Рекомендуемая категория для самостоятельной подготовки:
Курсовая работа*
Код |
300674 |
Дата создания |
03 января 2014 |
Страниц |
15
|
Мы сможем обработать ваш заказ (!) 18 апреля в 12:00 [мск] Файлы будут доступны для скачивания только после обработки заказа.
|
Описание
Дисциплина называлась: Экспериментальные методы исследования. Структура и свойства наноматериалов. ...
Содержание
Введение
1.Основная часть
1.1 Сущность метода исследования, структуры, химического состава, механических, электрических, магнитных и других свойств наноматериалов
1.2 Используемое контрольно-измерительное оборудование
1.3 Описание результатов исследования
1.4.1 Общие сведения о наноплёнках
1.4.2 Область применения
1.4.3 Особенности метода получения
2. Заключение
3. Список используемой литературы
Введение
Сегодня трудно предвидеть все социальные последствия использования наноматериалов, также как в середине ХХ века трудно было предсказать, что повлекут за собой начавшиеся в то время исследования и разработки в области электроники и информатики.
Эффективность дальнейшего развития нанонауки и на базе ее – наноиндустрии во многом будет зависеть от того, насколько своевременно и качественно будет осуществляться подготовка специалистов соответствующих профилей. При этом организация подготовки научных и инженерных кадров должна иметь ряд особенностей, которые обусловлены следующими основными причинами.
Фрагмент работы для ознакомления
6 – апертурная диафрагма, 7 – селекторная диафрагма, 8 – промежуточная линза, 9 – проекционная линза, 10 – экран или фотопластинка
Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) состоит из следующих основных компонентов (рис. 2): зонд; пьезоэлектрические двигатели для прецизионного перемещения зонда над поверхностью исследуемого образца; генератор развертки, подающий напряжения на пьезоэлектрические двигатели, обеспечивающие сканирование зонда в горизонтальной плоскости (в направлениях x и y); электронный сенсор, детектирующий величину локального взаимодействия между зондом и образцом; компаратор, сравнивающий текущий сигнал в цепи сенсора V(t) с изначально заданным VS и, при его отклонении, вырабатывающий корректирующий сигнал Vfb; электронная цепь обратной связи, управляющая положением зонда повертикальной оси z; компьютер, управляющий процессом сканирования и получением изображения z(x,y).
Рис. 2. Общая схема сканирующего зондового микроскопа
1 – зонд, 2 – образец, 3 – пьезоэлектрические двигатели x, y, z, 4 – генератор напряжения развертки,
5 – электронный сенсор; 6 – компаратор; 7 – электронная цепь обратной связи; 8 – компьютер,
9 – изображение
В основе СЗМ-техники лежит детектирование локального взаимодействия, возникающего между зондом и поверхностью исследуемого образца при их взаимном сближении до расстояния ~ λ, где λ – характерная длина затухания взаимодействия “зонд-образец”. В зависимости от природы взаимодействия “зонд-образец” различают следующие основные виды микроскопов:
сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) – детектируется ток вторичных и отраженных электронов,
сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) – детектируется туннельный ток,
сканирующий силовой микроскоп (ССМ) – детектируется силовое взаимодействие,
сканирующий оптический микроскоп ближнего поля (СОМБП) – детектируется электромагнитное излучение.
1.3 Описание результатов исследования
Наночастицы, после нанесения их на поверхность, самоорганизуются в тончайшую пленку и прочно сцепляются с обработанной поверхностью. Если материал является гладким и поэтому невпитывающим, то частицы образуют тонкую гладкую пленку, которая просто-напросто отторгает жидкие субстанции вместе с грязью, жиром, известью и пр. На пористых поверхностях наночастицы проникают в поры и как бы выстилают их изнутри. Нанопленка существенно уменьшает или совсем предотвращает поражение материала грибками, лишайниками, водорослями, мхами пр., грязь и вода не проникают внутрь, а скатываются по поверхности, не нанося материалу вреда.
Подобным образом функционирует нанозащита при нанесении ее на ткань (как на натуральную, так и на синтетическую) – нанопленка обволакивает каждое отдельное волокно. Влага и грязь не проникают в волокна, а скатываются по поверхности. Очень приятно также, что обработанные материалы по-прежнему остаются нейтральными к Вашей коже.
