Исследование структуры материалов содержащих наночастицы методы определения размеров

Исследование структуры материалов, содержащих наночастицы; методы определения размеров, состава и строения наночастиц, модели строения наночастиц

Содержание Методы исследования Методы приготовления образцов для электронной микроскопии Интерпретация полученных результатов

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения c приставкой EDAX ПЭМ Tecnai G 2 30 S-TWIN Разрешение по линиям : 0. 14 нм Разрешение по точкам : 0. 205 нм Ускоряющее напряжение: 50 к. В ÷ 300 к. В Исследование наноструктур с высоким разрешением (на атомном уровне).

Общая схема просвечивающего электронного микроскопа ПЭМ на флуоресцентном экране может создавать изображение или дифрактограмму образца. А первом случае система фокусируется на переднюю фокальную плоскость объектива (образец). Дифракционная картина наблюдается, если ситема построения изображения фокусируется на заднюю фокальную плоскость объектива (которая соответствует первой плоскости изображения дифрагированного и первичного пучков).

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения На рис. внизу (а, б) представлены изображения решетки золота, полученные с помощью микроскопа Tecnai G 2 30 STWIN при ускоряющих напряжениях 200 и 300 к. В соответственно. Изображения подтверждают разрешающую способность микроскопа по точкам – 2 А. б) а) 200 к. В 300 к. В

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения Внизу представлено изображение сегнетоэлектрической пленки титаната бария –стронция (ТБС), выращенной на диэлектрической монокристаллической подложке Mg. O. Одновременно можно наблюдать две решетки и межфазную границу. Tecnai G 2 30 Stwin , ускоряющее напряжение 300 к. В.

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения Обработка изображения частиц Ni на Si. O 2 полученного в просвечивающем электронном микроскопе а) первоначальное изображение б) пространственное быстрое преобразование Фурье снимка (а) в) изображение, полученное с апертурным фильтром, показанном на врезке г) дальнейшая обработка изображения с другим апертурным фильтром, показанном на врезке д) окончательное изображение е) изображение Si. O 2 субстрата, полученное вычитанием изображения частицы ж) модель наночастицы, воссозданная на основе полученных данных

Cd. Se Nanoparticles TEМ, EDX-spectrum C) А) B) А) TEМ –image of 2 D structure B) Distribution of nanoparticles on size, dm = 11. 5 nм C) EDX spectrum.

Au Nanoparticles TEM, EDX-spectrum, EDA, XRD, SEM А) TEM image of 2 D structure C) А) D) B) Distribution of nanoparticles on size, dm= 9. 5 nm C) Electron diffraction B) pattern from Au nanoparticles D) EDX spectrum F) 111 E) 311 222 dm = 8 nm. 220 F) XRD spectra 200 E) SEM image

Exploration of Morphology and Mutual Orientation of Au 3 нм 1. 5 nm 9. 5 nm 12. 5 nm А) B) R-SH TEM images and pictures of 2 D structures electron diffraction at different tilt angles of sample holder a) 0 º b) 45 º.

Cd. Se Nanoparticles Scanning electron microscope of high resolution, Fourier-аnalyses А) B) А) High resolution image of Cd. Se nanoparticle, B) Fourier transfomation of the image, C) ED patterns of the wurzite crystal with axis [001] along electron beam. C)

Растровый электронный микроскоп c приставкой EDAX Растровый электронный микроскоп (РЭМ) JSM‑ 6700 F c автоэмис сионным катодом Исследование наноструктур.

Общая схема растрового электронного микроскопа двойная отклоняющая система сканирующего электронного микроскопа. Верхние катушки l 1 – l 1 отклоняют луч на угол Θ , нижние катушки l 2 отклоняют его на угол 2 Θ, так что электроны последовательно попадают на образец вдоль показанной линии. На врезке слева вверху приведено пилообразное напряжение, задающее ток в сканирующих катушках li. на нижней левой врезке показана последовательность точек образца, соответствующая различным траекториям 1, 2, 3, 4, 5 электронного пучка. Идущего вниз по оси микроскопа. Сканирующие катушки f 1 – f 1 и f 2 обеспечивают смещение луча по последовательности точек 1 1’ 1”, показанных на нижней врезке.

