Методы получения и исследования наноматериалов и наноструктур. Лабораторный практикум по нанотехнологиям

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
И ИССЛЕДОВАНИЯ
НАНОМАТЕРИАЛОВ
И НАНОСТРУКТУР

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО НАНОТЕХНОЛОГИЯМ

Учебное пособие

6-е издание, электронное

Под редакцией академика РАН,
доктора физико-математических наук, профессора
А. С. Сигова

Допущено
Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 222900
«Нанотехнологии и микросистемная техника»

Москва
Лаборатория знаний
2021

УДК 621.3+539.2+542
ББК 32.844.1+24.5я73
М54
С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
А в т о р с к и й к о л л е к т и в:
Мишина Е. Д., Шерстюк Н. Э., Евдокимов А. А.,
Вальднер В. О., Григорьев С. А., Долгова Т. В.,
Дроздова Н. М., Ежов А. А., Ершова Н. И., Лускинович П. Н.,
Панов В. И., Свитов В. И., Семин С. В., Стогний А. И.,
Федянин А. А., Щербаков М. Р.

М54
Методы получения и исследования наноматериалов и наноструктур. Лабораторный практикум по нанотехнологиям : учебное пособие / Е. Д. Мишина, Шерстюк Н. Э., Евдокимов А. А.
[и др.] ; под ред. А. С. Сигова. — 6-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2021. — 187 с. — (Учебник для высшей школы). —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул.
экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-545-5
Представлены описания лабораторных работ для студентов 2–3-х курсов, обучающихся по специальностям «Нанотехнологии в электронике»
и «Квантовая электроника». В ходе выполнения работ студенты ознакомятся с некоторыми методами получения наночастиц и нанокомпозитов,
приобретут навыки работы с объектами нанометрового размера и овладеют
современными физико-химическими методами исследования. Каждый цикл
работ предваряется теоретическим введением, которое может играть роль
краткого конспекта лекций.
Для студентов, аспирантов, докторантов, преподавателей классических,
педагогических и технологических университетов, а также специалистов,
работающих над проблемами разработки и применения нанотехнологии.
УДК 621.3+539.2+542
ББК 32.844.1+24.5я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Методы получения
и исследования наноматериалов и наноструктур. Лабораторный практикум
по нанотехнологиям : учебное пособие / Е. Д. Мишина, Шерстюк Н. Э., Евдокимов А. А. [и др.] ; под ред. А. С. Сигова. — 2-е изд., перераб. и доп. —
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 184 с. : ил. — (Учебник для высшей школы). — ISBN 978-5-9963-0617-6.

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 978-5-93208-545-5
© Лаборатория знаний, 2015

 Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Ч а с т ь 1. Получение наноразмерных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Получение наночастиц золота  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Получение наночастиц серебра  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Формы наночастиц золота  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Формы наночастиц серебра  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Абсорбционная спектроскопия как метод исследования  
наночастиц  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Оптические свойства растворов, содержащих наночастицы. 
Поверхностный плазмонный резонанс и комбинационное 
рассеяние. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Физико-химические основы процесса получения 
оксида алюминия методом анодного окисления  . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Р а б о т а 1.1. Формирование и оптические свойства 
наночастиц золота. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Р а б о т а 1.2. Формирование, оптические свойства 
и морфология наночастиц серебра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Р а б о т а 1.3. Формирование наночастиц платины. . . . . . . . . . . 35
Р а б о т а 1.4. Получение двумерных наноструктур оксида 
алюминия методом анодного окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Ч а с т ь 2. Исследование наноструктур методами сканирующей 
зондовой микроскопии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Основы методов СЗМ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Общие принципы атомно-силовых микроскопов. . . . . . . . . . . . . . . 46
Общие принципы работы магнитно-силовых микроскопов . . . . . . 50

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Р а б о т а 2.1. Исследование поверхности методом 
атомно-силовой микроскопии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Р а б о т а 2.2. Исследование магнитных свойств 
поверхности методом атомно-силовой микроскопии  . . . . . . . . 62

Ч а с т ь 3. Исследование наноструктур методом просвечивающей 
электронной микроскопии   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

Общие принципы работы просвечивающих электронных
микроскопов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Оглавление

