Просвечивающая электронная микроскопия. Формирование и рост нанокластеров золота в объеме углеродной матрицы

1.

Лекция 12 Просвечивающая электронная микроскопия. Формирование и
рост нанокластеров золота в объеме углеродной матрицы за счет
локального нагрева электронным пучком. Механизм Лифшица-Слёзова.
Сканирующая туннельная спектроскопия.
ИМПУЛЬСНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ
(ИЛО)
in situ в СВВ ( 10-9 Торр) камере;
ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ
МИКРОСКОПИЯ (ПЭМ)
ex situ ( JEM 2000 EX JEOL)
Сверхвысоковакуумный электронный
спектрометр XSAM-800

2.

Формирование исходного образца (ИЛО)
Растворение NaCl и анализ методом ПЭМ
h~5 нм
h~15 нм
nAu ≈ 4.5 *1021 cм-3

3.

ПЭМ изображения образца 50x50 нм2
Начальный снимок
Аморфная пленка
углерод
t = 42 мин.
t = 1 мин.
Появление
зародышей Au
t = 64 мин.
Деградация пленки С
t = 23 мин.
Рост кластеров
t = 86 мин.

4.

Кинетика роста кластеров Au в матрице углерода.
Распределения по размерам f(d) нанокластеров Au, сформированных в
углеродной пленке под воздействием электронного пучка, для трех
значений времени облучения: 22 мин., 41 мин. и 107 мин. (а); зависимость
среднего размера нанокластеров <d> от времени облучения t (б)

5.

Кинетика роста кластеров Au в матрице углерода.
4.5 *1021 cм-3
Зависимость объемной плотности нанокластеров N (а) и концентрации
атомов Au в кластерах (б) от времени t облучения образца электронным
пучком. Пунктирной линией показана полная концентрация атомов Au в
образце, измеренная методом ОРР

6.

Основные процессы при взаимодействии электронов
с веществом в ПЭМ
плазмоны 20 эВ фононы 0,1 эВ

7.

Характеристические потери энергии первичных электронов
Плазмоны
σPl ~ 10-18 cм2
EPl=20 эВ
E0=200 кэВ,
j=1 A/см2
Фононы
σPh ~ 10-22 cм2
EPh=0.1 эВ
h ~ 15 нм
Вт-ые электроны
σFSE ~ 5*10-21 cм2
EFSE=100 – 10 000 эВ
Оже электроны
σKLL ~ 10-20 cм2
EOже=274 эВ(C - KLL)
Экспериментальное подтверждение
Ei j σinh =εσ SB T 4
i
Вт
;
4
2
К см
n ~ 1023 см 3 ; 0.8
σ SB ~ 5.8 10 12
ΔT ~ 100-200 K
T = 500 K
t = 5 мин.
Под пучком
t =12 мин.

8.

Влияние температуры на фазовое состояние
системы Au-C
[Диаграммы состояния двойных металлических систем.
Том 1. Под редакцией академика РАН Н.П. Лякишева]
Фазовая диаграмма
С в Au
Атомы Au образую фазу
ΔT=100 - D растет в 105 раз
>
С~1,% ат
СAu~10,%ат

9.

Рост кластеров по механизму Лифшица -Слезова
k BTc0 (0) 1
N (t ) 0.5
D m c t
1/3
Rc (t ) 8
c0 Dc t
Rc (0) 9 k BT
2 c m
Rc (0)
k BT (с0 c )
2
m
N плотность кластеров
Rc критический радиус кластера
Rc (0) критический размер зародыша
vm объем атома Au (~ 10 10 24 см3 )
c0 начальная концентрация атомов Au (~ 4.5 10 21 см 3 )
коэффициент поверхностного натяжения Au (~ 1000 эрг / см 2 )
c равновесная концентрация для плоской поверхности раздела фаз

10.

Описание роста нанокластеров Au при нагреве
в рамках механизма Лифшица-Слезова.
d
3
8 m2 3
dc c0 Dc t
9 kBT
D=1.6x10-15 см2/с
Ea ~ 1.2 эВ