eng
Выпуск #4/2017
И.Яминский, Г.Мешков, А.Ахметова
Методы наноскопии в исследовании углеродных материалов и биополимеров
Методы наноскопии в исследовании углеродных материалов и биополимеров
Просмотры: 3703
С целью установления взаимосвязи между локальной структурой поверхности углеродных и полимерных материалов и их электрофизическими свойствами разработана установка для совмещенной атомно-силовой и сканирующей капиллярной микроскопии, позволяющая изучать морфологию и свойства 2D наноразмерных структур, а также проводить их контролируемое нанесение.
УДК 621.385.833
ВАК 05.11.13
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.46.51
УДК 621.385.833
ВАК 05.11.13
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.46.51
Теги: scanning capillary microscopy scanning probe microscopy surface nanostructure наноструктура поверхности сканирующая зондовая микроскопия сканирующая капиллярная микроскопия
Двухмерные наноразмерные структуры на основе углеродных материалов и биополимеров перспективны для создания энергонакопителей. При разработке и последующей диагностике таких наноструктурированных материалов целесообразно использовать методы и аппаратуру сканирующей зондовой микроскопии. В настоящей работе предложена экспериментальная установка для совмещенной капиллярной, электрохимической и пьезоэлектрохимической микроскопии поверхности материалов. С помощью этой аппаратуры можно проводить детальный анализ физико-химических свойств поверхностей, например, наноструктурированной поверхности графита. Одновременно ее можно использовать для направленной доставки требуемых реагентов на выбранный участок поверхности средствами ион-проводящей микроскопии с применением многоканального капиллярного зонда [1].
Изготовление капилляров проводилось на установке P-1000 Pipette Puller компании Sutter Instrument в подобранных режимах (рис.1). Для контроля выходного диаметра нанокапилляра применялся просвечивающий электронный микроскоп LEO 912 АВ компании Zeiss.
Разработка совмещенного атомно-силового и капиллярного микроскопов осуществлялась на базе многофункционального сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" и быстродействующего атомно-силового микроскопа "ФемтоСкан Х" (рис.2).
При управлении и обработке данных использовалось программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [2]. Рабочее окно программы представлено на рис.3.
Технические параметры экспериментальной установки приведены в таблице.
Возможности экспериментальной установки:
• атомно-силовая микроскопия;
• сканирующая резистивная микроскопия;
• сканирующая капиллярная микроскопия;
• пьезоэлектрическая микроскопия;
• пьезоэлектрохимическая микроскопия;
• нанолитография.
Примеры различной геометрии рисунков, выполненных на высокоориентированном пиролитическом графите, представлены на рис.4. Благодаря использованию методики локального анодного окисления получены поверхностные наноструктуры, состоящие из проводящих областей графита и диэлектрических включений оксида графита. Локальное электрическое сопротивление, измеренное с помощью проводящего зонда атомно-силового микроскопа в режиме сканирующей резистивной микроскопии, варьируется от единиц Ом для областей графита до 100 МОм для оксида графита.
Создание литографического рисунка на поверхности графита или других материалов – кремния, титана, алюминия – в случае локального анодного окисления происходит с участием молекул О2, H2O и др., находящихся в окружающей среде. При этом эффективность локального анодного окисления, как было показано ранее [3], существенно зависит от влажности воздуха.
Для контролируемой доставки веществ, например окислителей и катализаторов, в заданную область поверхности требуется кварцевый или стеклянный нанокапилляр с выходным отверстием нанометрового диаметра. Для изготовления нанокапилляров использовались трубки из боросиликатного стекла с внешним и внутренним диаметрами 1,0 и 0,58 мм соответственно. В зависимости от условий нагрева, скорости и усилия вытяжки были получены нанокапилляры с выходным отверстием 10–100 нм. Электрическое сопротивление капилляра конической формы, заполненного электролитом с удельным сопротивлением ρ, можно оценить с помощью формулы:
R= ρL/πr1 r2,
где L – длина капилляра, r1 и r2 – диаметры входного и выходного отверстий. Для капилляра с L = 2 см, r1 = 0,58 мм и r2 = 10 нм, заполненного физиологическим раствором (ρ = 62,6 Ом · см), электрическое сопротивление составляет около 690 МОм. Если диаметр нанокапилляра увеличить до 100 нм, то электрическое сопротивление падает до 6,9 МОм.
При использовании двухканального капилляра один из каналов служит для доставки реагента, а другой – для позиционирования нанокапилляра над поверхностью образца.
На рис.5 представлены изображения нанесенных на поверхность графита фосфолипидных пленок. Проведенные измерения показали, что локальное электрическое сопротивление таких пленок толщиной около 5 нм на несколько порядков больше, чем у чистой поверхности графита.