Оглавление

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 
Р а б о т а 3.1. Исследование наночастиц платины 
на углеродном носителе методом просвечивающей 
электронной микроскопии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Ч а с т ь 4. Оптические методы исследования наноструктур   . . . . . . . . .77

Конфокальная микроскопия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Оптическая спектроскопия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Фотолюминесценция и наноструктуры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Магнитооптические явления в наноструктурах. . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Оптические плазмонные метаматериалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Р а б о т а 4.1. Исследование топографии поверхности 
наноструктур методом конфокальной микроскопии 
и профилометрии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Р а б о т а 4.2. Исследование оптических свойств 
наноструктур и фотонных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Р а б о т а 4.3. Изучение процессов фотолюминесценции 
в наноразмерных полупроводниковых структурах 
оксида цинка  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Р а б о т а 4.4. Изучение линейного магнитооптического 
эффекта Керра в наноструктурированных 
ферромагнитных материалах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Р а б о т а 4.5. Наблюдение аномального 
двулучепреломления и дихроизма в анизотропных 
плазмонных метаматериалах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Ч а с т ь 5. Манипулирование нанообъектами и управление 
наноперемещениями   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134

Физические принципы оптического манипулирования 
одиночными микро- и наночастицами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Пьезоэффект и наноперемещения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Р а б о т а 5.1. Манипулирование микро- и наночастицами 
в оптическом пинцете. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Р а б о т а 5.2. Измерение управляемого перемещения 
эталона в нанометровом диапазоне  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Ч а с т ь 6. Обработка структур и изготовление устройств 
с применением нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155

Электронный перенос в природе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Принцип действия солнечных элементов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Механизм процесса плазмохимического травления  . . . . . . . . . . . . 158

Контрольные вопросы   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Р а б о т а 6.1. Сборка солнечного элемента нового 
типа с использованием нанотехнологий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Р а б о т а 6.2. СВЧ плазмохимическое травление 
поверхности подложек и наноразмерных пленок. . . . . . . . . . . 166

Литература   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181

Целью данного цикла лабораторных работ для студентов 2–3 курсов, обучающихся по специальности «Нанотехнологии в электронике», является практическое освоение навыков получения и анализа основных свойств наноструктурированных материалов.
Знакомство с нанотехнологиями начинается с изучения физических и химических способов получения наноматериалов. В практикуме рассмотрен химический способ получения наночастиц золота 
и серебра. Эти элементы — модельные объекты в нанотехнологии 
(например, количество работ по получению наночастиц золота и 
исследованию свойств материалов на их основе превышает число 
публикаций по наночастицам всех остальных металлов вместе взятых). Есть и эстетическая сторона опыта: в течение 15-минутного 
кипячения раствора (восстановление ионов AuCl4 и образование 
наночастиц золота) цвет реакционной смеси изменяется от слабожелтой до темно-синей, далее фиолетовой и окончательно рубиново-красной (наночастицы Au) окраски.
Изготовление большинства использующихся на практике видов 
наноструктур и фотонных кристаллов в настоящее время сопряжено с жесткими требованиями к чистоте производства, а также 
с необходимостью применения высокоточного дорогостоящего 
оборудования, предполагающего, в свою очередь, специальное обучение персонала. Проведение лабораторного практикума с использованием таких технологий изготовления наноструктурированных 
материалов, как магнетронное и высокочастотное распыление, 
травление фокусированным ионным пучком, электронная и ионная литография и т. п., потребовало бы значительных временных и 
финансовых затрат, что не представляется возможным в условиях, 
ограниченных учебным планом и временем занятий. В связи с этим 
для изучения принципов изготовления наноструктурированных 
материалов и исследования их свойств были выбраны методики, 

