Современное использование трансмиссионной электронной микроскопии, интегрированной в платформу сканирующей зондовой микроскопии позволяет проводить беспрецедентно подробный наноразмерный анализ материалов.

Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) – это мощный инструментальный подход для структурного анализа материалов, однако in situ (без перемещения образца) наноразмерное изучение механических, электрических, термических свойств материала требует новых аппаратурных решений. Скнирующая зондовая микроскопия (СЗМ), включая скнирующую туннельную микроскопию (СТМ), атомную силовую микроскопию (АСМ), использование нано-инденторов для определения твердости материала – в состоянии охарактеризовать физические и механические свойства материала вплоть до атомных характеристик, но без воспроизведения особенностей структуры. Сочетание платформ ТЭМ-СЗМ, с полным использованием всех возможностей обоих методов привносит уникальные возможности в полном наноразмерном in situ изучении свойств материала с одновременным учетом корреляций изучаемых эффектов.

Джианью Хьянг (Jianyu Huang) из Sandia National Laboratories, например, успешно использовал такую технологию для параллельного изучения электрических и механических свойств углеродных нанотрубок. Он закрепил многостенную углеродную нанотрубку (МУНТ) между позиционирующей образец платформой и наконечником зонда сканирующего микроскопа, а затем регистрировал электрические и силовые показатели образца в условиях пропускания электрического тока вдоль МУНТ и разогрева образца до определенной температуры. Также были изучены особенности протекания процесса разрушения МУНТ изнутри – слой за слоем, проведенные с помощью ТЭМ. Одновременно с этими показателями каждые несколько секунд выполнялся снимок образца с помощью просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа.

На рисунке изображены МУНТ (слева) и ОУНТ (справа)

В своей работе, представленной на Пятьдесят Пятом Международном Симпозиуме, посвященном перспективным методам изображения (AVS 55th International Symposium & Exhibition), Хьянг описал методологию анализа изображений одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), растущих во внутреннем пространстве МУНТ, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Наложение множества полученных кадров, воспроизведенное в виде короткого видео-ролика, помогло ученым ответить на давно интересующий вопрос, касающийся образования нанотрубок: почему свободный конец растущих нанотрубок является закрытым (Sumio Iijima, пионер в изучении нанотрубок в Японии недавно сделал такое же наблюдение). Без понимания механизмов роста этих интереснейших углеродных наноструктур невозможно приступить к созданию нанотрубок с заданными свойствами, такими как структура или хиральность, важными в конструировании устройств на основе нанотрубок, таких как, например, полевые транзисторы.

В своих более ранних исследованиях Хьянг использовал ту же мощную технологию для наблюдения за растяжением углеродных нанотрубок и образованием и миграцией различных нежелательных пластических деформаций, а так же образованием фуллереновых структур внутри МУНТ. В сотрудничестве с Rice University была проведена математическая обработка полученных результатов и описаны основные принципы поведения нанотрубок в условиях смещения атомов.

Следующие направления исследований с использованием ТЭМ-СЗМ платформы будут посвящены изучению термических и термоэлектрических свойств нанотрубок.

Мария Костюкова