Исследование сферических частиц полиметилметакрилата и искусственных опалов на их основе методом растровой электронной микроскопии

V. V. Kraev, G. G. Krushenko

CALCULATING AND ANALYTICAL METHOD OF CHOOSING ENVELOPES OF METALL FOR PROCESSING POWER-GENERATING SET COMPONENTS BY STOCK REMOVAL

The authors propose a calculating-analytical method of choosing the envelopes of metal for processing powergenerating set components by stock removal,which allows to reduce material consumption and also to reduce the labor intensiveness in production of the components and to decrease wear of tools.

Keywords: processing by stock removal, steel components, envelopes of metal.

© Краев В. В., Крушенко Г. Г., 2012

УДК 53.08:621.38

И. В. Немцев, А. В. Шабанов, О. В. Шабанова

ИССЛЕДОВАНИЕ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА И ИСКУССТВЕННЫХ ОПАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ МЕТОДОМ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Описывается получение сферических частиц полиметилметакрилата, осаждение этих частиц с образованием структуры опала, пропитка опалов прекурсором, отжиг с формированием структуры инверсного опала.

Ключевые слова: электронная микроскопия, полиметилметакрилат, искусственный и инверсный опалы.

Электронная микроскопия - это метод, позволяющий решать ряд задач, связанных с исследованием объектов размером от нескольких нанометров до нескольких микрон. В растровой электронной микроскопии (РЭМ) сфокусированный пучок электронов отклоняют с помощью магнита и сканируют по поверхности образца, подобно пучку электронов, пробегающих строку за строкой на экране телевизионной трубки. При этом детектируются низкоэнергетические (< 100 эВ, обычно 20-30 эВ) вторичные электроны, возникающие в результате взаимодействия сканирующего пучка с поверхностью твердого тела [1, с. 56].

Электронный микроскоп 85500 фирмы НйасЫ (с помощью которого проводились настоящие исследования) имеет следующие основные характеристики: разрешение 0,4 нм (при ускоряющем напряжении 30 кВ); максимальное увеличение 2 000 000*; возможность изменять ускоряющее напряжение от 0,5 до 30 кВ с шагом 1 кВ и ток зонда от 1 до 10 мА.

Целью данной работы было исследование размеров и морфологии сферических частиц полиметилме-такрилата (ПММА) и искусственных опалов, полученных на их основе.

Пробоподготовка для исследования сфер ПММА и изготовленных из них опалов с помощью РЭМ проводилась следующим образом. Низкоконцентрированная водная взвесь сфер наносилась на алюминиевый столик РЭМ и подвергалась сушке при температуре — 40-50 °С в течение 3-5 мин. В некоторых случаях на сферы и опалы напылялось золото, чтобы обеспечить сток заряда (ПММА - диэлектрик) и теплоотвод под электронным зондом, а также повысить контрастность изображения.

Затем с помощью РЭМ была получена серия электронных снимков сфер ПММА при различных увеличениях и оценены их размеры. Выяснилось, что под электронным зондом микроскопа сферы равномерно сжимаются, уменьшая свой диаметр на величину — 1/7 от первоначального. Так при увеличении *10& (измерения проводились при ускоряющем напряжении 1 кУ и токе 10 рА, что соответствует 0,01 Вт подводимой мощности; таким образом, плотность потока энергии составила от 1 до 30 мВт на 1рт2) размер сфер составил — 350 нм; при увеличении

*25 k----315 нм; при увеличении *50 k------- 300 нм;

при увеличении *200 k — 280 нм (рис. 1, 2).

Рис. 1. Сферы ПММА при увеличении в 10 000 крат

Вероятно, сферы внутри пористые, поэтому происходит их усадка, так как при локальном нагреве электронным зондом поры «схлапываются», и сфера под действием сил поверхностного натяжения уменьшает площадь поверхности.

283пт

35500 1.0кУ-0.1ттх200к ЭЕ 19/01/2011 12:38 ......... 200п'т'

Усадка сфер не может быть результатом какой-либо химической реакции (например, полимеризации), так как ПММА - это уже до конца прореагировавший полимер. Кроме того, через 1-2 мин непрерывного облучения сфера перестает менять геометрические размеры, это позволяет считать, что разложение органики под действием электронного пучка незначительно.

Так, в другом образце диаметр сфер ПММА уменьшился с 430 до 360 нм (рис. 3-5). Экспериментальным путем было установлено, что сферы сжимаются до определенных размеров, после чего сохраня-Рис. 2. Сферы ПММА при увеличении ют диаметр независимо от увеличения и времени выв 200 000 крат держки под электронным пучком.

