ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО НАНОТЕХНОЛОГИЯМ
МОСКВА 2008 г.
ББК 32.844.1+24.5
П 53
УДК 621.3.049.77+539.2
Рецензенты: д.т.н., проф. П. А. Арсеньев, д.х.н. В. А. Кецко
П 53 Коллектив авторов. Под общей редакцией А.С. Сигова. Получение и исследования наноструктур:Лабораторный практикум по нанотехнологиям / Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» М., 2008. 116 стр.
В лабораторном практикуме по нанотехнологиям представлены описания лабораторных работ для студентов 2-3 курсов, обучающихся по специальности «Нанотехнологии в электронике».
Авторы выполняют поставленную цель работы – ознакомить студентов с некоторыми методами получения наночастиц, нанокомпозитов, дать студентам навыки работы с объектами нанометрового размера, помочь овладеть современными физико-химическими методами исследования в лабораторном практикуме, закрепить теоретические знания, полученные на лекциях и практических занятиях. Отдельные задачи могут быть использованы при проведении лабораторных работ по курсам «Химия», «Теоретические основы прогрессивных технологий». Каждой задаче предшествует небольшое теоретическое введение по данной теме.
Табл.4, Ил.53, Библиогр.31.
Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.
ISBN 978-5-7339-0682-9
©Авторы
© МИРЭА, 2008
ВВЕДЕНИЕ
Целью данного курса лабораторных работ для студентов 2-3 курсов, обучающихся по специальности «Нанотехнологии в электронике» по дисциплинам «Химия-2(нанохимия)» и «Материалы и методы нанотехнологий» является практическое освоение студентами навыков получения и анализа основных свойств наноструктурированных материалов. Знакомство с нанотехнологиями начинается с получения наноматериала. Есть две группы способов получения нанообъектов: физические и химические. В практикуме представлен химический способ получения нанозолота и наносеребра. Эти элементы – модельные объекты в нанотехнологии(количество работ по получению наночастиц золота и исследованию его свойств превышает число публикаций по наночастицам всех остальных металлов вместе взятых). Есть и эстетическая сторона опыта: в течение 15 минут кипячения раствора(восстановление иона AuCl4 - и образование наночастиц золота) цвет реакционной смеси изменяется от слабо желтой окраски на темно-синюю, далее фиолетовую и окончательно рубиново-красную (наночастицы Au). Изменение цвета раствора связано со структурными превращениями, происходящими в системе, которые можно синхронно показывать. на экране дисплея.
Изготовление большинства использующихся на практике видов наноструктур и фотонных кристаллов в настоящее время сопряжено с жесткими требованиями к чистоте производства, а также с необходимостью использования высокоточного дорогостоящего оборудования, предполагающего, в свою очередь, специальное обучение персонала. Проведение лабораторного практикума с использованием таких технологий изготовления наноразмерных 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 занятия. В связи с этим для изучения принципов изготовления и исследования свойств наноструктурированных материалов были выбраны методики, позволяющие полностью выполнить задания практикума за установленное время и не требующие специальной предварительной подготовки.
Модуль состоит из четырех лабораторных работ, последовательность выполнения которых включает в себя: 1) изготовление наноструктур, 2) исследование их структурных и функциональных характеристик, 3) исследование свойств отдельных наночастиц.
Одной из основных сложностей, с которыми приходится сталкиваться в процессе изготовления наноматериалов, является необходимость проведения контроля качества и основных структурных параметров изготавливаемых структур по показаниям приборов, использующихся в технологическом процессе. Правильно подобранные параметры изготовления обеспечивают требуемое качество, в то время как даже незначительные отклонения от установленных требований могут привести к существенному искажению 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 травления.
В следующей л абораторной работе проводится исследование структуры образцов, полученных студентами, с использованием методики зондовой микроскопии. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из наиболее мощных современных методов исследования с высоким пространственным разрешением морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела и наноструктур на этой поверхности, освоение принципов работы с которым является неотъемлемой частью изучения курса «Материалы и методы нанотехнологий».
Пятая лабораторная работа посвящена изучению оптических свойств упорядоченных и неупорядоченных наноструктур. Наиболее перспективные приложения упорядоченных наноструктур связаны с их фотонно-кристаллическими свойствами. Область применения фотонных кристаллов очень широка; а многие прогнозы развития технологий связывают будущее современной электроники именно с фотонными кристаллами. Оптические свойства наноструктур и фотонных кристаллов на их основе являются определяющими для возможного применения этих материалов. Данная работа основана на наиболее популярной методике исследования оптических свойств наноматериалов – оптической спектроскопии.
В ходе выполнения шестой лабораторной работы студентам предстоит ознакомиться с физическими основами оптического манипулирования одиночными нано- и микрочастицами. Уникальной особенностью изучаемой в данной работе методики оптического пинцета является возможность исследования свойств одиночных частиц без учета влияния ближайшего окружения, что не представляется возможным в большинстве традиционных методик.
Есть отдельный модуль(задачи 7 и 8) по получению солнечных батарей.
Первая работа – дает навыки по изготовлению солнечного элемента «на колене», но с применением наноуровня для понимания процессов, вторая – знакомит с использованием вакуумных методов в обработке поверхности и пленок на наноуровне (СВЧ).
Каждая работа предваряется подробным теоретическим введением, которое может играть роль краткого конспекта лекций по данной теме. После теоретического введения даны описания физических принципов измерения исследуемых параметров, принципиальных схем и конкретных методик измерений, а также рекомендации по обработке результатов измерений.
Работа 1. CИНТЕЗ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА
Нанотехнология – это качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами: в наноразмерном состоянии изменяются многие механические, термодинамические, магнитные и электрические характеристики. Например, наночастицы золота, в отличие от объёмного золота, обладают каталитическими, ферромагнитными, настраиваемыми оптическими свойствами, способностью к самосборке. Они хорошо поглощают и рассеивают свет, нетоксичны, химически стабильны, биосовместимы. Их интенсивная окраска уже используется для детектирования, визуализации и количественного определения биомедицинских объектов [1-7]. Золотые наночастицы перспективны для создания целого спектра приборов – от средств диагностики до различных сенсоров, волоконной оптики и компьютерных наносхем [8-9]. Благодаря указанным свойствам наночастицы золота могут играть роль удобного, легко доступного, универсального модельного объекта для ознакомления с основными методами и понятиями нанонауки.
Цель работы: синтезировать в водном растворе сферические наночастицы золота и исследовать их свойства в качестве электролитного сенсора, ознакомиться с основными понятиями метода абсорбционной спектроскопии и изучить оптические свойства растворов синтезированных наночастиц.
Применяемое оборудование: магнитная мешалка с подогревом MR Hei-Standard, спектрофотометр Т-70+.
Стеклянная химическая посуда: термостойкий стаканчик на 100 мл, стаканчик на 50 мл – 2 шт., пипетки на 2 и 5 мл, стеклянный пузырек с крышкой на 50 мл, пробирки – 4 шт., магнитик в термостойкой оболочке.
Растворы: дистиллированная вода, 0,001 М раствор HAuCl4, 1%-ный раствор цитрата натрия (Na3C6H5O7), 1М раствор NaCl, 1М раствор сахара.
Подготовка к выполнению лабораторной работы: ознакомиться с правилами техники безопасности при работе с химическими реактивами;освоитьправила и технику безопасной работы с магнитной мешалкой с подогревом (1000 С) (см. инструкцию!!!); изучить принцип устройства спектрофотометра и правила работы на нем (см. инструкцию!!!); освоить правила использования компьютерной программы для расчета размера частиц (см. описание), изучить разделы, рекомендованные в библиографическом списке.