Исследование углеродных материалов и структур с применением фокусированного ионного пучка и электронной микроскопии

• Автор: Волков, Роман Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Е ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ ПИРОУГЛЕРОДА, УГЛЕСИТАЛЛА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
1.1 Электронно-микроскопические методы исследования
1.2 Пироуглерод
1.2.1 Получение, свойства и применение пироуглерода
1.2.2 Структурная классификация пироуглерода
1.2.3 Закономерности формирования пироуглерода
1.3 Углеситалл
1.3.1 Получение, свойства и применение углеситалла
1.3.2 Структура углеситалла
1.4 Углеродные нанотрубки
1.4.1 Получение, свойства, применение и строение углеродных нанотрубок
1.4.2 Методы препарирования углеродных нанотрубок для исследования в просвечивающем электронном микроскопе
1.5 Заключение
2. РАЗВИТИЕ МЕТОДА ФОКУСИРОВАННОГО ИОННОГО ПУЧКА
2.1 Формирование при помощи фокусированного ионного пучка поперечных сечений и их исследование методами растровой электронной микроскопии
2.1.1 Устройство и функционирование систем с фокусированным ионным пучком
2.1.2 Формирование поперечных сечений
2.1.3 Трехмерная реконструкция с применением фокусированного ионного
пучка
2.2 Приготовление электронно-микроскопических образцов при помощи ФИП
2.2.1 Сравнение методов утонения образцов пироуглеродных материалов с применением ионных пучков
2.2.2 Метод In-Situ Lift-Out приготовления электронно-микроскопических образцов

2.2.3 Приготовление электронно-микроскопических образцов для исследования во взаимно перпендикулярных плоскостях
2.2.4 Приготовление при помощи фокусированного ионного пучка электронномикроскопических образцов поверхностных наноструктур
2.3 Заключение
3. ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕСИТАЛЛА И ПИРОУЕЛЕРОДА
3.1 Исследование пустот с применением фокусированного ионного пучка
3.1.1 Объекты исследования
3.1.2 Качественное сравнение пустот в углеситалле и пироуглероде
3.1.3 Исследование полостей в углеситалле методом ФИП-томографии
3.1.4 Исследование при помощи ФИП характеристик пустот по толщине образцов
углеситалла и пироуглерода
3.1.5 Выявление субмикронных полостей методами просвечивающей электронной
микроскопии
3.2 Исследование крупных включений в углеситалле
3.2.1 Расположение крупных включений в углеситалле
3.2.2 Размеры крупных включений в углеситалле
3.2.3 Определение состава крупных включений в углеситалле
3.2.4 Электронографические исследования крупных включений в углеситалле
3.3 Наноразмерные фазовые неоднородности в углеситалле и пироуглероде
3.3.1 Наноразмерные фазовые неоднородности в углеситалле
3.3.2 Наноразмерные фазовые неоднородности в пироуглероде
3.4 Заключение
4. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНО ВЫРАЩЕННЫХ НА ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
4.1 Электронно-микроскопические исследования сформированных при помощи ФИП каталитических областей
4.2 Исследование образца селективно выращенных углеродных нанотрубок
4.3 Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Благодаря своим уникальным свойствам искусственные углеродные материалы используются в различных областях деятельности человека - в промышленности, сферах науки и техники, медицине и пр. В связи с перспективами их применения во многих отраслях необходимо дальнейшее совершенствование способов производства и развитие методов исследования строения и свойств этих материалов.
К рассматриваемому классу материалов относятся пироуглерод и его производные. Важной областью применения пироуглеродных материалов с начала 70-х годов прошлого столетия стало их использование в медицине. Одним из первых для протезирования в хирургии был применен изотропный пироуглерод. Его физико-механические свойства, относительная простота и дешевизна производства вместе с уникальной биологической совместимостью с тканями человека выделили пироуглерод на фоне других материалов, используемых для аналогичных целей.
В свою очередь пироуглерод породил большое количество разнообразных материалов, в том числе используемых в медицине. К ним относится такой материал, как углеситалл, характеристики которого лучше аналогичных параметров изотропного пироуглерода. Он обладает высокими физико-механическими и антифрикционными свойствами, устойчив к высоким температурам и агрессивным средам, биологически инертен, газонепроницаем. Благодаря всем этим свойствам углеситалл применяется в качестве материала для производства имплантатов в медицине, в том числе в конструкциях искусственных клапанов сердца.
Технологические процессы получения пироуглерода и углеситалла во многом аналогичны. В результате термического пиролиза углеводородов в коаксиальном реакторе происходит осаждение этих материалов на поверхности затравок. Основное же отличие между производственными параметрами состоит в использовании разных наборов реакционных газов. В случае с пироуглеродом используются различные углеводородные смеси, а при осаждении углеситалла в них добавляется газообразный хлорид бора, что приводит к улучшению прочностных характеристик материала и его износостойкости.
Технология производства пироуглеродных материалов связана с контролем
многих факторов, влияние которых на их физико-механические свойства в ряде

тельно больших токах пучка, а осаждение платины и получение изображений во вторичных электронах - при меньших значениях тока, обеспечивающих низкую скорость распыления.
Электронно-ионный микроскоп Helios NanoLab 650 помимо ионной колонны, расположенной под углом 52° к вертикали, оснащен электронной колонной с автоэмиссионным катодом, который обеспечивает высокую плотность тока пучка и малый разброс электронов по энергиям. Такое устройство прибора позволяет контролировать процессы травления ионным пучком и получать при помощи растрового электронного микроскопа изображения с разрешением вплоть до 1 нм. В приборе Helios NanoLab 650 величина ускоряющего напряжения ионов регулируется в диапазоне 0,5-30 кВ, позволяя при малых его значениях снизить радиационное повреждение обрабатываемых поверхностей. При ускоряющем напряжении 30 кВ и токе 1 пА ионы фокусируются в пятно диаметром менее 4,5 нм. Максимально возможная величина тока ионов составляет 65 нА. Из-за меньшего угла сходимости фокусированного ионного пучка максимально возможное аспектное отношение (отношение глубины к поперечным размерам) формируемых при помощи него канавок для данного прибора в 2-3 раза превосходит возможности системы FEI FIB 200.
Современные представления дают следующую картину взаимодействия ускоренных ионов галлия с атомами образца. Бомбардирующий ион внедряется в материал и на пути своего движения испытывает столкновения с атомами. Взаимодействие с ядрами сопровождаются рассеянием и остановкой ионов, разогревом, смещением и обратным распылением атомов материала [128]. Взаимодействие с электронами - возбуждением всей электронной подсистемы обрабатываемого материала и вторичной электронной эмиссией. Проникновение ионов галлия вглубь образца в зависимости от материала составляет несколько десятков нанометров, поэтому контраст на изображениях поверхности при сканировании образца ионным пучком отличается от получаемого методами РЭМ, при применении которых электроны проникают на глубину более микрона.