МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
И ИССЛЕДОВАНИЯ
НАНОМАТЕРИАЛОВ
И НАНОСТРУКТУР
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО НАНОТЕХНОЛОГИЯМ
Учебное пособие
6-е издание, электронное
Под редакцией академика РАН,
доктора физико-математических наук, профессора
А. С. Сигова
Допущено
Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 222900
«Нанотехнологии и микросистемная техника»
Лаборатория знаний
2021
Москва
Стр.2
УДК 621.3+539.2+542
ББК 32.844.1+24.5я73
М54
Дроздова Н. М., Ежов А. А., Ершова Н. И., Лускинович П. Н.,
Панов В. И., Свитов В. И., Семин С. В., Стогний А. И.,
Федянин А. А., Щербаков М. Р.
Мишина Е. Д., Шерстюк Н. Э., Евдокимов А. А.,
Вальднер В. О., Григорьев С. А., Долгова Т. В.,
С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
А в т о р с к и й к о л л е к т и в:
М54
Методы получения и исследования наноматериалов и наноструктур.
Лабораторный практикум по нанотехнологиям : учебное
пособие / Е. Д. Мишина, Шерстюк Н. Э., Евдокимов А. А.
[и др.] ; под ред. А. С. Сигова. — 6-е изд., электрон. — М. : Лаборатория
знаний, 2021. — 187 с. — (Учебник для высшей школы). —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул.
экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-545-5
Представлены описания лабораторных работ для студентов 2–3-х курсов,
обучающихся по специальностям «Нанотехнологии в электронике»
и «Квантовая электроника». В ходе выполнения работ студенты ознакомятся
с некоторыми методами получения наночастиц и нанокомпозитов,
приобретут навыки работы с объектами нанометрового размера и овладеют
современными физико-химическими методами исследования. Каждый цикл
работ предваряется теоретическим введением, которое может играть роль
краткого конспекта лекций.
Для студентов, аспирантов, докторантов, преподавателей классических,
педагогических и технологических университетов, а также специалистов,
работающих над проблемами разработки и применения нанотехнологии.
УДК 621.3+539.2+542
ББК 32.844.1+24.5я73
Деривативное издание на основе печатного аналога: Методы получения
и исследования наноматериалов и наноструктур. Лабораторный практикум
по нанотехнологиям : учебное пособие / Е. Д. Мишина, Шерстюк Н. Э., Евдокимов
А. А. [и др.] ; под ред. А. С. Сигова. — 2-е изд., перераб. и доп. —
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 184 с. : ил. — (Учебник для высшей
школы). — ISBN 978-5-9963-0617-6.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных техническими средствами защиты авторских прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации
ISBN 978-5-93208-545-5
© Лаборатория знаний, 2015
Стр.3
Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Ч а с т ь 1. Получение наноразмерных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Получение наночастиц золота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Получение наночастиц серебра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Формы наночастиц золота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Формы наночастиц серебра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Абсорбционная спектроскопия как метод исследования
наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Оптические свойства растворов, содержащих наночастицы.
Поверхностный плазмонный резонанс и комбинационное
рассеяние. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Физико-химические основы процесса получения
оксида алюминия методом анодного окисления . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Р а б о т а 1.1. Формирование и оптические свойства
наночастиц золота. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Р а б о т а 1.2. Формирование, оптические свойства
и морфология наночастиц серебра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Р а б о т а 1.3. Формирование наночастиц платины. . . . . . . . . . . 35
Р а б о т а 1.4. Получение двумерных наноструктур оксида
алюминия методом анодного окисления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Ч а с т ь 2. Исследование наноструктур методами сканирующей
зондовой микроскопии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Основы методов СЗМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Общие принципы атомно-силовых микроскопов. . . . . . . . . . . . . . . 46
Общие принципы работы магнитно-силовых микроскопов . . . . . . 50
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Р а б о т а 2.1. Исследование поверхности методом
атомно-силовой микроскопии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Р а б о т а 2.2. Исследование магнитных свойств
поверхности методом атомно-силовой микроскопии . . . . . . . . 62
Ч а с т ь 3. Исследование наноструктур методом просвечивающей
электронной микроскопии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Общие принципы работы просвечивающих электронных
микроскопов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Стр.4
4
Оглавление
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Р а б о т а 3.1. Исследование наночастиц платины
на углеродном носителе методом просвечивающей
электронной микроскопии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Ч а с т ь 4. Оптические методы исследования наноструктур . . . . . . . . .77
Конфокальная микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Оптическая спектроскопия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Фотолюминесценция и наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Магнитооптические явления в наноструктурах. . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Оптические плазмонные метаматериалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Р а б о т а 4.1. Исследование топографии поверхности
наноструктур методом конфокальной микроскопии
и профилометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Р а б о т а 4.2. Исследование оптических свойств
наноструктур и фотонных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Р а б о т а 4.3. Изучение процессов фотолюминесценции
в наноразмерных полупроводниковых структурах
оксида цинка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Р а б о т а 4.4. Изучение линейного магнитооптического
эффекта Керра в наноструктурированных
ферромагнитных материалах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Р а б о т а 4.5. Наблюдение аномального
двулучепреломления и дихроизма в анизотропных
плазмонных метаматериалах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Ч а с т ь 5. Манипулирование нанообъектами и управление
наноперемещениями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
Физические принципы оптического манипулирования
одиночными микро- и наночастицами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Пьезоэффект и наноперемещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Р а б о т а 5.1. Манипулирование микро- и наночастицами
в оптическом пинцете. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Р а б о т а 5.2. Измерение управляемого перемещения
эталона в нанометровом диапазоне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Ч а с т ь 6. Обработка структур и изготовление устройств
с применением нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
Электронный перенос в природе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Принцип действия солнечных элементов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Механизм процесса плазмохимического травления . . . . . . . . . . . . 158
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Р а б о т а 6.1. Сборка солнечного элемента нового
типа с использованием нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Р а б о т а 6.2. СВЧ плазмохимическое травление
поверхности подложек и наноразмерных пленок. . . . . . . . . . . 166
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
Стр.5