Рис. 3. Сравнительные размеры сфер ПММА после воздействия электронного луча с различными плотностями токов

Рис. 4. Сферы ПММА при увеличении в 100 000 крат

Рис. 5. Сферы ПММА при увеличении в 200 000 крат

Из водных суспензий сферических частиц ПММА путем осаждения была сформирована матрица искусственного опала.

Известно, что шарам математически выгодно упаковываться в плотнейшую гексагональную упаковку (коэффициент заполнения ~ 0,74) [2]. Электронная микроскопия подтвердила теоретические расчеты касательно упаковки сфер в опале: она строго гексагональная (рис. 6).

Скомпонованные сферы подвергаются упрочнению с формированием инверсных опалов. Эта подготовка заключается в вакуумном проникновении в поры матрицы из сфер ПММА прекурсора (например,

алкозоля кремнезема, приготовленного из тетраэток-сисилана, раствора тетраэтоксититана в диэтиловом эфире или этилата олова) [3] и удалении шаблона прокаливанием.

Полный цикл прокаливания (сушка, обжиг для удаления ПММА и органических компонентов прекурсора, а также медленное, чтобы избежать растрескивания образцов, охлаждение) требует около 48 ч.

Сферы ПММА выгорают, образуя пустоты, а ксе-рогель БЮ2 образует стенки в инверсном опале. Полученная структура носит название «инверсный кварцевый опал» (рис. 7).

Рис. 6. Искусственный опал из ПММА при увеличении в 12 000 крат

Г Л

1 ї- | Щ ! я

«К

Т

>>

«к

35500 1.0кV 0 Ііпрі х50.0к ЗЕ 06/04/2011 16:24

І І!! І І I

ГООит

Рис. 7. Инверсный кварцевый опал

Рис. 8. Сферы ПММА

На рис. 8, 9 приведены электронные снимки сфер ПММА и полученного из них инверсного опала. Видно, что диаметр пор меньше диаметра осажденных сфер из-за усадки при отжиге.

В результате проведенного исследования предоставленных сфер ПММА и искусственных опалов на их основе с помощью растрового электронного микроскопа были получены следующие результаты:

- выявлено изменение размеров сфер под действием электронного пучка;

- исследована структура искусственных и инверсных кварцевых опалов;

Рис. 9. Инверсный кварцевый опал, полученный из сфер ПММА

- экспериментальным путем доказано, что упаковка сфер в опале - плотнейшая гексагональная.

Библиографические ссылки

1. Шабанова Н. А. Химия и технология нанодис-персных оксидов : учеб. пособие. М. : Академкнига, 2001.

2. Китайгородский А. И. Молекулярные кристаллы. М. : Наука, 1971.

3. Суйковская Н. В. Химические методы изучения тонких прозрачных пленок / отв. ред. Е. А. Подгорная. Л. : Химия, 1971.

I. V. Nemtsev, A. V. Shabanov, O. V. Shabanova

ELECTRON MICROSCOPY INVESTIGATION OF POLYMETHYLMETHACRYLATE SPHERICAL PARTICLES & ARTIFICIAL OPALS BASED ON IT

The authors describe production of spheric particles ofpolymethilmethacrilate by means of their sedimentation and following generation of solid opal-like structures, with following annealing and formation of inverse structure opal.

Keywords: field emission electron microscopy, polymethilmethacrilate, artificial and inverse opals.

© Немцев И. В., Шабанов А. В., Шабанова О. В., 2012

УДК 621.315.592

О. И. Подкопаев, А. Ф. Шиманский, П. С. Бычков, В. В. Вахрин

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНОГО КИСЛОРОДА НА ДЕФЕКТНУЮ СТРУКТУРУ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГЕРМАНИЯ

Методом ИК-Фурье-спектроскопии определено содержание оптически активного кислорода в монокристаллах полупроводникового германия различных марок. Установлена взаимосвязь концентрации кислорода и плотности дислокаций.

Ключевые слова: германий, монокристаллы, плотность дислокаций, ИК-Фурье-спектроскопия, содержание кислорода.

Монокристаллы германия с минимальным содер- для эпитаксиальных АШ-ВУ оптико-электронных

жанием дефектов, прежде всего дислокаций, имеют структур, которые используются для изготовления сол-

колоссальную перспективу в связи с развитием полу- нечных элементов на основе систем Оа1пР/Оа1пА8/Ое,

проводниковых нанотехнологий. Такие кристаллы являющихся эффективными фотопреобразователями,

востребованы в фотоэлектронике в качестве подложек имеющими КПД выше 39 %. Бездислокационный