При исследовании 2D наноразмерных структур катализаторов и энергонакопителей необходимо получать не только данные о топографии поверхности, но и измерять совокупность электрофизических параметров. Один из таких параметров – локальное электрическое сопротивление. В сканирующей резистивной микроскопии измеряемое сопротивление R зависит от удельного сопротивления локального приповерхностного участка и от радиуса применяемого зонда. Сопротивление цепи для простейшей модели может быть описано формулой:
R= Rзонда+ρ/2πr,
где ρ – удельное сопротивление поверхности образца, r – радиус зонда. Сопротивление зонда Rзонда незначительно и в процессе измерений, как правило, не изменяется.
В случае локального контакта экспериментальная установка позволяет проводить следующие измерения:
• зависимость тока от прикладываемого напряжения I(U) (вольт-амперная характеристика);
• зависимости тока от частоты прикладываемого сигнала с выбранной амплитудой напряжения I(ω,U) (амплитудно-частотная характеристика).
Для проведения таких измерений предусмотрена подача сигнала в диапазоне от –10 до 10 В с частотой в диапазоне от единиц гигагерц до 10 МГц. Перестройка сигнала по частоте осуществляется с помощью платы генератора на основе цифрового синтезатора частоты AD7008. Точность установки частоты – 0,01 Гц. Величина регистрируемого тока находится в диапазоне 1 пА – 100 нА.
При исследовании энергонакопителей установка позволяет проводить измерения токов заряда и разряда. При этом область контакта определяется радиусом кантилевера или диаметром выходного отверстия нанокапилляра.
Нанокапилляры могут использоваться для транспортировки различных материалов, таких как золотые наночастицы, белки и другие химические соединения. Одновременно, как уже указывалось, они могут служить для сканирования с наноразрешением и электрофизических измерений. Преимущества данной технологии очевидны при сканировании биологических объектов, так как сила взаимодействия между нанокапилляром и образцом может быть меньше, чем на обычном атомно-силовом микроскопе. Можно расширить возможности нанокапилляров и сделать их ион-селективными, что позволит определять локальные концентрации ионов натрия, калия, кальция и др.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-29-06290 "Разработка новых методов наноскопии для определения и направленной модификации строения, физико-химических и электрофизических характеристик 2D наноразмерных структур для энергонакопителей и катализаторов на основе углеродных материалов и биополимеров".
ЛИТЕРАТУРА
1. Синицына О.В., Яминский И.В. Сканирующая капиллярная микроскопия // Медицина и высокие технологии. 2016. № 4. С. 20–21.
2. Яминский И.В., Филонов А.С., Синицына О.В., Мешков Г.Б. Программное обеспечение ФемтоСкан Онлайн // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 2(64). С. 42–46.
3. Sinitsyna O.V., Meshkov G.B., Yaminsky I.V. A novel tool for the local anodic oxidation of graphite // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: Journal of Nanoengineering and Nanosystems. 2010. Vol. 223. P. 133–138.
Изготовление капилляров проводилось на установке P-1000 Pipette Puller компании Sutter Instrument в подобранных режимах (рис.1). Для контроля выходного диаметра нанокапилляра применялся просвечивающий электронный микроскоп LEO 912 АВ компании Zeiss.
Разработка совмещенного атомно-силового и капиллярного микроскопов осуществлялась на базе многофункционального сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" и быстродействующего атомно-силового микроскопа "ФемтоСкан Х" (рис.2).
При управлении и обработке данных использовалось программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [2]. Рабочее окно программы представлено на рис.3.
Технические параметры экспериментальной установки приведены в таблице.
Возможности экспериментальной установки:
• атомно-силовая микроскопия;
• сканирующая резистивная микроскопия;
• сканирующая капиллярная микроскопия;
• пьезоэлектрическая микроскопия;
• пьезоэлектрохимическая микроскопия;
• нанолитография.
Примеры различной геометрии рисунков, выполненных на высокоориентированном пиролитическом графите, представлены на рис.4. Благодаря использованию методики локального анодного окисления получены поверхностные наноструктуры, состоящие из проводящих областей графита и диэлектрических включений оксида графита. Локальное электрическое сопротивление, измеренное с помощью проводящего зонда атомно-силового микроскопа в режиме сканирующей резистивной микроскопии, варьируется от единиц Ом для областей графита до 100 МОм для оксида графита.
Создание литографического рисунка на поверхности графита или других материалов – кремния, титана, алюминия – в случае локального анодного окисления происходит с участием молекул О2, H2O и др., находящихся в окружающей среде. При этом эффективность локального анодного окисления, как было показано ранее [3], существенно зависит от влажности воздуха.