Введение

Введение

позволяющие полностью выполнить задания практикума за установленное время и не требующие специальной подготовки.
Цикл работ состоит из четырех основных разделов:
• получение наноразмерных структур (часть 1);
• исследование физических свойств наноструктур и от дель ных 
наночастиц (части 2, 3 и 4);
• манипулирование нанообъектами и управление наноперемещениями (часть 5);
• формирование контролируемых наноструктур и создание 
устройств с применением нанотехнологий (часть 6).
Одной из основных сложностей, с которыми приходится сталкиваться в процессе изготовления наноматериалов, является необходимость контроля их основных структурных параметров по 
показаниям приборов. Правильно подобранные технологические 
параметры обеспечивают требуемое качество, в то время как даже 
незначительные отклонения от установленных требований могут 
привести к существенному изменению свойств. В связи с этим 
приобретение навыков работы с приборами в условиях, строго 
ограниченных технологическими требованиями изготовления 
наноструктур, является одной из основных методических задач 
практикума. Этой цели посвящена лабораторная работа по изготовлению двумерных структур оксида алюминия методом анодного 
окисления (первая часть практикума).
В лабораторной работе, приведенной во второй части практикума, проводится исследование структуры полученных студентами 
образцов с использованием метода сканирующей зондовой микроскопии — одного из наиболее мощных современных методов исследования с высоким разрешением, освоение принципов работы 
с которым является обязательным при изучении курса «Материалы 
и методы нанотехнологий».
Еще одним методом, дающим информацию о микроструктуре 
твердых тел (качественно отличающуюся от информации, полученной методом сканирующей электронной спектроскопии), является  просвечивающая  электронная микроскопия. Исследование, 
прививающее навыки работы на просвечивающем электронном 
микро скопе, представлено в третьей части практикума.
Особое значение имеет изучение оптических свойств упорядоченных и неупорядоченных наноструктур. Наиболее перспективные приложения упорядоченных наноструктур связаны с их 
фотонно-кристаллическими свойствами. Область применения 
фотонных кристаллов очень широка, многие прогнозы развития 

Введение 
7

технологий связывают будущее современной электроники именно 
с фотонными кристаллами. Работы, посвященные исследованию 
оптических свойств наноструктур и фотонных кристаллов, представлены в четвертой части. В них студент знакомится с повсеместно распространенным методом оптической спектроскопии.
Студентам предстоит ознакомиться и с возможностями оптического манипулирования одиночными нано- и микрочастицами. 
Уникальной особенностью изучаемой в пятой части практикума 
методики оптического пинцета является возможность исследования свойств отдельных частиц без учета влияния ближайшего окружения, что не реализуемо в большинстве традиционных методик.
Наконец, работы шестой части посвящены непосредственно 
обработке наноструктур и изготовлению устройств на их основе. 
Выполнив работу 6.1, студент сможет получить солнечный элемент 
«на коленке», понимая при этом процессы на наноуровне, а работа 6.2 познакомит его с использованием вакуумных методов в обработке поверхности и пленок на наноразмерном уровне.
Лабораторные работы предваряются теоретическим введением, которое может играть роль и краткого конспекта лекций по 
данной теме. Здесь приведены физические принципы измерений 
контролируемых параметров, принципиальные схемы и конкретные методики измерений, а также рекомендации по обработке 
результатов измерений.

Вещество, находящееся в наноразмерной модификации, существенно отличается по многим механическим, термодинамическим, магнитным и электрическим характеристикам от объемных 
материалов. Например, наночастицы золота обладают каталитическими, ферромагнитными, настраиваемыми оптическими свойствами, способностью к самосборке. Они хорошо поглощают и 
рассеивают свет, нетоксичны, химически стабильны, биосовместимы, что делает их перспективными материалами для создания 
целого спектра приборов — от средств диагностики до различных 
сенсоров, устройств волоконной оптики и компьютерных наносхем 
[1–9]. Благодаря указанным свойствам наночастицы золота могут 
играть роль удобного, легко доступного, универсального модельного объекта для ознакомления с основными методами и понятиями 
науки о наносистемах.

Получение наночастиц золота

Для синтеза наночастиц золота можно использовать цитратный 
метод. Отличительной особенностью этого метода, который будет 
реализован при выполнении работы 1.1, является то, что цитратион одновременно выступает в роли стабилизатора и восстановителя, поэтому концентрация этих ионов играет критическую роль: 
ее изменение одновременно влияет и на скорость восстановления, 
и на процессы роста частиц. Суммарно реакцию можно выразить 
уравнением:
2АuСl3 + 3Na3C6H5O7 = 

                   = 2Au + 3Na2C5H4O5 + 3CO2 + 3NaCl + 3HC1,

если принять, что окисление цитрата идет до ацетондикарбоксилата и углекислоты [1].

