Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий. Методы и применение
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общетехнические дисциплины
Издательство:
Лаборатория знаний
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 601
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-00101-142-2
Артикул: 631703.02.99
В книге под редакцией известных ученых собраны статьи и обзоры видных специалистов в области нанотехнологий, посвященные растровой электронной микроскопии (РЭМ). С помощью РЭМ можно изучать свойства
наночастиц, нанопроволок, нанотрубок, трехмерных наноструктур, квантовых точек, магнитных наноматериалов, фотонных кристаллов и биологических наноструктур. Рассмотрены различные типы РЭМ, включая просвечивающие микроскопы с высоким разрешением, рентгеновский микроанализ, новейшие методы получения изображения посредством обратно рассеянных электронов, а также методы электронной криомикроскопии для исследования биообъектов. Книга предназначена для широкого круга практических специалистов в сфере нанотехнологий, но будет полезна также студентам вузов и разработчикам новых типов растровых электронных микроскопов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 28.03.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
- 28.03.02: Наноинженерия
- 28.03.03: Наноматериалы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий
edited by Weilie Zhou University of New Orleans New Orleans, Louisiana and Zhong Lin Wang Georgia Institute of Technologу Atlanta, Georgia Scanning Microscopy for Nanotechnology Techniques and Applications
Москва Лаборатория знаний 2021 Под редакцией Уэйли Жу и Жонг Лин Уанга Перевод с английского С. А. Иванова и К. И. Домкина под редакцией канд. техн. наук Т. П. Каминской Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий Методы и применение 4-е издание, электронное
УДК 621.3+681.54 ББК 30.3+22.3 Р24 Р24 Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий. Методы и применение / под ред. У. Жу, Ж. Л. Уанга ; пер. с англ. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2021. — 601 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный. ISBN 978-5-00101-142-2 В книге под редакцией известных ученых собраны статьи и обзоры видных специалистов в области нанотехнологий, посвященные растровой электронной микроскопии (РЭМ). С помощью РЭМ можно изучать свойства наночастиц, нанопроволок, нанотрубок, трехмерных наноструктур, квантовых точек, магнитных наноматериалов, фотонных кристаллов и биологических наноструктур. Рассмотрены различные типы РЭМ, включая просвечивающие микроскопы с высоким разрешением, рентгеновский микроанализ, новейшие методы получения изображения посредством обратно рассеянных электронов, а также методы электронной криомикроскопии для исследования биообъектов. Книга предназначена для широкого круга практических специалистов в сфере нанотехнологий, но будет полезна также студентам вузов и разработчикам новых типов растровых электронных микроскопов. УДК 621.3+681.54 ББК 30.3+22.3 Деривативное издание на основе печатного аналога: Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий. Методы и применение / под ред. У. Жу, Ж. Л. Уанга ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 582 с. : ил., [16] с. цв. вкл. — ISBN 978-5-9963-1110-1. В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации ISBN 978-5-00101-142-2 Translation from the English language edition: Scanning Microscopy for Nanotechnology edited by Weilie Zhou, Zhong Lin Wang © Copyright 2006 Springer Science + Business Media, LLC All Rights Reserved © Лаборатория знаний, 2015
Авторы Robert Anderhalt Роберт Андерхальт Ametek EDAX Inc. 91 McKee Drive, Mahwah, NJ 07430 Anzalone, Paul Поль Анзалоне FEI 5350 NE Dawson Creek Drive Hillsboro, OR 97124-5793 P. Robert Apkarian П. Роберт Апкариан Integrated Microscopy and Microanalytical Facility Department of Chemistry Emory University 1521 Dickey Drive Atlanta GA 30322 A. Borisevich А. Борисевич Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831 Daniela Caruntu Даниела Карунту Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148 Gabriel Caruntu Габриэль Карунту Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148 M. F. Chisholm М. Ф. Чишолм Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831 Lesley Anglin Compbell Лэсли Энглин Кэмпбэлл Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148
Авторы M. David Frey М. Дэвид Фрей Carl Zeiss SMT Inc. 1 Zeiss Drive Thornwood, NY 10594 Pu Xian Ga Пу Ксиан Га School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology Atlanta, GA 30332-0245 A. Lucille Giannuzzi А. Люсиль Джианнуцци FEI 5350 NE Dawson Creek Drive Hillsboro, OR 97124-5793 Rishi Gupta Риши Гупта Zyvex 1321 North Piano Road Richardson, Texas 75081 David Joy Дэвид Джой University of Tennessee Knoxville, TN 37996 Jianye Li Джиани Ли Department of Chemistry Duke University Durham, NC 27708-0354 Feng Li Фенг Ли Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148 Jie Liu Джи Лиу Department of Chemistry Duke University Durham, NC 27708-0354 Xiaohua Liu Ксиаохуа Лиу Department of Biologic and Materials Sciences Division of Prosthodontics University of Michigan 1011 N. University Ann Arbor, MI 48109-1078 A. R. Lupini А. Р. Лупини Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831
