой в процессе работы микроскопа поддерживается вакуум 10–2–10–3 Па. Принципиальная оптическая схема ПЭМа показана на рис. рис. 2 .1 [Error: Reference source not found]. В электронной пушке один катод — раскаленная вольфрамовая нить испускает электроны, которые ускоряются на пути к аноду мощным электрическим полем, проходят через отверстие анода. Полученный узкий интенсивный пучок быстро летящих электронов вводится в систему электромагнитных линз электронного микроскопа. После фокусирования двухступенчатой электромагнитной линзой (конденсором) пучок электронов проходит через образец, собирается объективной магнитной линзой, а затем с помощью проекционных линз подается на люминесцентный экран. Получаемое на экране изображение дополнительно увеличивают посредством оптического микроскопа. Чтобы избежать рассеяния и потерь энергии электронов при их столкновениях с молекулами воздуха, все устройство помещают в герметичной колонне, из которой выкачивают (до высокого вакуума) воздух. Общее увеличение электронного микроскопа может достигать 1 млн. раз и более.  Рисунок 2.1 Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа: 1 — изолятор, 2 — катод, 3 — аноды, 4 — конденсоры, 5 — окно, 6 — образец, 7 —объектив, 8 — апертурная диафрагма объектива, 9 — проекционные линзы, 10 — откачка воздуха, 11 — люминесцентный экран, 12 — увеличенное изображение В связи с тем, что обычные микрошлифы для исследования структуры металлов и сплавов с помощью просвечивающего электронного микроскопа непригодны, необходимо приготовлять специальные очень тонкие, прозрачные для электронов, объекты (не более 1..2 мм). Такими объектами являются реплики (слепки) с поверхности хорошо отполированных и протравленных микрошлифов (косвенный метод электронно-микроскопических исследований металлов и сплавов) или металлические фольги, полученные путем утонения исследуемых массивных образцов (прямой метод электронно-микроскопических исследований). Характеристики некоторых просвечивающих электронных микроскопов приведены в табл. 2 .2. Таблица 2.2 Характеристики некоторых просвечивающих электронных микроскопов
  а) б) Рисунок 2.2 Микроскопы: просвечивающий электронный микроскоп ПЭМ-100 (а), растровый электронный микроскоп РЭМ-101 (б)  Рисунок 2.3 Растровый (сканирующий) электронный микроскоп: 1 — электронный прожектор, 2 — первичный пучок электронов, 3 — конденсорные линзы, 4 — диафрагма, 5 — отклоняющая система (по X и Y), 6 — объектив, 7 — апертурная диафрагма объектива, 8 — зеркало, 9 — линза, 10 — вторичные электроны, 11 — рентгеновские лучи, 12 — ток поглощенных электронов, 13 — кольцевой детектор нерассеянных электронов, 14 — собирающая линза, 15 — фотодетектор, 16 — отраженные электроны, 17 — Оже-электроны, 18 — разность потенциалов на образце, 19 — магнитная отклоняющая система спектрометра, 20 — отклоняющая система для отбора электронов по энергии, 21 — щель спектрометра, 22 — детектор спектрометра, ДЭ — детектор электронов, РД — рентгеновский детектор Растровая (сканирующая) электронная микроскопия (РЭМ), или Scanning Electronic Microscopy (SEF). В отличие от просвечивающего микроскопа изображение строится не одновременно во всех точках, а последовательно, путем сканирования образца сфокусированным пучком по определенной траектории от точки к точке. Синхронно на мониторе движется луч, формирующий изображение (как это происходит в телевизоре). В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки электронного пучка в пятно очень малых размеров. Можно отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров. Разрешение в РЭМ определяется диаметром пучка, ускоряющим напряжением (как правило, в диапазоне 0,1... 30 кВ) и рядом других обстоятельств. Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. Это увеличение составляет от 10 до 10 млн. Взаимодействие электронов сфокусированного пучка с атомами образца может приводить не только к их рассеянию, которое используется для получения изображения в ПЭМ, но и к возбуждению рентгеновского излучения, испусканию видимого света и эмиссии вторичных электронов. Кроме того, поскольку в РЭМ перед образцом имеются только фокусирующие линзы, он позволяет исследовать «толстые» образцы. Обобщенная принципиальная схема РЭМ представлена на рис. 2 .3 [Error: Reference source not found]. Одновременно все изображенные на рисунке приспособления, конечно, не используют. Их устанавливают по мере необходимости. Наряду с прошедшими через образец электронами в РЭМ можно регистрировать множество других эффектов и сигналов из облучаемой зоны [Error: Reference source not found]:
В каждом из этих сигналов содержится независимая информация об облучаемой зоне, что делает РЭМ намного более информативной и универсальной, чем ПЭМ. На практике наиболее часто используют просвечивающие растровые электронные микроскопы и отражательные (на основе детектирования отраженных и вторичных электронов). Растровый просвечивающий электронный микроскоп. Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ) — это особый вид РЭМ. Он рассчитан на тонкие образцы, такие же, как и исследуемые в ПЭМ. Характерной особенностью РПЭМ является отсутствие детекторов, расположенных выше образца. Поскольку изображение формируется бегущим пучком (а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца), требуется высокоинтенсивный источник электронов, чтобы изображение можно было зарегистрировать за приемлемое время. В РПЭМ высокого разрешения используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости. В таком источнике электронов создается очень сильное электрическое поле (около В/см) вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого диаметра. Яркость такого источника почти в 10 000 раз больше, чем источника с нагреваемой вольфрамовой проволокой, а испускаемые им электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром менее 1 нм. Были даже получены пучки, диаметр которых близок к 0,2 нм. Автоэлектронные источники могут работать только в условиях сверхвысокого вакуума (10–2...10–8 Па), в которых полностью отсутствуют такие загрязнения, как пары углеводородов и воды, и становится возможным получение изображений с высоким разрешением. Благодаря таким сверхчистым условиям можно исследовать процессы и явления, недоступные электронным микроскопам (ЭМ) с обычными вакуумными системами. Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких образцах. Электроны проходят сквозь такие образцы почти без рассеяния. Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод, расположенный под образцом. Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от атомного номера атомов в той области, через которую проходят электроны, — более тяжелые атомы рассеивают больше электронов в направлении детектора, чем легкие. Если электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0,5 нм, то можно получить изображение отдельных атомов. Реально удается различать на изображении, полученном в РПЭМ, отдельные атомы с атомной массой железа (т.е. 26 и более). Электроны, не претерпевшие рассеяния в образце, а также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с образцом, проходят в отверстие кольцевого детектора. Энергетический анализатор, расположенный под этим детектором, позволяет отделить первые от вторых. Измеряя энергию, потерянную электронами при рассеянии, можно получить важную информацию об образце. Потери энергии, связанные с возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием вторичных электронов из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в области, через которую проходит электронный пучок. Отражательный растровый электронный микроскоп. Отражательный РЭМ предназначен для исследования массивных образцов. Поскольку контраст, возникающий при регистрации отраженных, т.е. обратно-рассеянных, и вторичных электронов, связан в основном с углом падения электронов на образец, на изображении выявляется поверхностная структура. Оба эти сигнала несут информацию об общих характеристиках образца. Благодаря малой сходимости электронного пучка можно проводить наблюдения с гораздо большей глубиной резкости, чем при работе со световым микроскопом, и получать прекрасные объемные микрофотографии поверхностей с весьма развитым рельефом. Регистрируя рентгеновское излучение, испускаемое образцом, можно в дополнение к данным о рельефе получать информацию о химическом составе образца в поверхностном слое глубиной 0,001 мм. О составе материала на поверхности можно судить и по измеренной энергии, с которой эмитируются те или иные электроны. Все сложности работы с РЭМ обусловлены, в основном, его системами регистрации и электронной визуализации. В приборе с полным комплексом детекторов, наряду со всеми функциями РЭМ, предусматривается рабочий режим электронно-зондового микроанализатора. Таблица 2.3 Технические характеристики некоторых растровых электронных микроскопов
В табл. 2 .3 приведены технические характеристики некоторых растровых электронных микроскопов. Растровые электронные микроскопы одновременно используют несколько эффектов. В частности, в состав РЭММА-202М входят электронный микроскоп, анализатор рентгеновский с дисперсией по энергии, два анализатора рентгеновских с дисперсией по длинам волн. Просвечивающий электронный микроскоп JEM 2000 FXII (Япония) (см. табл. 2 .2) также может работать в режиме сканирования. Данный микроскоп довольно универсален, так как укомплектован приставкой для сканирования электронного пучка, рентгеновским энергодисперсионным спектрометром LINK (Англия), детектором вторичных и отражённых электронов, а также гониометром. Осуществляемые посредством электронной микроскопии измерения имеют погрешность, лежащую в нанодиапазоне, составляющую в зависимости от используемого оборудования от 0,1 до 10 нм. Таким образом, электронная микроскопия (как ПЭМ, так и РЭМ) позволяет осуществлять исследования различных структурных характеристик наноматериалов. Имеет электронная микроскопия и весьма существенные недостатки. В частности, большим недостатком является необходимость сложной и дорогостоящей подготовки образцов, в ходе которой возможно изменение исследуемых характеристик. Кроме того, под действием используемого высокоэнергетического пучка электронов возможны радиационные повреждения, вследствие чего структура и свойства материала могут претерпеть существенные изменения. Использование электронной микроскопии осложняет необходимость вакуумирования рабочего объема прибора, сложность эксплуатации, а также высокая стоимость электронного микроскопа ( 1 млн. долл. США). Электронная микроскопия является в настоящее время и останется в будущем незаменимым средством для проведения исследований микро- и наноструктур. Производственное использование электронных микроскопов для контроля структурных свойств изготавливаемых наноматериалов и размеров прецизионных изделий из наноматериалов в настоящее время практически невозможно, а перспективы такого использования представляются крайне сомнительными. |