Приблизительно через сутки (для гладких поверхностей и тканей) или через двое (для пористых поверхностей) формирование покрытия окончательно завершается и оно полностью проявляет свои антиадгедиозные (антиприлипающие) свойства. В результате нанесения нанопленки энергия поверхности настолько снижается, что жидкость и грязь не могут на ней удержаться и просто скатываются по ней. На вид и на ощупь поверхность остается прежней, ее воздухопроницаемость также не изменяется.
Уже через час после нанесения по обработанной поверхности можно уже ходить в мягкой обуви, транспортировать и использовать обработанные предметы.
Одним из преимуществ нанообработки является то, что в результате поверхность становится крайне устойчивой к механическим и химическим воздействиям. Она жаростойка – до 450°C, морозоустойчива, а также стабильна к ультрафиолетовому излучению. Приятным побочным эффектом является увеличение прочности поверхности и бОльшая устойчивость ее к царапинам, так что обычный механический износ, возникающий в результате повседневного пользования, становится практически незаметным. Проявления агрессивных воздействий окружающей среды на материал сводятся к минимуму. Наноформированные поверхности можно даже очищать при помощи очистителя высокого давления (макс. 50/60 bar). В зависимости от качества материала возможна очистка щеткой. Нанопленка сохраняет свои свойства около года, в зависимости от качества и изношенности обработанной поверхности.
1.4.1 Общие сведения о тонких наноплёнках.
К нанопленкам (нанопокрытиям) относятся двумерные образцы наноматериалов, которые характеризуются наноразмерной толщиной. Нанопленки могут быть подобны по строению объемным образцам наноструктурных материалов, в частности, им может быть присуща нанокристаллическая или нанокомпозиционная структура. Вместе с тем нанопленки в силу их наноразмерной толщины, могут значительно отличаться от объемных образцов по свойствам. Существуют разнообразные технологии получения нанопленок, которые аналогичны традиционным тонкопленочным технологиям. Среди них наиболее широкое распространение получили технологии осаждения вещества на подложку из парогазовой фазы или плазмы, а также из растворов. Кроме того, используются технологии обработки поверхности, основанные на таких процессах, как азотирование и гидрирование, обработка атомами бора или титана и т.п. В технологиях осаждения вещества на подложку из парогазовой фазы или плазмы толщина и структура пленки могут регулироваться за счет изменения параметров потока осаждаемых атомов. Разновидностью этих технологий является ионностимулированное осаждение, когда используется, помимо пучка атомов или молекул для создания материала пленки, пучок высокоэнергетических ионов или лазерное излучение для активации поверхности. При этом возникает дополнительная возможность варьировать толщину и структуру пленки за счет изменения состояния поверхности подложки. Среди технологий осаждения вещества на подложку из растворов особенно эффективно электролитическое (электрохимическое) осаждение, обеспечивающее расширенный спектр возможностей по регулированию параметров процесса осаждения.
На практике важная роль отводится технологиям осаждения, позволяющим получать эпитаксиальные нанопленки. Такие пленки формируются в процессе эпитаксии, т.е. в процесс роста, при котором кристаллическая решетка создаваемой пленки закономерно ориентирована относительно кристалла-подложки. Различают гомоэпитаксию, когда материалы пленок и подложки идентичны, и гетероэпитаксию, когда сочетаются разнородные вещества.
1.4.2 Область применения наноплёнок.
Фактически наноплёнки, как и любые другие наноматериалы могут применятся в любой сфере деятельности, будь то медицина, автопромышленность, военное дело, промышленность и др.
Магнитные нанопленки находят широкое применение при создании спинтронных наносистем. Практический интерес к магнитным нанопленкам обусловлен, прежде всего, проявлением в структурах на их основе спиновых эффектов. Наибольшее распространение получили магниторезистивные структуры, обладающие эффектом гигантского магнитосопротивления (ГМС). Их используют для создания высокочувствительных датчиков магнитного поля, способных реагировать на ничтожно малое изменение магнитного поля.
Алмазоподобные и керамические нанопленки обладают уникальным комплексом свойств – высокой твердостью и прочностью, износостойкостью, химической стойкостью, прочностью сцепления с подложкой, благодаря чему их эффективно применять в качестве защитных покрытий деталей машин, а также инструментов, работающих в условиях износа, сложных температурных нагрузок, агрессивных сред.