Для контролируемой доставки веществ, например окислителей и катализаторов, в заданную область поверхности требуется кварцевый или стеклянный нанокапилляр с выходным отверстием нанометрового диаметра. Для изготовления нанокапилляров использовались трубки из боросиликатного стекла с внешним и внутренним диаметрами 1,0 и 0,58 мм соответственно. В зависимости от условий нагрева, скорости и усилия вытяжки были получены нанокапилляры с выходным отверстием 10–100 нм. Электрическое сопротивление капилляра конической формы, заполненного электролитом с удельным сопротивлением ρ, можно оценить с помощью формулы:
R= ρL/πr1 r2,
где L – длина капилляра, r1 и r2 – диаметры входного и выходного отверстий. Для капилляра с L = 2 см, r1 = 0,58 мм и r2 = 10 нм, заполненного физиологическим раствором (ρ = 62,6 Ом · см), электрическое сопротивление составляет около 690 МОм. Если диаметр нанокапилляра увеличить до 100 нм, то электрическое сопротивление падает до 6,9 МОм.
При использовании двухканального капилляра один из каналов служит для доставки реагента, а другой – для позиционирования нанокапилляра над поверхностью образца.
На рис.5 представлены изображения нанесенных на поверхность графита фосфолипидных пленок. Проведенные измерения показали, что локальное электрическое сопротивление таких пленок толщиной около 5 нм на несколько порядков больше, чем у чистой поверхности графита.
При исследовании 2D наноразмерных структур катализаторов и энергонакопителей необходимо получать не только данные о топографии поверхности, но и измерять совокупность электрофизических параметров. Один из таких параметров – локальное электрическое сопротивление. В сканирующей резистивной микроскопии измеряемое сопротивление R зависит от удельного сопротивления локального приповерхностного участка и от радиуса применяемого зонда. Сопротивление цепи для простейшей модели может быть описано формулой:
R= Rзонда+ρ/2πr,
где ρ – удельное сопротивление поверхности образца, r – радиус зонда. Сопротивление зонда Rзонда незначительно и в процессе измерений, как правило, не изменяется.
В случае локального контакта экспериментальная установка позволяет проводить следующие измерения:
• зависимость тока от прикладываемого напряжения I(U) (вольт-амперная характеристика);
• зависимости тока от частоты прикладываемого сигнала с выбранной амплитудой напряжения I(ω,U) (амплитудно-частотная характеристика).
Для проведения таких измерений предусмотрена подача сигнала в диапазоне от –10 до 10 В с частотой в диапазоне от единиц гигагерц до 10 МГц. Перестройка сигнала по частоте осуществляется с помощью платы генератора на основе цифрового синтезатора частоты AD7008. Точность установки частоты – 0,01 Гц. Величина регистрируемого тока находится в диапазоне 1 пА – 100 нА.
При исследовании энергонакопителей установка позволяет проводить измерения токов заряда и разряда. При этом область контакта определяется радиусом кантилевера или диаметром выходного отверстия нанокапилляра.
Нанокапилляры могут использоваться для транспортировки различных материалов, таких как золотые наночастицы, белки и другие химические соединения. Одновременно, как уже указывалось, они могут служить для сканирования с наноразрешением и электрофизических измерений. Преимущества данной технологии очевидны при сканировании биологических объектов, так как сила взаимодействия между нанокапилляром и образцом может быть меньше, чем на обычном атомно-силовом микроскопе. Можно расширить возможности нанокапилляров и сделать их ион-селективными, что позволит определять локальные концентрации ионов натрия, калия, кальция и др.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-29-06290 "Разработка новых методов наноскопии для определения и направленной модификации строения, физико-химических и электрофизических характеристик 2D наноразмерных структур для энергонакопителей и катализаторов на основе углеродных материалов и биополимеров".
ЛИТЕРАТУРА
1. Синицына О.В., Яминский И.В. Сканирующая капиллярная микроскопия // Медицина и высокие технологии. 2016. № 4. С. 20–21.
2. Яминский И.В., Филонов А.С., Синицына О.В., Мешков Г.Б. Программное обеспечение ФемтоСкан Онлайн // НАНОИНДУСТРИЯ. 2016. № 2(64). С. 42–46.
3. Sinitsyna O.V., Meshkov G.B., Yaminsky I.V. A novel tool for the local anodic oxidation of graphite // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part N: Journal of Nanoengineering and Nanosystems. 2010. Vol. 223. P. 133–138.
Отзывы читателей
