http://www.scribd.com/doc/7485976/Nanomateriale-manual (Elemente de Nanotehnologii_manual)

http://www.scientia.ro/tehnologie/123-nanotehnologie.html

Metode analitice pentru Nanotehnologii

Creşterea industriei ingineresti de micro-şi nano a condus la creşterea cererii pentru metodele de analiză şi de caracterizare pentru aceste materiale si sisteme. De exemplu, nano-produsele cu suprafaţă de arie si volum sunt mai sensibile la impurităţi şi micro contaminari în timpul prelucrării, decât produsele cu geometrie mare, care rezultă din defecte şi a randamentului de pierdere in timpul producerii. Noi metode de fabricare, materiale şi procese au, în general, aceleaşi preocupări, care anterior au existat pentru tehnologiile avansate (de exemplu, curăţenia, contaminarea, randamentul, fiabilitatea, etc). Asadar,l vom demostra câteva metodele ce au contribuţii faţă de analiza ce pot duce la rezolvarea unor probleme în timpul fabricării şi fiabilității si la caracterizarea unor noi materiale Aceste tehnici includ:  scanning electron microscope (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS).

Caracterizarea materialelor de dimensiuni din ce în ce mai mici este o parte critică a multor industrii de fabricare, inclusiv a semiconductorilor, optoelectronicii, auto şi aerospaţiale. Toate aceste industrii folosesc tot mai mult dimensiuni mici şi controlate mai bine procesele, ca parte a evoluţiei tradiţionale din procesul de fabricaţie faţă de caracteristicile mai mici, mai uşoare, mai rapide sau mai puternic, în funcţie de aplicaţie lor. Partea superioara a aspectului evolutiv al contrastuluii dimensional este utilizarea de "noi" materiale sau "noi", procese, care ar putea transporta propriile lor proprietăţi noi sau idei de proiectare care nu au fost întâlnite.

Produsele din lumea nanotehnologiei au numeroase utilizări astăzi şi, bineînţeles, aplicaţii şi mai mult în viitor. De exemplu: loţiuni de soare, riduri fără ţesături, sisteme de vopsire cu nanoparticule, şi nano-compozite de umplere încorporat sunt deja pe piaţă. Utilizările viitoare ale nanotehnologiei promit beneficii potenţiale, prin dezvoltarea unor tehnologii mai eficiente energetic şi de purificare a apei, nanotehnologie consolidată. In partea de sus a acestei liste de beneficii aşteptate şi potenţiale sunt preocupări ca urmare a expunerii nanoparticulelor în mediu. Un alt subiect de îngrijorare este faptul că nanomaterialele caracteristice pentru a spori randamentul şi fiabilitatea produsului funcţional. Tehnologiile emergente sunt acceptabile numai pentru industrie, când producătorul poate face produsul în volum ridicat fără deşeuri semnificative pentru un profit rezonabil, şi atunci când încrederea consumatorilor în produs oferă o oportunitate de piaţă corespunzătoare.

La prima vedere, metodele de analiză tradiţionale şi alte caracterizari pot fi gândite în imposibilitatea de a face faţă la diminuarea aparent brusca in dimensiuni la scara nanometrica. Multe metode de caracterizare a materialelor bine stabilite pot fi aplicate la nanomateriale, cu modificarea minimă a procedurilor stabilite analitice. Acest lucru este de multe ori în virtutea faptului că cel puţin unul (sau eventual mai multe) dintre dimensiunile zonei de analiză sunt deja în apropierea scalei nanometri (sau mai mici). Scopul este de a demonstra capacitatea de tehnici analitice disponibile pentru a contribui cu succes la scala nanometrică de caracterizarea a materialelor, conducând astfel la o înţelegere fundamentală a materialelor şi, de asemenea, încorporarea ulterioară a acestora în produsele reale.

Multe tehnici analitice disponibile astăzi pot furniza date privind nano-ingineria materialelor. Aceste tehnici sunt acceptate si bine stabilite, deşi aplicarea lor la materiale noi, care nu pot fi cunoscute. Dezvoltarea de instrumente de analiză în mod

specific pentru nanotehnologie este în curs de desfăşurare, dar utilizarea a unei noi măsurători cu o nouă tehnologie poate duce la multe întrebări neaşteptate sau variabile, spre deosebire de date sigure in contextul istoric considerabil. Costurile de dezvoltare de instrumente sunt, de asemenea, extrem de ridicate în termeni de timp, persoanelor şi capitalurilor. Utilizarea de instrumente de analiză care includ dovedit TEM, SEM, XPS, XRD, Auger şi TOF-SIMS pentru a caracteriza produse de nano-şi micro-tehnologie sunt descrise aici. O înţelegere completă a comportamentului produsului şi caracteristicile pe parcursul procesului de fabricaţie şi durata de viaţă ulterioară a produsului este necesară atât pentru producţia, cât şi din motive de siguranţă.Domenii de interes în prelucrarea şi utilizarea nanomaterialelor includ: Corespunde materiea primă primită așteptărilor? Cum se efectuează o inspecţie de intrare pe aceste materii prime? Cum trec nanoparticule contaminate în timpul prelucrării? Sunt expuşi operatori de compoziţia şi formele de nanoparticulelor? Performanța produsului în mediul de consum? Sunt nanoparticule emise ca urmare a eşecurilor fiabilitatea şi cum o cuantificare nu este emisă? Cum se analizează depunerea de contaminanti moleculare, care poate crea energie ridicată a suprafeţei şi eşecurile ”stiction” în dispozitive MEMS? Multiple tehnici disponibile astăzi pot furniza date valoroase şi fiabile pentru a răspunde acestor preocupări

