Исследование химически модифицированной поверхности кремния, нанокатализаторов и оптических структур методами сканирующей зондовой микроскопии

• Автор: Чукланов, Антон Петрович
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Механизмы адгезии СЗМ зонда к поверхности

1.2. Обзор методов сегментации изображений

1.3. Исследование оптических свойств микро- и наноструктур методами СЗМ

Глава 2. Изучение адгезионных свойств гидрофильных и

гидрофобных поверхностей методом атомно-силовой спектроскопии

2.1. Описание экспериментальной установки и приготовления образцов

2.2. Результаты и обсуждение экспериментов

2.3. Изучение десорбции тонких водяных пленок в условиях вакуума

Глава 3. Компьютерный анализ АСМ изображений наночастиц, осажденных на поверхность со сложной морфологией

3.1. Описание алгоритма обработки АСМ изображений наночастиц

3.2. Применение алгоритма сегментации АСМ изображений к анализу поверхности наноструктурированных катализаторов
Глава 4. Восстановление формы зонда в микроскопии сдвиговых сил
4.1. Метод восстановления формы зонда на тестовых образцах. Деконволюция
4.2. Связь оптического разрешения СБОМ с формой зонда
Заключение
Список публикаций автора
Список цитируемой литературы

В последние годы для исследования различных свойств поверхностных структур нанометровых размеров все чаще применяются методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) [1-4]. Эти методы нашли широкое применение в разных областях физики и химии поверхности твердого тела. СЗМ обладает огромным потенциалом, что связано с возможностью получения метрологически точной, трехмерной информации о топографии образца с нанометровым разрешением (в отдельных, благоприятных случаях оно может достигать атомарного). Важной причиной широкого распространения данного метода также является относительная нетребовательность к предварительной подготовке образцов и возможность работы в широком диапазоне различных внешних условий: высокая или сверхнизкая температура, вакуум, контролируемая газообразная среда или жидкость [5-7]. Еще одна важная особенность - это возможность проведения in-situ экспериментов, в которых при помощи одного из методов СЗМ -атомно-силовой микроскопии (АСМ) наблюдается динамика процессов на поверхности вещества [8,9]. СЗМ может использоваться не только как инструмент анализа, но и как инструмент синтеза: применяя СЗМ зонд в качестве манипулятора можно создавать на поверхности различные микро- и наноструктуры. Использование СЗМ зондов с химическими покрытиями совокупно со специальными методиками измерения позволяет изучать с помощью СЗМ не только топографию поверхности, но и другие свойства как поверхности в целом, так и отдельных, сформированных на ней микро- и нанообъектов.
Последние тенденции развития СЗМ свидетельствуют о качественном переходе в исследованиях от простой визуализации поверхности к количественной характеризации различных ее физических и химических свойств при помощи таких методов как, например, атомно-силовая спектроскопия (АСС). Причем, благодаря высокому разрешению СЗМ, можно

получать не просто характеристики поверхности в целом, а строить карту распределений той или иной физической величины с нанометровым пространственных разрешением.
Еще одним направлением развития СЗМ становится более глубокая математическая обработка СЗМ изображений, то есть переход от измерения простых параметров (таких как интегральная шероховатость поверхности) к более сложным математическим преобразованиям получаемых данных, которые позволяют извлекать дополнительную информацию о свойствах поверхности. Одной из таких задач является анализ каталитически активных поверхностей химически модифицированных электродов, Причем особый интерес представляют поверхности с наночастицами металлов, которые приобретают специфические свойства, отличные от свойств макрокристаллов [10-15]. С наночастицами становится возможным протекание реакций, которые практически не идут на поверхности макрокристаллов. Известно так же [12], что уменьшение размера частиц часто приводит к росту каталитического эффекта. Подобный тип структур находит все большее применение, как в фундаментальной науке, так и в прикладных областях (например, в аналитической химии при анализе сверхмалых концентраций). В последнее время интерес к катализаторам на основе наночастиц связан с перспективами их использования в качестве компонентов топливных элементов.
Одним из перспективных путей развития СЗМ является синтез оптических и зондовых методов исследования поверхности. Появление таких приборов, как сканирующий ближнеполевой оптический микроскоп (СБОМ) и Tip Enhanced Raman Microscope (TERS), работающих с обратной связью (ОС) на основе сдвиговых сил, существенно расширило круг задач, решаемых с применением зондовых методов.
Целью данной работы явилось развитие методов СЗМ для получения количественных параметров, наиболее точно отражающих физико-

В данной работе для оценки качества поверхности кремния использована контактная атомно-силовая спектроскопия (АСС). В основе этого метода лежит регистрация «силовых кривых», которые отражают различные локальные свойства поверхности. Типичный вид такой кривой показан на рис. 2.2. Для регистрации подобного рода зависимостей используется зонд атомно-силового микроскопа, который при помощи пьезодвигателя плавно подводится к поверхности исследуемого образца. При этом, с помощью луча лазера, отраженного от балки кантелевера, и, на четырехсекционном фотодиоде регистрируется вертикальное отклонение балки кантилевера от положения равновесия. Вначале, когда расстояние между зондом и поверхностью большое и нет никакого взаимодействия, кривая подвода параллельна оси абсцисс, зонд не отклоняется от положения равновесия (участок АБ на рис. 2.2). При дальнейшем сближении зонд попадает в область сил притяжения и, если градиент сил притяжения больше, чем жесткость кантилевера, то на графике появляется скачок (точка Б) который называется «прыжок в контакт». Для потенциала типа Леннарда-Джонса область больших градиентов силы притяжения составляет примерно 1 нм. Если продолжать дальнейшее сближение, то зонд начинает испытывать отталкивание от поверхности и балка кантилевера начинает изгибаться. Кривая подвода при этом имеет наклон, который определяется упругими свойствами образца и кантилевера. Анализ кривой подвода на данном участке может дать информацию о локальной твердости образца. Если взаимодействие зонда и образца абсолютно упругое, то зависимость изгиба кантилевера от расстояния, регистрируемая на обратном ходе (участок ВГ, который так же называется «кривая отвода»), совпадает с зависимостью, получаемой при подводе. Для мягких образцов, например, пленок из органических материалов или биологических структур, а также для образцов, на поверхности которых находятся адсорбированные слои различных материалов, кривые отвода могут иметь более сложный характер. В точке Г наблюдается так называемый «прыжок из контакта», который возникает из-за