3. Методы исследования полимерных материалов, модифицированных с использованием наноразмерных систем
Исследование свойств наносистем и модифицированных ими нанообъектов требует применения специальных современных методов зондовой нанотехнологии. Для этой цели наиболее эффективны методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), в основе которых лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью образца. В работе всех СЗМ реализуется принцип ближнего поля, согласно которому зонд малого размера (острие зонда имеет радиус закругления не более 10 нм) располагается на столь же малом расстоянии от исследуемой поверхности (0.1 - 10 нм). Для выполнения принципа ближнего поля необходимо иметь зонд с острием атомных размеров, сенсорное устройство, различающее неоднородности сканируемой поверхности и систему, поддерживающую зонд на близком расстоянии и с большой точностью перемещающую его вдоль поверхности. Поддержание и контроль необходимой величины зазора осуществляется замкнутым контуром регулирования, состоящим из последовательно соединенных элементов (подложка-зонд; усилитель сигнала; прецизионный манипулятор). В данной системе создается отрицательная обратная связь, задающая и стабилизирующая величину зазора. В целом функционирование СЗМ обеспечивается несколькими системами, которые в совокупности составляют нанотехнологический комплекс, включающий манипуляторы (сканеры) грубого и точного перемещения зонда, сам зонд, электронную систему управления, системы обеспечения параметров технологической среды и ЭВМ (ПК) с системой обработки и отображения информации [122].
3.1. Сканирующий туннельный микроскоп (стм)
СТМ– первый из группы зондовых микроскопов, принцип действия которого основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между механическим зондом-острием и проводящим образцом в электрическом поле. С помощью пьезоприводов зонд подводится перпендикулярно к поверхности образца на расстояние S (десятые доли нм), при котором происходит перекрывание волновых функций электронов атомов острия зонда. При этом возникает туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется значениями работ выхода электронов из материала зонда Ф1 и Ф2 (рис. 3.1). При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой Ф = (Ф1+Ф2 ) / 2. При приложении разности потенциалов (U) к туннельному зазору возникает туннельный ток, определяемый параметрами S и U.
Рис. 3.1. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в СТМ
Выражение для плотности туннельного тока (I) (в одномерном приближении) можно записать в виде
I = Io(U)exp-kS, (3.1)
где Io(U)=q/2πhS2; k = [mФ/h]1/2 – константа, заданная волновой функцией в области потенциального барьера; m и q – масса и заряд электрона; h – постоянная Планка
Задавая значения I = Const с точностью до 2 %, можно поддерживать постоянство величины зазора S с точностью до 10-3 нм.
Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется в режиме постоянного туннельного тока (I = Const) (рис. 3.2, а) или в режиме постоянной высоты зонда (S = Const) (рис. 3.2, б).
Рис. 3.2. Формирование СТМ-изображения поверхности при I = Const (а) и S = Const (б)
Разрешение в плоскости определяется качеством острия и для вольфрамового исполнения может составлять величину 0.3 нм. Поэтому на изображении атомно-гладкой поверхности видны «выпуклости» атомных размеров (или отдельные атомы в режиме контраста яркости) [123].
СТМ применяется для уникальных исследований поверхности твердых тел при не разрушающем режиме реализации метода с возможностью получения трехмерного изображения рельефа. Данный метод позволяет наблюдать процессы кристаллизации, адсорбции, диффузии, химические реакции на атомном уровне, а также процессы формирования наноструктур в различных условиях.