Японские ученые нашли новое применение ультратонкой нанопленке. Используемая ранее в качестве сверхтонких мембран или микроскопических сенсоров, пленка теперь послужит медицине. Разработка японских исследователей толщиной 20 нанометров способна свободно существовать, поддается биологическому разложению и, как выяснилось, превосходно заменяет хирургические нити, до сих пор применяющиеся для наложения швов.
В случае эксплуатации подшипников качения при контакте с абразивными и коррозионными средами в условиях, когда частота вращения рабочего органа не превышает 100 мин-1 при нагрузке до 100000 Н, целесообразно осуществить их замену парами трения скольжения с использованием полимерных вкладышей. По данным ГОСНИТИ применение полимеров снижает трудоемкость ремонта машин на 20…30 %, себестоимость работ на 15…20 %, сокращает расход черных и цветных металлов на 40…50 %.
Существенными недостатками данных конструкционных материалов являются низкая теплопроводность, невысокие показатели прочности и жесткости при сжатии и сдвиге, отсутствие термической стабильности в области высоких температур, изменение физико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.
Область рационального применения полимеров значительно расширяется при их армировании углеродными наноматериалами и металлическими нанопленками, нанесенными на порошковые носители, которые, играя роль наполнителя, оптимизируют износостойкость, прочность и теплостойкость полимерного нанокомпозита (ПНК). Уменьшение элементов наполнителя до наноразмера способствует увеличению их удельной поверхности и созданию прочной связи в зоне межфазного взаимодействия компонентов материала за счет возрастания способности к адсорбции, ионному и атомному обмену, контактным взаимосвязям.
1.4.3 Особенности метода получения
Для получения полупроводниковых нанопленок наиболее широко используются технологии химического осаждения из газовой фазы и молекулярно-лучевой эпитаксии, которые первоначально были разработаны для создания тонкопленочных элементов в изделиях микроэлектроники. 296
Химическое осаждение из газовой фазы применяется для создания полупроводниковых эпитаксиальных структур. Оно включает ориентированный рост монокристаллической пленки из материала, поступающего из газовой фазы, на подходящей для этих целей монокристаллической подложке. Газовая среда может содержать как пары кристаллизующегося материала, так и газообразные реагенты, способные в процессе химических реакций на подложке образовать необходимый для эпитаксиального роста материал. Осаждение пленок обычно проводится в проточных камерах, где газ-носитель, содержащий соответствующие реагенты, пропускается над нагретой монокристаллической подложкой. Химический состав, давление газа и температура подложки являются главными параметрами, контролирующими процесс осаждения и свойства осажденных пленок. Среди разнообразия методов проведения химического осаждения из газовой фазы использование металлорганических соединений в качестве исходных газообразных реагентов дает наилучший результат при создании совершенных сверхрешеток с резкой границей раздела и толщиной вплоть до одного монослоя. Термин ― металлорганика относится к обширной группе соединений, имеющих химические связи металл-углерод, а также металл-кислород-углерод и координационные связи между металлами и органическими молекулами. В практике химического осаждения пленок из металлорганических соединений преимущественно используются алкилы металлов с метиловой (CH3) и этиловой (C2H5) группами радикалов (большинство из них – это жидкости при комнатной температуре). Их вводят в реакционную камеру в потоке газа-носителя, предварительно насыщенного парами данного соединения в барботере, где газ-носитель проходит (пробулькивает) через жидкое металлорганическое соединение. Осаждение может проводиться как при атмосферном, так и при пониженном давлении реагентов в камере.
Молекулярно-лучевая эпитаксия появилась как развитие метода химического осаждения пленок в сверхвысоком вакууме. Отметим, что давление остаточных газов ниже 10-7 Торр считается высоким вакуумом, а область давлений 10-11 Торр и ниже относится к сверхвысокому вакууму. Длина свободного (без взаимных соударений) пробега атомов и молекул в таких условиях достигает десятков метров. При молекулярно-лучевой эпитаксии реагенты вводятся в рабочую камеру в виде молекулярных или атомных потоков. Эти потоки формируются испарением материала внутри замкнутой ячейки с очень малым выходным отверстием. Она называется эффузионной, или ячейкой Кнудсена. Испаренные внутри нее молекулы и атомы, выходя из отверстия малого диаметра в сверхвысокий вакуум, движутся без соударений, т.е. баллистически, создавая таким образом направленные хорошо коллимированные потоки частиц.
