Введение к работе
Актуальность темы.
Туннельная микроскопия, несмотря на свою относительную "молодость", стала во многих случаях незаменимым методом исследования поверхности Возможность получения изображений в манометровом и атомном масштабах не только и вакууме, но и в конденсированных средах, открыла новую страницу в физике и химии поверхности. Интересными объектами для изучения в туннельном микроскопе являются дисперсные системы, в которых размеры частиц не превышают десятка нанометров. Среди них особый интерес вызывают диэлектрические образцы. Несмотря на то, что атомно-силовая микроскопия позволяет, в принципе, получить их изображения, туннельная микроскопия открывает новые перспективы их исследования. Так, например, сам факт получения изображения таких объектов в туннельном микроскопе, где проводимость образца является необходимым требованием, свидетельствует о наличии новых необычных электрофизических свойств нанометровых систем. Несмотря на то, что остается еще много неясных вопросов, касающихся механизмов возникновения контраста в таких изображениях, туннельная микроскопия несовместимых с вакуумом диэлектрических объектов в последнее время активно развивается.
С другой стороны ультрадисперсные алмазы (УДА)4детонационного синтеза являются новым перспективным материалом, свойства которого еще в достаточной мере не изучены. Научный интерес к веществу в ианофазном состоянии обусловлен тем, что кластеры и малые частицы, являясь промежуточными объектами между атомами и макроскопическими телами, часто проявляют необычные физические и химические свойства. Ультрадисперсные материалы интересны и с практической точки зрения. Это связано с перспективой получения новых материалов: керамик, керметов, композитов и т.п.
Применение такого метода, как туннельная микроскопия, для исследования УДА может дать новую информацию о структурных, электрофизических и других свойствах ультрадисперсных алмазов.
Цели и задачи работы.
Целью данной работы является применение метода туннельной микроскопии для исследования ультрадисперсных алмазов. Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи.
1. Разработка и изготовление сканирующего туннельного микроскопа, пред
назначенного для исследования коллоидных систем (работа в жидкостях н газах
в условиях повышенной влажности, большая область сканирования при доста
точном быстродействии).
2. Отработка методов подготовки рабочего образца для исследования
(выделение и сохранение нанометровых алмазных частиц из порошков УДА, т.е.
получение алмазного коллоидного раствора).
3. Разработка методики исследования коллоидных систем с помощью тун
нельного микроскопа,
4: Исследование коллоидного алмаза методом туннельной микроскопии. Научная новизна диссертации заключается в следующем.
-
Разработан и изготовлен растровый туннельный микроскоп, специально предназначенный для исследования коллоидных систем. Прибор имеет оригинальную конструкцию пьезопрнводов, систему демпфирования собственных резонансных колебаний приводов и может работать в условиях высокой влажности. Реализовано полностью цифровое компьютерное управление работой прибора. Разработаны гибкие и эффективные' алгоритмы сканирования и съема информации.
-
Впервые экспериментально доказана возможность получения монодисперсного коллоидного раствора алмаза, содержащего неагрегированные частицы размером менее 10 нм и отработана технология получения таких растворов (коллоидного алмаза).
3. Впервые метод туннельной микроскопии применен для исследования
коллоидных растворов без удаления жидкой дисперсионной среды.
4. Разработана методика исследования диэлектрических коллоидных систем
с помощью сканирующей туннельной микроскопии.
5. Впервые получен двумерный алмазный коллоидный кристалл.
На защиту выносятся:
конструкция туннельного микроскопа, предназначенного для исследования коллоидных систем;
методика исследования диэлектрических коллоидных систем методом туннельной микроскопии;
основные результаты экспериментального исследования алмазных коллоидных систем с помощью туннельного микроскопа:
а) доказательство неагрегированности и монодисперсности
коллоидного алмаза;
б) возможность получения регулярных алмазных
коллоидных структур (коллоидных кристаллов).
Практическая ценность.
1.. Разработанная методика расширяет область применения метода туннельной микроскопии.
-
Полученный новый алмазный материал - коллоидный алмаз- обладает существенными технологическими преимуществами по сравнению с исходными-порошками УДА.
-
Структуры типа коллоидного кристалла могут найти применение в технологии получения алмазных пленок. Они также могут использоваться как решетки для рентгеновской области электромагнитных волн.
Вклад автора, заключается в разработке отдельных узлов экспериментальной установки и программного обеспечения. Автором предложена методика исследования коллоидных растворов в туннельном микроскопе, проведена основная экспериментальная работа, получен алмазный коллоидный кристалл.
Апробация работы и публикации. Основные результаты докладывались и обсуждались на Второй международной конференции по нанотехнологии "NANO II" (Москва, 1993 г.), на Первой конференции "Материалы Сибири' (Новосибирск, 1995 г.), на Третьем международном симпозиуме по алмазным
пленкам "ISDF3" (Санкт-Петербург, 1996 г,). По материалам диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем диссертации, Диссертация состоит из введения, пяти глав, -заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Материал изложен на 109 страницах, включая 26 рисунков. Список литературы содержит 192 наименования.