Авторы 7 Peter X. Ma Питер Экс. Ма Department of Biologic and Materials Sciences Division of Prosthodontics University of Michigan 1011 N. University Ann Arbor, MI 48109-1078 Tim Maitland Тим Мейтланд HKL Technology Inc 52A Federal Road, Unit 2D Danbury, CT 06810 Joe Nabity Джоу Нэйбити JC Nabity Lithography Systems Bozeman, MT 59717 Charles J. O’Connor Чарльз Дж. О’Коннор Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148 M. P. Oxley М. П. Оксли Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831 Y. Peng Ю. Пэнг Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831 Steve Pennycook Стив Пенникук Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831 Richard E. Stallcup II Ричард Сталлкап II Zyvex 1321 North Piano Road Richardson, Texas 75081 Scott Sitzman Скотт Ситцмэн HKL Technology Inc 52A Federal Road, Unit 2D Danbury, CT 06810 K. Van Benthem К. Ван Бентэм Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831
Авторы Brandon Van Leer Брэнден Ван Леер FEI 5350 NE Dawson Creek Drive Hillsboro, OR 97124-5793 M. Varela М. Варела Oak Ridge National Laboratory P. O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831 Peng Wang Пенг Уанг Department of Biologic and Materials Sciences Division of Prosthodontics University of Michigan 1011 N. University Ann Arbor, MI 48109-1078 Xudong Wang Ксудонг Уанг Center for Nanoscience and Nanotechnology (CNN) Georgia Institute of Technology Materials Science and Engineering Department 771 Ferst Drive, N. W. Atlanta, GA 30332-0245 Zhong Lin Wang Жонг Лин Уанг Center for Nanoscience and Nanotechnology Georgia Institute of Technology Materials Science and Engineering 771 Ferst Drive, N. W. Atlanta, GA 30332-0245 Guobao Wei Гуобао Уэй Department of Bioogic and Materials Sciences Division of Prosthodontics University of Michigan 1011 N. University Ann Arbor, MI 48109-1078 John B. Wiley Джон Б. Уайли Department of Chemistry and Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148 Weilie Zhou Уэйли Жу Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148 Mo Zhu Мо Жу Advanced Materials Research Institute University of New Orleans New Orleans, LA 70148
Предисловие Успехи в нанотехнологии за последние десять лет сделали растровую (сканирующую) электронную микроскопию (РЭМ, или SEM — scanning electron microscopy) незаменимым и мощным инструментом для анализа и конструирования наноматериалов. Разработка наноматериалов требует использования современных методов и опыта получения высококачественных изображений, понимания специфики наноструктур и улучшения методов их синтеза. Ряд усовершенствований в устройствах РЭМ, таких как применение электронных пушек с автоэлектронной (полевой) эмиссией, детекторов отраженных электронов (ДОЭ, или EBSD — electron back scatter detection) и рентгеноспектрального картирования элементного состава, привели к повышению качества анализа наноматериалов. Кроме простого исследования материалов РЭМ может быть интегрирован в современные технологии конструирования и производства наноматериалов in situ. Некоторые примеры такой интегральной технологии включают применение наноманипулято- ров, методов электронно-лучевой литографии и фокусированного ионного пучка (ФИП, или FIB — focused ion beam). Хотя эти методы еще находятся в стадии разработки, они широко применяются во всех аспектах исследований наноматериалов. Монография «Растровая электронная микроскопия для нанотехнологии» включает ряд последних достижений в методах РЭМ и демонстрирует их возможные применения. В первой части книги изложены основы теории, используемой в РЭМ, недавно разработанные методы ДОЭ, рентгеноспектрального микроанализа, низковольтной электронной микроскопии, микроскопии с условиями естественной среды для наблюдения биоматериалов, электронно-лучевой нанолитографии, изготовления наноструктур с помощью ФИП и просвечивающей растровой электронной микроскопии (ПРЭМ, или STEM — scanning transmission electron microscopy). Эти главы содержат практические примеры использования подобных методов для исследования и получения наномате- риалов и наноструктур. Во второй части приводится обсуждение применения методов анализа на основе РЭМ, включая исследование нанопроволок и углеродных нано- трубок, фотонных кристаллов (ФК, или PС — photonic crystals) и приборов на
Предисловие их основе, наночастиц и процессов самосборки коллоидных частиц, получения наноблоков с помощью темплатов, одномерных полупроводниковых наноструктур со структурой вюрцита, биостимулированных материалов, применения наноманипуляторов in situ, а также растровой электронной криомикроскопии для исследования наноструктур. Эти методы широко используются при изготовлении и конструировании новых наноматериалов и наноструктур. Уникальная особенность настоящей книги заключается в том, что она написана экспертами из ведущих исследовательских групп, специализирующихся в области разработки наноматериалов с применением методов РЭМ. Дополнительный вклад в исследования, конструирование и манипулирование наноматериалами в РЭМ in situ сделан специалистами-практиками из нескольких известных фирм — изготовителей оборудования. Книга «Растровая электронная микроскопия для нанотехнологии» будет полезным практическим руководством для исследователей наноматериалов, а также ценным справочным изданием для студентов и специалистов по растровой (сканирующей) электронной микроскопии. Уэйли Жу Жонг Лин Уанг