Для молекулярно-лучевой эпитаксии обычно используют несколько эффузионных ячеек – по одной ячейке на каждый конгруэнтно испаряющийся, (т.е. без нарушения стехиометрии), материал. Кроме ячеек для осаждения самих материалов должны быть также источники легирующих примесей. Наряду с испарением осаждаемого материала внутри эффузионной ячейки, молекулярные потоки могут формироваться по такому же принципу и из паров или газообразных соединений. Для этого их вводят в сверхвысоковакуумную камеру через специальные подогреваемые сопла.
Конструкция типичной установки для молекулярно-лучевой эпитаксии
схематично показана на рис. 3. Испаряемые из эффузионных ячеек соединения и легирующие примеси конденсируются на обогреваемой подложке. Вакуумный шлюз позволяет менять подложки, сохраняя сверхвысокий вакуум. Вращением подложки обеспечивается однородность состава и структуры напыляемых слоев, индивидуальная толщина которых может составлять от нескольких нанометров до долей микрона.
Рис. 8.2. Схема установки для молекулярно-
лучевой эпитаксии (вид сверху)
1 – экран; 2, 3 – соответственно заслонки и фланцы эффузионных ячеек; экраны;
5 – дифрактометр; 6 – заслонка; 7 – подложка на вращающемся держателе;
8 – ионизационный индикатор; 9 – шлюзовой клапан; 10 – вакуумный шлюз для смены образцов;
11 – смотровое окно; 12 – двигатель для вращения подложки
2. Заключение
В ходе выполнения данной курсовой работы мною было проработано множество статей, посвященных вопросам наноматериалов. После проделанной работы я пришел к следующим выводам:
Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипирование, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все сферы деятельности человека.
Уже сейчас, несмотря на достаточно большой провал в изучении наноматериалов, человек активно использует полученные им данные в повседневной жизни: медицине, армии, промышленности, электронике, а также многих других отраслях.
В ходе выполнения работы были рассмотрены общие сведения о тонких наноплёнках, проанализированные основные области применения, а так же особенности метода получения данного вида наноматериалов.
3. Список используемой литературы
1. Борисенко В.Е., Толочко Н.К.: Наноматериалы и нанотехнологии. Минск: Грант БРФИ, 2008. Глава 8.
Список литературы
1. Борисенко В.Е., Толочко Н.К.: Наноматериалы и нанотехнологии. Минск: Грант БРФИ, 2008. Глава 8.
2. Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника: Учеб. пособие для
студентов. В З ч. Ч. 2. Нанотехнология. Минск: БГУИР, 2003. 76 с.
3. Наноструктурные материалы: учеб. пособие для студ. высш. учеб.
заведений // Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. М.: Издательский центр
“Академия”, 2005. 192 с.
4. Борисенко В.Е. Наноэлектроника: Учеб. пособие для студентов. В З ч. Ч.1:
Основы наноэлектроники. Мн.: БГУИР, 2001. 48 с.
5. Пул – мл. Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. Пер. с англ. М.: Техносфера,
2006. 336 с.
6. Современная кристаллография (в четырех томах). Том 3. Образование
кристаллов. Чернов А.А., Гиваргизов Е.И.. Багдасаров Х.С. и др. М.: Наука,
1980. 407 с.
7. Гиваргизов Е.И. Кристаллические вискерыи наноострия // Природа, 2003,
№11.
8. Handbook of Nanotechnology. Bharat Bhushan (Ed.). 2nd edition. Springer
Science+Business Media, Inc. Le-TeX GbR, Leipzig, 2007. 1916 pp.
9. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Наноэлектроника: Учеб.
пособие для студентов. В З ч. Ч. 3. Перенос носителей заряда в
низкоразмерных структурах. Мн.: БГУИР, 2004. 88 с.
10. Федосюк В.М. Многослойные магнитные структуры. Минск: БГУ, 2000.
197 с.
11. Суздалев И.П. Нанотехнологии: физико-химия нанокластеров,
наноструктур и наноматериалов. М.: Комкнига, 2006. 592 с.
12. Нанотехнологии в электронике. Под ред. Чаплыгина Ю.А. М.:
Техносфера, 2005. 448 с.
Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.
* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.
bmt: 0.10436