Сучасні інструменти візуалізації об"єктів наносвіту

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Київський національний університет будівництва і архітектури

Індивідуальна робота На тему: «Сучасні інструменти візуалізації об'єктів наносвіту»

Виконала: студ. гр. ТБКВМ-33

Бондар Лілія Перевірила: Присяжна О.В.

Київ 2012

План

• 1. Вступ
• 2. Електронна мікроскопія
• 3. Матеріалознавство
• 4. Нанотерези
• 5. Висновок
• Список літератури

1. Вступ

Електронна мікроскопія — найважливіший інструмент нанотехнологій.

Найважливішою відмінною операцією нановимірів є візуалізація досліджуваних нанооб'єктів, спрямована як на підвищення точності вимірювань (за рахунок підвищення якості зображень нанооб'єктів), так і на візуалізацію результатів вимірювань, отримання нових даних (інформації) та її структурування з метою отримання нових знань у візуальному представленні.

Візуалізація — це процес створення видимих статичних і динамічних образів, що відображають об'єктивну і віртуальну реальність з метою вивчення її властивостей, станів, характеристик, полів, координат (положень), структури, елементів і отримання нових даних і знань.

При вимірах лінійних розмірів нанооб'єктів перш ніж виміряти, об'єкт необхідно побачити. Це аксіома. Вимірювання площі плоских нанооб'єктів завжди супроводжується візуалізацією об'єкта вимірювань (ОВ). Наявність в оптичній системі засобів вимірювань дефектів, пилу, кінцевого значення коефіцієнтів поглинання і сферичної аберації (похибки зображення в оптичній системі) лінз, призводить до появи шуму за рахунок фотонів, які пішли по викривленого шляху. В результаті отримують оптичний образ ОН (зображення) з розмитими межами, що суттєво знижує точність вимірювань. Дана проблема ускладнює вирішення завдання високоточного вимірювання площі нанооб'єктів. Для її вирішення створюються і використовуються спеціальні методи цифрової обробки зображень.

Другою проблемою вимірювання площі плоских нанооб'єктів є відсутність нановимірів або стандартних зразків тієї ж структури і висоти, що й ОВ. Це необхідно для забезпечення рівності оптичних шляхів до ОН і до нановиміру (або СО). В іншому випадку з’являється похибка, обумовлена нерівністю оптичних шляхів.

нанотехнологія візуалізація електронна мікроскопія Третя проблема — проблема вибору методу вимірювань. Прямі методи вимірювань чутливі до впливів зовнішніх факторів (температури, тиску, вологості і т.д.) і не можуть бути використані для високоточних вимірювань площі плоских нанооб'єктів. Найбільш перспективними є методи надлишкових вимірювань, інваріантні (незмінні за певних перетворень) до впливу таких зовнішніх факторів і забезпечують автоматичне виключення систематичних похибок.

2. Електронна мікроскопія

Електронна мікроскопія включає в себе три технологічних різновиди — скануюча електронна мікроскопія (СЕМ, SЕМ), трансмісійна електронна мікроскопія (ТЕМ, ТИМ) і скануюча трансмісійна електронна мікроскопія (СТЕМ, SТЕМ). Термін С/ТЕМ об'єднує два види трансмісійної електронної мікроскопії - ТЕМ та СТЕМ.

У технології СЕМ зображення формується сигналами, які генеруються послідовно в міру того, як тонко сфокусований пучок електронів сканує поверхню зразка. Роздільна здатність СЕМ обмежено через розсіяння електронів.

У технологіях ТЕМ та СТЕМ використовуються сигнали, що генеруються електронами, що проходять через дуже тонкий (як правило, менше 100 нанометрів) зразок. У ТЕМ електрони, які пройшли зразок, фокусуються в реальне зображення на флуоресцентному екрані або на безлічі детекторів електронів. В СТЕМ, як і у випадку СЕМ, проводиться сканування сфокусованого пучка, але на тонкому зрізі зразка, при цьому інтенсивність електронів, які пройшли зразок, чи якийсь інший сигнал відображаються у віртуальне зображення. Оскільки в технології С/ТЕМ зразки мають дуже малу товщину, більшість електронів при проході через зразок розсіюються не більше одного разу. Тим самим вдається уникнути багатократного розсіяння, яке супроводжує проходження електронів через масивні зразки, і розбіжності пучка, яке є головним фактором, що лімітує роздільну здатність в СЕМ.

Рис. 1. а — Схематична діаграма, що ілюструє принцип роботи скануючого електронного мікроскопа

Роздільна здатність будь-якого мікроскопа, в кінцевому рахунку, обмежена дифракцією оптичної системи, яка, в свою чергу, залежить від довжини хвилі випромінювання та характеристик оптичних елементів. Закони фізики свідчать, що будь-яка кругла лінза має позитивне значення сферичної аберації, тобто спотворення світлових хвиль, які проходять крізь лінзу або оптичну систему.

Останні досягнення в дизайні багатополюсних лінз дали можливість виготовляти модулі, які мають ефективну негативну аберацію. Таким чином, вдалося звести нанівець важливий фактор аберації лінз, який до цих пір лімітував роздільну здатність.

Рис. 2. Різноманітність форм діатомових водоростей за допомогою скануючого електронного мікроскопа.

