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