Оглавление Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Словарь наиболее часто используемых аббревиатур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Глава 1. Основы растровой электронной микроскопии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.1. Пространственное разрешение и уравнение Аббе . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2. Устройство растровых электронных микроскопов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1. Электронные пушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2. Электронные линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3. Параметры колонны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4. Формирование изображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.5. Вакуумная система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3. Подготовка образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1. Процедуры получения изображений биоорганических образцов в РЭМ высокого разрешения . . . . . . . . . . 55 3.2. Фиксация образцов и методы сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3. Дегидратация и высушивание на воздухе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4. Метод сублимационной криосушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.5. Сушка в критической точке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.6. Нанесение металлических покрытий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.7. Структурные исследования с помощью ВРРЭМ химически фиксированных массивных биологических тканей, высушенных в критической точке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Глава 2. Метод дифракции отраженных электронов (ДОЭ) и примеры исследования материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.1. История . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.2. Как работает метод ДОЭ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2. Данные измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.1. Столбец «Фаза» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.2. Подгоночный модуль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.3. Ориентация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.4. Среднее угловое отклонение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.5. Контраст полос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.6. Крутизна профиля полосы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Оглавление 3. Анализ данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.1. Анализ размера зерен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.2. Виды карт, получаемых методом ДОЭ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4. Примеры применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.1. Алюминиевый сплав, полученный сваркой трением . . . . . . . . . . . . . . 90 4.2. Деформированный интерметаллический сплав Fe–Al . . . . . . . . . . . . . 92 4.3. Тонкие пленки платины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4. 4. Медная тонкая пленка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.5. Алюминиевая тонкая фольга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5. Текущие ограничения метода ДОЭ и перспективы его применения . . . . 105 5.1. Пространственное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2. Угловое разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3. Быстродействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Глава 3. Рентгеновский микроанализ в наноматериалах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 1.1. Генерация рентгеновских сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 1.2. Детектирование сигнала рентгеновского излучения . . . . . . . . . . . . . 111 1.3. Параметры энергодисперсионного спектрометра . . . . . . . . . . . . . . . . 113 1.4. Рентгеновские артефакты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 2. Моделирование наноматериалов методом Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . 121 3. Примеры исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.1. Компьютерный чип . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.2. Нанопроволока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.3. Наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Глава 4. Низкокиловольтная растровая электронная микроскопия . . . . . . . . . . . . . . 137 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 2. Генерация электронов и ускоряющее напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3. «Зачем применяют низкокиловольтный режим?» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4. Применение низких ускоряющих напряжений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Глава 5. Электронно-лучевая нанолитография в растровом электронном микроскопе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 1.1. Основы электронно-лучевой литографии на базе растрового микроскопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 1.2. Описание электронно-литографической системы на базе РЭМ . . . 162 1.3. Подключение системы литографии к РЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 2. Материалы и подготовка к обработке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 2.1. Подложки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 2.2. Резисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 2.3. Нанесение резиста центрифугированием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 3. Генератор шаблонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 3.1. Методические указания по проектированию шаблона . . . . . . . . . . . 178