Рис. 3. Різні радіолярії за допомогою скануючої електронної мікроскопії

3. Матеріалознавство

Властивості всіх матеріалів, в кінцевому підсумку, визначаються взаємодіями на молекулярному і атомному рівнях. Відповідно, фахівці з матеріалознавства протягом багатьох років чекали таких аналітичних інструментів і засобів візуалізації, які забезпечили б просторове дозвіл на рівні індивідуальних атомів — менше одного ангстрема (1 ангстрем = 0.1 нанометра). Перші зображення ТЕМ такого рівня були продемонстровані багато років тому, але вони були доступні тільки для обмеженого класу зразків і вимагали складних процедур збору даних і їх подальшої обробки для отримання зображення. Сучасні досягнення, зокрема комерційна доступність технології коректованої оптики, роблять візуалізацію та аналіз на атомному рівні в С/TЕМ набагато простішим для великої кількості зразків.

Рис. 4. Зображення міжзернової границі в золоті на атомному рівні

Здатність коригувати аберацію лінз забезпечує також велику гнучкість щодо умов навколишнього середовища для зразків і їх розмірів. ТЕМ з режимом Природнього Середовища (Еnviromental ТЕМ, ЕТЕМ) — метод, що швидко розвивається, який дозволяє спостерігати за взаємодією зразків із зовнішнім середовищем в лабораторній камері мікроскопа. Наприклад, цей метод дає можливість вченим спостерігати за змінами на атомному рівні, які відбуваються на поверхні частинки каталізатора, коли вона активується газоподібним агентом або нагрівається.

4. Нанотерези

Добре відомо, що властивості наноструктур багато в чому визначаються їх розміром і формою, і в ході синтезу практично неможливо отримати набір абсолютно ідентичних наночасток. Тому, вимірюючи фізичні властивості наноструктурованих об'єктів, ми, як правило, одержуємо середню характеристику об'ємного зразка, яка практично нічого не говорить про властивості нанофрагментів, що його утворюють. У зв’язку з цим одним з ключових завдань нанонауки є вивчення властивостей індивідуальних наночастинок із заздалегідь відомою і чітко вираженою атомною структурою.

Очевидно, що занадто маленький розмір наночастинок, так само як і у випадку з пилинкою, робить неможливим застосування для цього традиційних вимірювальних методик. Навіть найсучасніші прилади мають точність порядку 10^-9 г, що на багато порядків перевищує масу одиничних наночастинок. Тобто в наносвіті потрібні свої вимірювальні наноінструменти.

У створенні таких інструментів в черговий раз, завдяки своїм унікальним електронним і механічним властивостям, допомогли вуглецеві нанотрубки, здатні проводити електричний струм і володіти високою механічною міцністю. Якщо до вуглецевої нанотрубки, один кінець якої міцно закріплений, а інший залишається вільним, прикласти зовнішню напругу, то індукований заряд переважно зосереджується на вільному кінці, і за рахунок електростатичних сил відбувається відхилення нанотрубок від початкового положення. Прикладання поперемінно негативної і позитивної напруги дозволяє здійснювати цикл навантаження-розвантаження трубки. Якщо піти далі і міняти частоту напруги, що подається, то можна домогтися резонансу з частотою власних коливань нанотрубки, що дозволить точно виміряти цю характеристику. Резонансна частота коливань вуглецевої нанотрубки визначається діаметром, довжиною та міцністю на вигин і є її індивідуальною характеристикою.

У 2000 році американськими вченими з Georgia Institute of Technology було запропоновано використовувати описаний принцип для створення самих маленьких і чутливих ваг в світі. Дійсно, якщо визначити частоту власних коливань окремої нанотрубки, а потім прикріпити до неї досліджуваний нанозразок, то виявляється, що резонансна частота коливань зменшується більш ніж на 40% в порівнянні з ненавантаженої трубкою. В результаті з високою точністю можна розрахувати масу зразка аж до величин мас близько 10^-15 м. Для цього необхідно тільки відкалібрувати вуглецеву нанотрубку, щоб визначити її жорсткість (рис.5). У перспективі такі ваги можуть бути використані для вимірювання мас великих біомолекул і біомедичних об'єктів, наприклад, вірусів.

Рис. 5. Коливання вуглецевої нанотрубки, що навантажена наночасткою масою 22*10^-15 г

5. Висновок

Пізнання природи і розвиток інструментів глибоко взаємопов'язані. Чим досконаліше інструменти, тим більш точну інформацію ми можемо отримувати, тим вірогідніші наші знання про природу. Проникнувши в невидимий світ атомів і молекул, ми ще гостріше потребуємо розвитку інструментів, здатних не тільки забезпечити отримання нової інформації, але і привести до приголомшливого прогресу в багатьох областях.

Останні досягнення в технологіях електронного мікроаналізу і візуалізації дозволяють їм грати все більш важливу роль у прогресі нанотехнологій. Прогресивні методи тривимірного моделювання в поєднанні з автоматизованими системами підготовки зразків та збору даних дозволяють структурним біологам досліджувати молекулярні механізми, що лежать в основі біологічних процесів. Засоби з високою роздільною здатністю С/ТЕМ дають можливість виробникам напівпровідників збільшувати виробництво мікросхем, що у великій мірі визначає сучасний технологічний прогрес в багатьох областях.

Список літератури

1. Білинський Й. Й. Методи обробки зображень в комп’ютеризованих оптико-електронних системах: монография / Й.Й. Білинський — Вінниця: ВНТУ, 2010. — 272 с.

2. Кондратов В. Т. Теория избыточных измерений // Вим1рювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. — 2005. — № 1. — С.7−24.

3. Кондратов В. Т. Теория избыточных измерений /В сб. докладов межд. науч. — техн. конф. «Метрологическое обеспечение измерительных систем». — Пенза, 2005. — С. 191−210.

4. Кондратов В. Т. Классификация методов избыточных измерений // Ви — мірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. — 2006. — № 2. — С.7−17.

5. http://www.nanometer.ru