Растровая и просвечивающая электронная микроскопия Структурные характеристики угле родных нанотрубок, полученные с помощью ПЭМ высокого разреше ния Philips EM 430 ST и растрового электронного микроскопа JSM‑ 840.

Растровая электронная микроскопия Поверхность скола

Возрастающий интерес к электронной дифракции – • • почему? Уникальные свойства ДЭ: Длина волны эл 0, 002 – 0, 006 нм. Высокое разрешение структурных методов ДЭ Сильное взаимодействие с веществом изучение нанообъектов (тонкие пленки, нанокристаллы, поверхностные слои и т. п. ) • Рассеяние на ЭСП – физ. свойства (ρ (r) и φ (r)) • Большая интенсивность рассеяния и управляемость пучком фемтосек. ЭД (быстро протекающие процессы)

Типы изучаемых наноматериалов • Тонкие пленки • Тонкодисперсные материалы • Тонкопленочные системы • Микро и нанокристаллы • Поверхностные слои

Электронограф ЭМР-110 К 1. Электронная пушка 2. Конденсоры 3. Кристаллодержатель 4. Камера 5. Оптический микроскоп 6. Тубус 7. Фотокамера

Принципиальная оптическая схема электронографа а — получение дифракционной картины при фокусировке электронов с помощью одной линзы; б — получение диф ракционной картины при фокусировке электронов с помощью двух линз; в — ход лучей при использовании прибора в качестве теневого электронного микроскопа; 1 — элект ронная пушка(А — катод, Б — фокусирующий электрод, В — анод); 2, 3 — магнитные линзы; 4 — кристаллодержатель и объект; 5 — дифракционная картина или микроскопическая картина на флюоресцирующем экране или на фотопластинке

Дифракция «на просвет»

Дифракция «на отражение»

Виды электронограмм

Cd. Se Nanoparticles EDX, RDА. A) B) A) Electron diffraction pattern from Cd. Se nanoparticles. B) Рентгенограмма dm = 13 nm. Cd. Se: Р 63 mс; а=4. 298Å, c=7. 008 Å(exper. data) Cd. Se: Р 63 mс; а=4. 292 Å, c=7. 017 Å (ICSD) 0001 Texture in ensembles of Cd. Se nanoparticles

формула Шеррера: Δr t = L λ , где L – расстояние образец – фотопластинка, λ – длина волны падающих электронов.

Характеристика микроструктуры наноматериалов • Взаимная ориентация микрокристаллитов в тонкой пленке • Функции распределения по ориентациям и по размерам • Структура и взаимная ориентация тонких нанослоев в гетероструктурах и многослойных системах

Какие величины определяются? Из дифракционной картины: • Координаты рефлексов и инт и: rhkl, Ihkl(r), масштаб • • С помощью развитых расчетных методов : Параметры ячейки : a, b, c, , Координаты атомов : x, y, z Межатомные расстояния: ( rij ) Параметры тепловых колебаний атомов: Bij Распределение электростатического потенциала: (xyz) Детали распределения электронов при образовании химической связи: ρ (xyz) Некоторые физ. свойства: d, , (0), Eg…

Электронография Электронограмма полученная от наночастиц Cd. S в электронографе при 75 к. В Распределение электронной плотности в ковалентном кристалле, алмаз

Методы приготовления образцов для электронной микроскопии 1. Приготовление углеродной пленки подложки 2. Диспергирование 3. Химическое травление 4. Приготовление ультратонких срезов 5. Шлифовка 6. Ионное травление

Следует отметить два правила, которые оказываются полезными при индицировании: а) если при перемещении вдоль прямой, соединяющей пятна электронограммы, от одного пятна к другому один из индексов h, k или l изменился, то подобное изменение этого же индекса должно иметь место и при дальнейшем перемещении в этом направлении до следующего пятна. б) если дифракционные пятна расположены на одной прямой с центральным пятном, с разных сторон и на одинаковом расстоянии от него, то индексы одного пятна можно получить, умножив индексы другого на 1.