1.2 informaţii detaliate şi aria analitică In toate măsurătorile analitice care sunt axate pe arii mici sau volume, este important ca tehnica de analiză sa fie în concordanţă cu zona, volumul sau regiunea de interes. De exemplu, dacă o distribuţie a densități reduse de particule la scara nanometrica pe un substrat este de interes, este necesar să se utilizeze un instrument analitic, cu o oarte mare (scară milimetru sau centimetru) zone analitice (adică mult mai mare decât particule)? În mod similar,ar fi oportun să se utilizeze o tehnică, cu o adancime de informaţii cu privire la scara microni (adică mult mai mare) decât la scară a dimensiunii particulelor de studiu? În funcţie de circumstanţe, să se răspundă la aceste întrebări ar putea să fie da sau nu. În primul caz, în cazul în care densitatea particulelor este suficient de mare, sau particulele înşişi sunt suficient de diferite pentru un substrat atunci raspunsul poate fi da În schimb, pentru al doilea exemplu, dacă informaţiile despre înşişi ele particulele se doreste, atunci acesta poate fi inadecvat să se utilizeze o metodă de caracterizare care cercetează mai adânc decât particulele, fără o înţelegere a consecinţelor. O serie de caracteristici de interes pot fi definite după cum urmează în ceea ce priveşte caracteristicile nanodimensionale (particule şi / sau filme):1 Dimensiuni XY (adică dimensiunea laterală) 2 Distribuţia Dimensiune (de exemplu gama de dimensiuni ale particulei) 3. Z dimensiune (adica, grosime) 4 Compunerea (în vrac şi / sau de suprafaţă) 5. Chimia de suprafaţă sau funcţionalitate (de exemplu diferenţele dintre suprafaţa şi în vrac) 6. Cristalinitatea şi dimensiunea cristalitelor. Alţi factori pot fi, de asemenea, de interes, in functie de aplicatie si tipul de material.

2 EXPERIMENT În scopul de a ilustra diferite caracteristici ale tehnicilor analitice comune, au fost efectuate două seturi de analize. (1) O serie de nanomateriale disponibile în comerţ au fost dobândite. Acestea au fost apoi supuse la o serie de teste pentru a investiga compoziţia lor. (2) O probă MEMS (Microelectromechanical systems) cu un monostrat-gamă de acoperire de protecţie a

fost, de asemenea, analizată. Următoarele măsurători vor fi descrise şi prezentate în exemple ilustrative: 1. TEM (Transmission Electron Microscopy) 2. XPS (X-ray Spectroscopia fotoelectron) 3. XRD (difractie de raze X) 4. AES (Auger Electron Spectroscopy) 5. TOF-SIMS (Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)

2.1 Microscopie electronică de transmisie.

TEM (JEOL 2010. 200kV), a fost efectuat pe nanoparticule Al cu formă sferică şi o dimensiune medie de 18nm (dimensiunea de 2-50nm). Particulele au fost sonificate în metanol şi distribuite pe o grilă eşantionTEM. Rezultatele arată că particulele nu au fost de fapt toate sferice şi, de fapt, o serie de forme au fost observate. Aceste tije inclus şi sa alăturat particule ("gantere"), aşa cum se vede în figura 1 examinarea în continuare aparticulelor individuale a relevat un strat amorf în jurul valorii de afara particule (Figura 2). Mai multe analizeTEM-EDS au arătat că stratul amorf a fost bogat in oxigen, deci a fost cel mai probabil un oxid. Nici alte tehnici de analiză ar putea să arate diferenţa dintre cea mai mare parte şi suprafaţa materialului cu acest nivel atomic de detaliere.

Fig. 1.Imaginea TEM a nanoparticulelor Al2O3 Fig.2 Imaginea TEM a nanoparticulelor Al2O3 (aria de scanare 1,5nmx1,5nm) (aria scanata 44nm x 44 nm)

2.2 Spectroscopia fotoelectron a razelor- X

XPS a fost efectuat pe mai multe nanoparticule contaminate de Si şi Ti-: SiO2 (30nm), Si3N4 (20nm), SiC (55nm) şiTiN (15nm). Informaţia detaliată de XPS este dependentă atât pe elementul de studiu şi de unghiul de incidenţă al razelor X, dar este de obicei în intervalul de 10-100A. XPS poate furniza astfel informaţii cu privire la oxidarea particulelor şi modificarea chimică de suprafaţă, fie prin expunerea atmosferică sau prin prelucrare deliberată. De reţinut faptul că particulele cu privire la scara nanometrica, facem în esenţă, o analiză în mai mare parte a particulelor întregi şi nu există o distincţie clară între suprafaţă şi în vrac pentru particule foarte mici. Figura 3 prezinta regiunea Si a trei nanoparticule: SiC, Si02 şi Si3N4. Din acest spectru, se poate observa că particulele de oxid de siliciu au caracter semnificativ şi în mod

