Методы диагностики и анализа наносистем

Methods of diagnostics 
and analysis of nanosysteMs

laboratory practical course

Stavropol
Publisher
North Caucasus Federal University

2023

UDC  539: 621.0 (075.8)
BBК  22.383.5 в7 я73

М 54

Published by the decision 
of the Editorial and Publishing Council 
North Caucasus Federal 
University

© North Caucasus 
Federal University, 2023

М 54 
Methods of diagnostics and analysis of nanosystems: Laboratory 
practical course / I. M. Shevchenko, M. A. Yasnaya, A. V. Blinov,  
A. A. Blinova,  A. G. Ispiryan.  –  Stavropol: Publisher NCFU,  
2023. – 186 p.

The grant is made according to requirements of Federal state educational standard 
of the higher education (FGOS BO 3 ++) according to the working curriculum and 
the working program of discipline «Methods of diagnostics and the analysis of 
nanosystems»; in it the laboratory works containing short theoretical data on subjects 
of works, methodical instructions on their performance, plans of drawing up the 
report, control questions and tasks for the studied subject, the recommended literature 
are presented.
It is intended for the students studying in the direction of training of bachelors 
28.03.02 Nanoengineering, orientations (profile) «Diagnostics of materials and 
nanosystems in the industry».

UDC 539: 621.0 (075.8)
BBК 22.383.5 в7 я73

Authors-compilers :
Ph. D., Assoc. Prof. I. M. Shevchenko, 
Ph. D.,  Assoc. Prof. M. A. Yasnaya, 
Ph. D., , Assoc. Prof. A.V. Blinov, 
Ph. D., , Assoc. Prof. A. A. Blinova, 
Ph. D., , Assoc. Prof. A. G. Ispiryan

Reviewers:
Ph. D., , Assoc. Prof. S. A. Kunikin,
Ph. D., , Assoc. Prof. O. A. Dyudyun 
(Stavropol State Medical University)

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ 
И АНАЛИЗА НАНОСИСТЕМ 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Ставрополь
Издательство
Северо-Кавказского федерального университета

2023

УДК  539: 621.0 (075.8)
ББК  22.383.5 в7 я73

М 54

Печатается по решению 
редакционно-издательского совета 
Северо-Кавказского 
федерального университета

© Северо-Кавказский 
федеральный университет, 2023

М 54 
Методы диагностики и анализа наносистем: учебное пособие (лабораторный практикум) / И. М. Шевченко, М. А. Ясная, 
А. В. Блинов, А. А. Блинова, А. Г. Испирян.  – Ставрополь: Изво СКФУ, 2023. – 186 с.

Пособие составлено в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования (ФГОС ВО 3++) 
в соответствии с рабочим учебным планом и рабочей программой дисциплины 
«Методы диагностики и анализа наносистем»; в нем представлены лабораторные работы, содержащиe краткие теоретические сведения по темам работ, методические указания по их выполнению, планы составления отчета, контрольные 
вопросы и задания по изучаемой теме, рекомендуемую литературу.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 
бакалавров 28.03.02 Наноинженерия,  направленности (профиль) «Диагностика материалов и наносистем в промышленности».

УДК 539: 621.0 (075.8)
ББК 22.383.5 в7 я73

Составители:
канд. техн. наук, доцент И. М. Шевченко,
канд. хим. наук, доцент М. А. Ясная,
канд. техн. наук, доцент А. В. Блинов,
канд. техн. наук, доцент А. А. Блинова,
канд. физ.-мат. наук, доцент А. Г. Испирян

Рецензенты:
канд. физ.-мат. наук, доцент С. А. Куникин,
канд. хим. наук, доцент кафедры О. А. Дюдюн
(Ставропольский государственный медицинский университет)

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие ........................................................................................................6

 
Лабораторные работы

 
1. Лабораторный практикум по технике безопасности 
 
 
в аналитической лаборатории  .......................................................7

 
2.  Технология подготовки сканирующих зондовых 
 
 
микроскопов NTEGRA «Aura»; «Prima»; «Максимум» 
 
 
к работе  ..............................................................................................12

 
3.  Подготовка и технология работы сканирующих зондовых 
 
 
микроскопов NTEGRA «Aura»; «Prima»; «Максимум», 
 
 
в полуконтактном режиме сканирования  ................................47

 
4.  Технология получения изображения в атомно-силовой 
 
 
микроскопии с помощью учебно-научного комплекса 
 
 
НАНОЭДЮКАТОР II .....................................................................69

 
5.  Количественный анализ и обработка полученного СЗМ 
 
 
изображения с помощью программного обеспечения 
 
 
атомно-силового микроскопа НАНОЭДЮКАТОР II  ............95

 
6.  Эллипсометрические методы исследования толщины 
 
 
тонких пленок  ................................................................................111