Ч а с т ь  1
Получение 
наноразмерных структур

Получение наночастиц серебра 
9

Получение наночастиц серебра

Существуют разнообразные методики получения наночастиц 
серебра. Серебро более активный и реакционноспособный металл, 
чем золото. Для него значительно сложнее получить наночастицы 
с узким распределением по размерам, устойчивых длительное время. Решить эти проблемы можно правильной разработкой синтеза и подбором подходящего стабилизатора. Использование 
наночастиц серебра в медицинской практике требует применения методов синтеза «зеле ной» химии, исключающих реагенты, 
вредные для окружающей среды. Кроме того, частицы, применяемые в медицине, должны быть гидрофильными, так как они 
используются в водной среде. При этом необходимо отметить, что 
одной из основных трудностей получения наночастиц серебра 
в водных средах является малая концентрация образующихся наночастиц — менее 10–4 моль/л.
Цитратный метод получения наночастиц золота, разработанный Туркевичем [10], применим и к получению наночастиц серебра [10–13]. Одними из первых принципиальную возможность 
восстановления ионов Ag+ цитратом продемонстрировали Ли 
и Майсель [11]. Но так как серебро более активный металл, чем 
золото 
, синтез наночастиц серебра 
происходит более сложно из-за способности серебра к быстрому 
окислению и агрегации. Для усиления устойчивости коллоидных 
растворов серебра наночастицы необходимо стабилизировать. 
В цитратном методе получения наночастиц и восстановителем, 
и стабилизатором служит цитрат-ион, получаемый при растворении в воде трехзамещенной натриевой соли лимонной кислоты. 
При нагревании раствора и окислении цитрат-иона образуется 
ацетондикарбоновая и итаконовая кислоты. Эти кислоты адсорбируются на поверхности частиц и контролируют их рост.'

   СН2СООН    
СН2СООН 
СН2СООН

НО—С—СООН 
С=СН2 
С=О

   СН2СООН 
СООН 
СН2СООН

Лимонная 
Итаконовая 
Ацетондикарбоновая
кислота 
кислота 
кислота

Ч а с т ь  1. Получение наноразмерных структур

В настоящее время предложены два механизма, объясняющие 
образование и рост наночастиц серебра:

1. 
;

2. 
R
восстановление
конденсация
коагуляция
Ag
Ag
Ag
Ag
x
m
n .

Здесь Agx — кластеры атомов серебра (<1 нм); Agm — первичные наночастицы, стабилизированные цитратом (~1 нм); Agn — конечные 
наночастицы; R — восстановитель.
И по первому, и по второму механизму сначала образуются 
кластеры атомов серебра, которые затем взаимодействуют со 
стабилизатором (цитратом) и конденсируются, образуя более 
крупные частицы. По достижении размера ~1 нм конденсация 
кластеров больше не происходит, и процессы роста наночастиц 
по первому и второму механизмам начинают различаться.
В первом случае концентрация стабилизатора оказывается 
достаточной, и дальнейший рост частиц происходит за счет восстановления ионов серебра на поверхности наночастиц. При 
этом увеличение размеров частиц происходит медленнее, что 
приводит к образованию устойчивых коллоидных растворов наночастиц, в основном сферической формы.
Во втором случае концентрация цитрата оказывается недостаточной, чтобы предотвратить агрегацию кластеров. Это приводит 
к образованию наночастиц большого диаметра.
Анализ литературных данных показывает, что в том случае, 
когда цитрат натрия является и стабилизатором, и восстановителем, процесс формирования наночастиц становится особенно 
чувствительным к условиям синтеза. Большое влияние на размеры 
наночастиц оказывает соотношение концентраций ионов серебра и 
цитрат-иона, а также время кипячения раствора и скорость смешения реагентов. «Разнесенность» во времени процесса нуклеации и 
роста частиц является основным условием формирования монодисперсных золей. Одномоментное введение раствора восстановителя в реакционную среду приводит к так называемому «взрывному» 
механизму нуклеации, тогда как при порционном введении оба 
процесса идут параллельно.
В работе [14] исследовалось влияние соотношения концентраций соли серебра и цитрата натрия и условий проведения 
синтеза на механизм образования наночастиц, их размеры и