Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы для исследования различных свойств поверхностных структур нанометровых размеров все чаще применяются методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) 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 Еще одна важная особенность - это возможность проведения іп-situ экспериментов, в которых при помощи одного из методов СЗМ - атомно-силовой микроскопии (АСМ) наблюдается динамика процессов на поверхности вещества [1,2] 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 получать 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 [3] С наночастицами становится возможным протекание реакций, которые практически не идут на поверхности макрокристаллов Известно так же [4], 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 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-химические свойства поверхности, и изучение этими методами химически модифицированных поверхностей твердых тел и наноструктур
Задачи данной работы можно сформулировать следующим образом
-
Исспедовать методом атомно-силовой спектроскопии адгезионное взаимодействие зонда и химически модифицированных поверхностей кристаллического кремния с гидрофильными и гидрофобными свойствами
-
Разработать новый метод анализа АСМ изображений наночастиц, лежащих на поверхности со сложной морфологией
-
Провести АСМ исследования поверхностей химически модифицированных электродов для определения оптимальных условий получения каталитически активных наночастиц металлов
-
Исследовать влияние латеральных колебании зондов на разрешающую способность микроскопов сдвиговых сил
-
Усовершенствовать метод восстановления формы зондов, применяемых в микроскопии сдвиговых сил и ближнеполевой оптический микроскопии на основе численной деконволюции
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Объяснение увеличения адгезионных сил в системе зонд-образец при смене гидрофобной поверхности кремния на гидрофильную как следствие перехода от Ван-дер-Ваальс взаимодействия АСМ зонда с поверхностью к капиллярному
-
Разработка метода сегментации АСМ изображений основанного на вычитании сложной поверхности и выделении іраииц частиц методом watershed, позволяющего более корректно (по сравнению с существующими методами обработки АСМ изображений) выделять слипшиеся частицы на поверхности со сложной морфологией
-
Усовершенствование метода статистического анализа АСМ изображений, позволяющего получать более точные данные о распределении каталитических наночастиц по размерам с учетом их формы и ориентации
-
Метод восстановления формы зонда на тестовых образцах с использованием численной деконволюции, впервые примененный
для латерально колеблющихся зондов микроскопа сдвиговых сил, и позволяющий с высокой точностью восстанавливать форму вершины зонда ближнеполевого оптического микроскопа Личный вклад автора
Основные результаты, представленные в диссертационной работе, были получены впервые или независимо от других исследователей в лаборатории физики и химии поверхности КФТИ КазНЦ РАН Вклад автора в совместных исследованиях заключается в следующем
подготовка образцов и проведение экспериментов по атомно-силовой спектроскопии,
разработка и тестирование алгоритма анализа АСМ изображений наночастиц на поверхности со сложной морфологией,
проведение АСМ экспериментов по изучению химически модифицированных поверхностей с наночастицами металлов,
проведение экспериментов по ближнеполевой микроскопии,
анализ полученных результатов и их интерпретация
Научная новизна работы заключается в следующем:
Метод численной деконволюции, который ранее применялся только для восстановления формы зонда в атомно-силовой микроскопии, обобщен на случай латерально колеблющихся зонда микроскопии сдвиговых сил
Показана возможность применения атомно-силовой спектроскопии в качестве инструмента контроля за качеством химической пассивации поверхности кремния с нанометровым разрешением
Впервые разработан метод анализа геометрических параметров наночастиц, осажденных на поверхность, который учитывает сразу несколько факторов, затрудняющих анализ наличие крупномасштабных неровностей на исследуемой поверхности и наличие слипшихся частиц
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены
На всероссийских и международных конференциях Scanning Probe Microscopy - 2004 (Russia, Nizhny Novgorod, 2004), ECASIA'05 (Austria, Vienna, 2005), XXI Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2006), XI международный симпозиум «Нанофизика и наноэлетроника» (Нижний Новгород, 2007)
На молодежных конференциях. VIII, IX Международной научной молодежной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, 2004, 2005), VI, VII научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов научно образовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2006,2007)
Публикации
Основные результаты диссертационной работы отраженны в 4 статьях, опубликованных в российских и зарубежных журналах, а так же в материалах и тезисах вышеперечисленных конференций Список публикаций автора приведен в конце диссертации
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитируемой литературы, содержит 116 страниц текста, включая 81 рисунок и 1 таблицу Библиография содержит 74 наименования
