НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ МНОГОПАРАМЕТРОВОЙ ДИАГНОСТИКИ НАНОЧАСТИЦ

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МЕТОДЫ МНОГОПАРАМЕТРОВОЙ
ДИАГНОСТИКИ НАНОЧАСТИЦ
Биленко Д.И.1, Галушка В.В.1, Галушка И.В.1, Карсакова Я.Д.1, Терин Д.В.1,2
1
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
2
Энгельсский технологический институт Саратовского государственного
технического университета имени Гагарина Ю.А.
E-mail: dibilenko@gmail.com
В развитии современной нанотехнологии прослеживаются две
основные тенденции - уменьшение размеров и увеличение сложности
нанобъектов. Физически и химически модифицированные атомы внешних
слоёв «исходного» зерна, присоединённые к ним ионы, атомы и
молекулярные комплексы из среды, в которой синтезировались, находились
и находятся частицы, создают оболочку. Совокупность свойств ядра и
оболочки определяющим образом влияют на структуру, энергетический
зонный спектр, химические и физические свойства образования. Фактически
объектом является неоднородная наночастица, а сложное образование,
которое в первом приближении можно рассматривать как систему,
образованную однородным ядром и окружающей его оболочкой. Это
порождает увеличение числа параметров, необходимых для описания
откликов на всё растущее многообразие внешних воздействий,
необходимость знания новых зависимостей связей откликов со строением
объектов и внешней средой.
Результаты ряда расчётов подобных структур, выполненных «из
первых принципов» рядом авторов и нами использованием пакета «Quantum
Wise», рис.1а и 1б. иллюстрируют сказанное. Ряд работ [1-3] подтверждают
существенное изменение свойств образований при вариации ядра и оболочек
частиц на атомарном уровне.
Установлено, что возможности таких расчётов даже для решения
прямых задач, как и экспериментального изучения таких систем
принципиально затрудняются рядом специфических явлений и факторов.
Высокие химическая и адсорбционная активность, как и неустойчивость
метастабильного состояния изучаемых систем, приводят к заранее не
предсказуемым изменениям их геометрии, структуры и свойств при
воздействии анализирующего агента и, или, изменении окружающей среды.
В качестве примеров приведём обнаруженные нами явления [4] - рост
диаметра PVP оболочки наночастиц серебра со скоростью более 2 нм/мин и
массоперенос серебра в системе Ag - AgI под воздействием электронного
луча в электронном микроскопе, иллюстрируемый рис. 2 а.
Априори неизвестные модификации исследуемых систем могут
происходить под воздействием квантов видимого и ультрафиолетового
излучений, сильных полей и механических воздействий, возникающих при
использовании зондовых методов. Анализирующие частицы и кванты с
высокой энергией вызывают изменение и образование новых слоёв, которые
приводят к артефактам, например, к искажению данных об элементном
составе при анализе рентгеновского излучения в растровой электронной
микроскопии (рис.2 б) [4].
Представляет интерес поиск и развитие методов, в которых
анализирующие агенты оказывали бы минимальное воздействие и обладали
возможностями многопараметрового определения свойств нанообъектов. В
докладе показано, что использование низкочастотной области спектра, в
которой энергия кванта меньше энергии метастабильного перехода, а период
колебаний больше времени релаксации импульса и периодов колебаний
частиц объекта, удовлетворяет этим требованиям и позволяет получать
многопараметровую информацию о свойствах нанообъектов.
Непосредственно измеряемыми являются образцы композитов,
образованные веществом связкой, в которой содержится известная объёмная
доля исследуемых частиц. Определяемой экспериментально является
частотная зависимость комплексной диэлектрической проницаемости
композита, по которой решением обратной задачи находят действительную и
мнимую
части
комплексной
диэлектрической
проницаемости
непосредственно нанообразований. Знание спектральных зависимостей и
последних позволяет определять спектральную зависимость ряда
неизвестных параметров нанообразований.
Избыточность экспериментальных данных позволяет судить о
соответствии моделей и предположений, заложенных в расчёт, исследуемым
объектам. Дисперсионные соотношения в рассматриваемом низкочастотном
диапазоне упрощаются и приобретают общность. В отличие от ряда работ
[5,6] нами учтена возможная зависимость действительной части
диэлектрической проницаемости компонентов от проводимости и времени
релаксации импульса носителей заряда. Установлено, что не только в
высокочастотной, но и в низкочастотной области компоненты комплексной
диэлектрической проницаемости композитов, содержащих нанообъекты
немонотонно и резонансно зависят от частоты и ряда параметров частиц размеров зерна и оболочки и их свойств, в частности проводимости. Это
иллюстрируется рис. 3.
Применение этих методов низкочастотной импедансометрии позволило
не только определить толщину оболочки наночастиц кремния, проводимость
зерна наночастиц, но и установить, что она зависит от частоты как ωn (n ~
1.8-2). Полученные результаты указывают на то, что механизм проводимости
в нанозернах отличается от свойственного монолитного кремния и
прыжковый характер.
Несомненным достоинством низкочастотных методов является
практическое отсутствие ряда артефактов свойственных электронной
микроскопии и методам использующих рентгеновское, ультрафиолетовое и
видимое излучение с hω<<kT и энергии изменения метастабильных
состояний.
Библиографический список
1. Thompson W.H. et al. The effect of ultrathin oxides on luminescent silicon
nanocrystallites // Appl. Phys. Lett. 1998. V.73, P.841.
б)
а)
Рис.1. Модель наночастицы кремния с гидрогенизированной
поверхностью (а) и плотность состояний в ней (б)
а)
б)
Рис 2 СЭМ изображение серебряных кластеров, образованных под
воздействием электронного облучения структуры AgI/Ag (а) и зависимость
изменения регистрируемого отношения азота к кремнию в Si3N4 от времени
анализа, вызванное образованием нанометрового углеродного слоя на
поверхности (б)
Рис. 3 Зависимость комплексной диэлектрической проницаемости композита
от частоты и толщины оболочки
2. Belomoin G. et al. Oxide and hydrogen capped ultrasmall blue luminescent Si
nanoparticles//Appl. Phys. Lett. 2000. V.77. P.779.
3. Nayfeh M. H. et al. Stimulated blue emission in reconstituted films of ultrasmall
silicon nanoparticles // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. P.1131.
4. Bilenko D. I. et al. Memristor structures based on tunel-thin organic dielectric
and porous silicon layers// Proc. Conf. Intern. conf. on Actual problems of electron
devices engineering (APEDE). Saratov. 2012. P. 436-437
5.Neeves A. E. et al. Composite structures for the enhancement of nonlinear-optical
susceptibility//J. Opt. Soc. Am. 1989. B V.6, P.787.
6 Buchelnikov V. D et al. Heating of metallic powders by microwaves: Experiment
and theory//J.Appl. Phys. 2008. 104. P.113505.
Вид доклада: устный