 
7.  Методика исследования концентрации связанного 
 
 
водорода с помощью ИК Фурье-спектрометра 
 
 
ФСМ-1201; 1211  .............................................................................121

 
8.  Методика анализа определение оптической ширины 
 
 
запрещенной зоны с помощью спектрофотометра 
 
 
СФ-56  ...............................................................................................140

 
Приложение А.
 
Форма протокола определения оптической ширины 
 
запрещенной зоны  .......................................................................153

 
9.  Идентификация структуры материала методом 
 
 
комбинационного рассеяния света  ..........................................154

 
Приложение А (обязательное). 
 
Типичные спектры КРС углеродсодержащих пленок  .........181

- 6 
Методы диагностики и анализа наносистем

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум к выполнению лабораторных работ 
составлен в соответствии с требованиями ФГОС ВО, рабочих 
учебных планов по программе бакалавриата, программы дисциплины «Методы диагностики и анализа наносистем», и включает теоретическое обоснование, методику и порядок выполнения 
лабораторных работ, указание по технике безопасности (ТБ), 
перечень контрольных вопросов, рекомендованную литературу.
Основной целью изучения данной дисциплины является 
формирование у обучающихся компетенции ОПК-3 и соответствующие индикаторы ИД-1 ОПК-3; ИД-2 ОПК-3 через ознакомление студентов с основами теоретических и практических 
методов диагностики и анализа микро- и наносистем. 
Методы исследования материалов микро- и наносистем является фундаментом современного материаловедения. В настоящее время имеется огромное число методов диагностики и 
исследования самых разных характеристик изучаемых систем. 
Поэтому:
• 
при их применении необходимо учитывать специфику 
объектов нанометровой геометрии и особенности, протекающих в них процессов;
• 
диагностика наносистем и наноматериалов должна обеспечивать наиболее полную информацию об их основных характеристиках и о протекающих в них процессах.
• 
изучение структуры материалов с нанометровым пространственным разрешением;
• 
изучение особенностей поведения и свойств наносистем, 
наноустройств, наноматериалов.
При изучении дисциплины на лабораторных занятиях используются междисциплинарное и проблемное обучения в малых группах.  

- 7 
Лабораторная работа 1

1. Лабораторный практикум 
 
по технике безопасности 
 
в аналитической лаборатории

Цель работы: получить знания, теоретических и практических основ безопасной работы в аналитических лабораториях, 
а также уметь оценивать и контролировать риски уменьшать их 
либо полностью устранять.  
В результате выполнения лабораторной работы студенты 
должны:
• 
знать: теоретические основы правил безопасной работы 
в аналитических лабораториях, а также правила безопасной работы с электрооборудованием; 
• 
уметь: организовывать безопасную работу в соответствии с проведенным инструктажем; 
• 
владеть: навыками безопасной работы в аналитичеких 
лабораториях; способностью демонстрировать знания в 
данной области и готовностью использовать их в чрезвычайной ситуации.

Теоретическая часть

Студенты, начавшие изучать дисциплину «Методы диагностики и анализа наносистем» допускаются к выполнению лабораторных только после прохождения вводного инструктажа о 
соблюдении мер безопасности и после собеседования по вопросам техники безопасности. Проведение всех видов инструктажа 
регистрируется в журнале. 
Проведение вводного инструктажа, контроль выполнения правил техники безопасности во всей лаборатории и ведение журнала инструктажа осуществляет преподавателем или инженером 
(лаборантом), которые прикреплены к данной лаборатории.
Все студенты, работающие в лаборатории, должны находится 
в ней в необходимой спецодежде: белом халате из хлопчатобумажной ткани; при необходимости применять фартуки, средства 
индивидуальной защиты глаз и рук.  