Оглавление 13 3.2. Конфигурация системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 3.3. Настройка микроскопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4. Обработка экспонированного шаблона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 4.1. Проявление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 4.2. Нанесение резиста и взрывная технология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 4.3. Травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 4.4. Контроль шаблона и общие ошибки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5. Применение электронно-лучевой нанолитографии в нанотехнологиии 190 5.1. Нанотранзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 5.2. Нанодатчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 5.3. Магнитные наноприборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 5.4. Биологические применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Глава 6. Просвечивающая растровая электронная микроскопия для исследования наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 2. Получение изображений в просвечивающем растровом электронном микроскопе . . . . . . . . . . . . . 203 2.1. Формирование электронного зонда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 2.2. Контраст изображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 3. Получение спектральных изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 4. Получение трехмерных изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 5. Последние прикладные исследования в области наноструктур . . . . . . . . 234 5.1. Нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 5.2. Нанокатализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 5.3. Стабилизация подложек лантаном . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 5.4. Полупроводниковые нанокристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 5.5. Магнитные наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 5.6. Наностержни из ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 5.7. Наноразмерное разделение фаз в сложных оксидах . . . . . . . . . . . . . . 243 6. Перспективы развития ПРЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Глава 7. Введение в наноманипулирование in situ для конструирования наноматериалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 2. Электронно-лучевой нагар в РЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 2.1. Предотвращение появления загрязнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 2.2. Удаление загрязнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 3. Типы наноманипуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 3.1. Лабораторные конструкции наноманипуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . 257 4. Рабочие органы манипуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 4.1. Зонды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 4.2. Зонды-кантилеверы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 4.3. Микроэлектромеханические захваты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 5. Применение наноманипуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 5.1. Нанопозиционирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 5.2. Механическое зондирование наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Оглавление 5.3. Электрические игольчатые зонды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 5.5. Извлечение тонкого среза полупроводниковой структуры . . . . . . . . 281 5.6. Манипуляция in situ в просвечивающем электронном микроскопе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Глава 8. Применение фокусированного ионного пучка и двухлучевых систем DualBeam для изготовления наноструктур . . . . . . . . 288 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 2. Генераторы шаблонов, встроенные в приборы ФИП . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 3. Травление с помощью ФИП либо ХГФО пленок по двумерным шаблонам с программируемой дозой . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 4. Нанесение рисунка электронным лучом с помощью встроенных генераторов шаблонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 5. Автоматизация наноразмерного управления пучком . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 6. Непосредственное изготовление наноразмерных структур . . . . . . . . . . . . 299 7. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Глава 9. Нанопроволоки и углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 2. Нанопроволоки из полупроводниковых соединений III–V . . . . . . . . . . . 302 3. Нанопроволоки из полупроводниковых соединений групп II–VI . . . . . . 315 4. Одноэлементные нанопроволоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 5. Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 5.1. Многостенные углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 5.2. Одностенные углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 5.3. Прецизионное отрезание углеродных нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . 341 6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Глава 10. Фотонные кристаллы и устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 1.1. Фотонные кристаллы: что это такое? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 1.2. Физическое объяснение происхождения запрещенной зоны в фотонных кристаллах [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 1.3. Обзор применений фотонных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 2. Растровая электронная микроскопия фотонных кристаллов . . . . . . . . . . 355 2.1. 