полученная векторным сложением система индексов Миллера для электронограммы от образца простой кубической структуры

Интерпретация полученной электронограммы Измерить все радиус-векторы (r-расстояние от центрального пятна до рефлекса hkl) Определить качественно интенсивность каждого рефлекса Определение межплоскостных расстояний по формуле: λ●L=r●dhkl , где λ -длина волны электронов, Lдифракционная длина, r- расстояние от цетрального пятна до рефлекса hkl, dhkl – межплоскостное расстояние Сравнение набора полученных dhkl и соответствующих им интенсивностей с табличными данными предполагаемого вещества* * кристаллографические базы данных : ASTM, ICSD и др.

Литература 1. Б. Уикли, Электронная микроскопия для начитающих; 2. Практические методы в электронной микроскопии, под ред. Одри М. Глоэра 3. Д. Брандон, У. Каплан, Микроструктура материалов. Методы Исследования и контроля; 4. Ч. Пул, Ф. Оуэнс, Нанотехнологии; 5. С. С. Горелик и д. р. , Рентгенографический и электронно оптический анализ; 6. М. П. Шаскольская, Кристаллография

Наночастицы Cd. Se Просвечивающая электронная микроскопия, EDAX, электронографический анализ Микрофотография образца и распределение наночастиц по размерам, средний размер = 11. 5 нм Cu A Б А) Электронограмма, полученная от наночастиц Cd. Se; Б) EDAX спектр образца S Cd P Cu Cd Cd

Наночастица Cd. Se Просвечивающая электронная микроскопия высоко разрешения, электронографический анализ Изображение высокого разрешения наночастицы Cd. Se.

Наночастицы Cd. Se Рентгенофазовый и электронографический анализ Рентгенограмма и электронограмма наночастиц селенида кадмия. Согласно полученным данным образец является однофазным : Cd. Se: Р 63 mс; а=4. 298Å, c=7. 008 Å (ICSD #415786, 2006) Cd. Se: Р 63 mс; а=4. 292 Å, c=7. 017 Å (экспериментальные данные) средний размер = 13 нм

Наночастицы Cd. Se Малоугловое рассеяния рентгеновских лучей А) Распределение наночастиц по размерам. Средний размер составил 120 Å при полидисперсности ± 16 Å d. R=16 A А) Б) Б) Интенсивность малоуглового рассеяния. Сопоставление эксперимента с моделью системы сферических наночастиц полидисперсностью.

Спасибо за внимание!!!

Кристаллография — наука о кристаллах, их структуре, и свойствах.

• Структура кристалла это конкретное расположение частиц в пространстве. • пространственная решетка – это бесконечное трехмерное периодическое образование, или , точнее, это геометрическое построение, с помощью которого в кристаллическом пространстве выявляются одинаковые точки. Узел пространственной решетки не обязательно отождествлять с атомом или вообще с материальной точкой.

Пространственная решетка

Параллелепипед, построенный на трех элементарных трансляциях a, b, с называется элементарным параллелепипедом, или элементарной ячейкой. Как и в плоской сетке, объем примитивной элементарной ячейки не зависит от ее формы и является величиной постоянной для данной решетки; он равен объему, приходящемуся на один узел элементарный параллелепипед a, b, c – элементарные трансляции соответсвенно по осям x, y, z α –угол, лежащий против оси х β – угол, лежащий против оси y γ угол, лежащий против оси z

Типы кристаллических решеток

Для моноклинной сингонии для ромбической сингонии для гексагональной сингонии для тригональной сингонии для тетрагональной сингонии для кубической решетки

Любую кристаллографическую плоскость или грань кристалла можно определить тремя целыми числами – индексами Миллера, которые представляют собой величины, обратно пропорциональны отрезкам отсекаемые плоскостью на осях координат Чтобы найти индексы Миллера любой кристаллографической плоскости, надо прежде всего выбрать начало координат (но в данной плоскости); затем выразить отрезки, отсекаемые плоскостью на осях координат, через осевые отрезки a, b, с; далее найти обратные значения этих величин, привести их к виду наименьших возможных рациональных дробей, имеющих общий знаменатель, и, наконец, отбросить общий знаменатель и заключить полученные три числа в круглые скобки.

Найти символы плоскости, отсекающей на осях координат отрезки 4 а, 3 b, 2 с. Запишем отношение: m: n: p = 4: 3: 2; значит, символ плоскости (hkl) = (346)

Символы векторных плоскостей в кубической решетке