- 8 
Методы диагностики и анализа наносистем

Условия эксплуатации аналитического оборудования 
Аналитическое оборудование является высокоточными приборами. Существует ряд условий, необходимых для его корректной работы.
1.  Температура окружающей среды: 20 ± 5°C.
2.   Дрейф температуры: не более 1°C в час.
3.   Относительная влажность: не более 80%.
4.   Атмосферное давление: 760 ± 30 мм. рт. ст.
5.   Электрическая сеть с напряжением 110/220 B (+10%/15%), 50/60 Гц и заземлением.
6.  Рабочее помещение должно быть защищено от механических вибраций и акустических шумов как внутренних, 
так и внешних.
7.  Приборы должны быть защищен от воздействия прямых 
солнечных лучей.
При работе с высокоточным оборудованием следует соблюдать следующие правила безопасности:
1.   В основном все высокоточное оборудование, для анализа 
наноматериалов использует высокое напряжение. Следует соблюдать правила безопасной работы с высоковольтными приборами.
2.   Следует не допускать попадание жидкостей во внутренние 
части приборов. Может произойти короткое замыкание.
3.   Соединение электрических разъемов следует производить только при полностью отключенном питании прибора. Существует риск получения электротравмы, а также нанесения повреждений прибору.
4.  При наличии оптических систем с использованием лазерного излучение и не только. Следует не допускать попадания лазерного луча в органы зрения.

Требование в соответствии с инструкцией 
перед началом работы 
Перед началом работы необходимо соблюдать следующие 
правило:
• 
привести в порядок спецодежду, а именно халат и рукава 
на нем застегнуть волосы убрать под облегающий головной убор;

- 9 
• 
проверить исправность приборов на рабочем месте и наличие четких надписей на бутылях и склянках с реактивами;
• 
проверить освещение рабочего места. 
Перед работой с электроприборами и электрооборудованием 
необходимо проверить:
• 
диэлектрические коврики – внешний вид которых не имеет дефектов в виде проколов, надрывов и трещин. Диэлектрические коврики должны быть чистыми и сухими;
• 
целостность изолирующих рукояток инструментов;
• 
наличие и целостность заземления (зануления) электрооборудования;
• 
наличие ограждений токоведущих частей электроустановки.

Требование в соответствии с инструкцией 
во время работы
 
• 
во время работы необходимо выполнять только те задачи, которые поставлены преподавателем в соответствии 
с учебным планом;
• 
соблюдать правило перемещения в помещении;
• 
использовать лабораторное оборудование только по назначению;
• 
знать химические и физические свойства анализируемого 
материала, продуктов реакции, химических реактивов, особенно их токсичность, огнеопасность и взрывоопасность;  
• 
уметь пользоваться первичными средствами пожаротушения; 
• 
не приступать к работе с неизвестными веществами и химическими реактивами (на всех емкостях с химическими реактивами и химическими растворами должны быть 
этикетки с четкими надписями).
При работе с электрооборудованием в лабораториях студенту 
запрещается:
• 
прикасаться к открытым токоведущим частям и корпусам 
электрооборудования, кабелям, проводам;
• 
класть на электрические щитки, пульты управления, электрические машины и пускатели какие-либо предметы;
• 
вскрывать защитные кожуха пусковой аппаратуры и проникать за ограждения распределительных устройств.

Лабораторная работа 1

- 10 
Методы диагностики и анализа наносистем

При обнаружении повреждения электроприборов, электропроводки, распределительных устройств необходимо немедленно прекратить работу и сообщить о случившемся преподавателю либо инженеру (лаборанту) лаборатории.

Требование в соответствии с инструкцией 
в аварийных ситуациях
 
Во время работы могут возникнуть следующие аварийные 
ситуации:
• 
возникновение пожара, взрыва;
• 
поражение электрическим током;
• 
попадание кислоты или щелочи на кожу или в глаза;
• 
выделение или образование едких, ядовитых, огне- или 
взрывоопасных веществ.
При возникновении аварийной ситуации студент обязан прекратить работу, немедленно сообщить о случившемся либо инженеру (лаборанту) лаборатории.
Все помещения лаборатории должны соответствовать требованиям электробезопасности при работе с электроустановками 
по ГОСТ 12.1.019-79, а так же пожаробезопасности в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91 [1] и иметь средства пожаротушения 
по ГОСТ 12.4.009-83. 

Требование в соответствии 
с инструкцией по окончанию работы 

После окончания работы необходимо выключить оборудование, а также удалить из помещения отходы горючих и огнеопасных веществ, отработанные жидкости (сливы), мусор, загрязненную ветошь, перекрыть общий газовый и водопроводный 
краны, отключить электропитание. Снять спецодежду, привести 
ее в порядок и убрать в шкаф. Тщательно вымыть лицо и руки с 
мылом или очищающей пастой. 

Задания для выполнения лабораторной работы
1. 
Прохождения вводного инструктажа о соблюдении мер 
безопасности.