2D фотонные кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 2.2. Трехмерные фотонные кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 3. Создание фотонных кристаллов с помощью РЭM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 3.1. Микроманипуляции в РЭM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 3.2. Фотонные кристаллы, полученные путем микроманипуляции . . . . 367 4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 Глава 11. Наночастицы и коллоидные самосборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 2. Металлические наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 3. Мезо- и нанопористые металлические наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . 389 5.4. Применение наноманипуляторов в электрических зондовых измерениях интегральных микросхем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Оглавление 15 4. Нанокристаллические оксиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 4.1. Нанокристаллические оксиды для оптических применений . . . . . . . 397 4.2. Нанокристаллические магнитные оксиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 5. Наноструктурные полупроводники и термоэлектрические материалы . 416 6. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Глава 12. Наноблоки, изготовленные посредством темплатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 2. Материалы и методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 2.1. Производство пористых мембран . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 2.2. Синтез 3D коллоидных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 2.3. Электрохимическое осаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 2.4. Наблюдения с РЭМ и ПЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 3. Наноблоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 3.1. Нанонити из пористых темплатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 3.2. Нанотрубки на основе темплатов, модифицированных клеевыми волокнами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 3.3. Нанопроволоки со структурированными концами из темплатов с модифицированными нанотрубками . . . . . . . . . . . . . 435 3.4. Нити из коллоидных кристаллов и пористые волокна из прямых сборок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 3.5. 1D, 2D, 3D инверсные коллоидные кристаллы из трехмерных коллоидных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 3.6. Получение 3D металлических сферических коллоидных кристаллов на основе инверсных коллоидных кристаллов . . . . . . . . 450 4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 Глава 13. Одномерные полупроводниковые структуры с кристаллической решеткой типа вюрцита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 1. Синтез и изготовление одномерных наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 2.1. Метод газофазного осаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 2.2. Методы химического синтеза из растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 2.3. Совместные методы синтеза, включающие технику литографии . . . 461 3. Одномерные наноструктуры на основе оксидов металлов . . . . . . . . . . . . 463 3.1. Оксидные нанопроволоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 3.2. Оксидные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 3.3. Оксидные наноленты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472 3.4. Иерархическая наноструктура оксида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 4. Механизмы роста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 4.1. Каталитические процессы роста «пар-жидкость-кристалл» . . . . . . . 495 4.2. Самокаталитический механизм роста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Глава 14. Бионаноматериалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 2. Нановолокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 2.1. Нановолокна, полученные методом разделения фаз . . . . . . . . . . . . . 510
Оглавление 2.2. Трехмерные нановолокнистые макропористые каркасы . . . . . . . . . . 521 2.3. Получение нановолокон посредством электропрядения . . . . . . . . . . 524 3. Наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 3.1. Применение нанокомпозитных каркасов из полимера/гидроксиапатита в инженерии костных тканей . . . . . . 526 3.2. Наночастицы/наносферы для доставки биологически активных агентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534 4. Модификация поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 4.1. Методы модификации поверхности, применяемые в инженерии тканей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 4.2. Нанесение желатина на поверхность нановолокнистых PLLA каркасов . . . . . . . . . . . . . . . 540 5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 Глава 15. Низкотемпературные стадии в наноструктурных исследованиях . . . . . . . . 549 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 2. Термины, используемые в крио-ВРРЭМ водных систем . . . . . . . . . . . . . 550 3. Жидкая вода, лед и витрифицированная вода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 4. История развития низкотемпературной РЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 5. Аппаратура и методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 5.1. Внутрилинзовый крио-ВРРЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 5.2. Окололинзовый крио-ВРРЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559 5.3. Специальные приемы установки криообразца, используемые при низкотемпературной растровой микроскопии . . 560 Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574