Fig.3 Spectrele XPS ale regiunii de Si Fig.4 Spectrele XPS ale regiunii nnaoparticolelor de TiNIn nanoparticolele de SiC, SiO2 si Si3N4 aratate in mixtura de oxigen si nitrura

similar, particulele de nitrură de siliciu de asemenea, au fost oxidate. Figura 4 prezinta regiune spectrală a Ti din nanoparticule de TiN. Se poate observa faptul că această regiune este complexă şi că există mai mulți oxizi şi nitruri prezente. Acestea sunt provizoriu identificate în spectrul de frecvenţe de la varfurile shiftate. Sumele relativ a acestor diferite stări chimice pot fi cuantificate, de asemenea, care pot fi extrem de util în timpul studiilor de functionalizarea nanoparticulelor şi de comportamentul lor atunci când sunt expuse la procesele chimice diferite.

2.3 Difractie de raze X XRD a fost efectuat pe o serie de nanoparticule pentru a confirma că starea lor cristalină compensată de stat preconizate a materialelor achiziţionate. Materialul detaliat în acest caz a fost SiC, cu o dimensiune medie a particulelor de 55nm. Figura 5 prezintă o scanare a unghiului 2θ folosind difractometrul Panalytical X'pert. Faza predominantă s-a dovedit a fi cubică, cum era și de aşteptat, cu o contribuţie minoră din faze hexagonal şi/sau romboedrică. Dimensiunea cristalitelor a fazei primare a fost determinată să fie în intervalul de 22nm, adică în mod substanţial mai mică decât dimensiunea medie a particulelor de 55nm. Această distincţie a arătat că multe dintre particulele constau din cristalite multiple. Ca o completare, la unghiiuri mari de difractie de raze X sa descris mai sus, unghi mic dispersia de X raze poate fi, de asemenea, de făcut pentru a investiga distanţe mai mari, cum ar fi polimer de stivuire şi distribuţiile dimensiunea particulelor, care are, de asemenea, relevanță pentru materiale

nanoengineirei.

Fig.5. Spectrul XRD al SiC scanat la unghul de difractie 2θ.

2.4 Spectroscopia Auger

AES este o tehnica excelenta care complementtează SEMul (microscopie electronica de baleiaj), în care AES poate oferi hărţi elementare cu rezoluţia spaţială în mod semnificativ mai bună şi de suprafaţă mai sensibile decât SEM/EDS. Informaţiile detaliate tipice pentru Auger este în intervalul de 30-60A, cu o Rezoluţie spaţială. În Figura 6a se prezinta o imagine Auger SEM obţinute de la nanoparticulele formate dinr-un amestec de două componente (Al şi Cu) depuse pe siliciu. În figura 6b se arată o hartă a elementului de cupru şi figura 6c prezintă o hartă a elementului de aluminiului, atât obţinute din aceeaşi zonă ca imagine SEM. Imaginea SEM si hartile au fost achiziţionate cu ajutorul unui microscop Electronic cu scanare Auger modelul 680 ce demostrează în mod clar distribuirea particulelor de Al şi Cu. Analizele elementare a particulelor individuale a arătat compoziţii elementare între următoarele limite: Al:C (43%), Si (20%), Al (19%), O (18%), Cu (0,6%), Cu:C (40%), Si (25 %), O (19%), Cu (16%). Prezenţa acestor niveluri aparente de carbon şi siliciu este probabil să fie o consecinţă a informaţii detaliate scăzute de măsurare (pentru C) şi împrăştierea electron de la substrat (pentru Si).

a)

b) c)

Fig.6 Imaginea mapata a nanoparticulelor mixte de Cu/Al (a), imaginea mapata a Cu (b) și imaginea Al (c).

2.5 Spectrometrie de masa cu ioni secundari de timp-de-zbor (TOF-SIMS)

TOF - SIMS nu are rezoluția spațială a tehnicilor cu fascicule de electroni , cum ar fi SEM , TEM sau AES, cu toate acestea are o adâncime de informații extrem de redusă , în intervalul de

10 - 20.A , ceea ce înseamnă că poate oferi informații cu succes la suprafețele acoperite de un monostrat sau mai puțin de material. Această sensibilitate de suprafaţă extremă o face ca o metodă ideală pentru a examina nivelurile scăzute de contaminare moleculară pe suprafeţe. Acest lucru are o importanţă deosebită pentru dispozitive MEMS acoperite cu straturi de nanometri în grosime, cum ar fi fluorocarburi, aşa cum se arată în exemplele de mai jos. În figura 7a sunt prezentate datele de la o suprafaţă contaminată, care au răspuns slab mecanic şi adeziune excesivă. În figură 7b sunt prezentate datele de la aceeaşi locaţie de pe un dispozitiv ce funcţionează corespunzător. Principala diferenţă întree şantioane a fost prezenţa varității ionilor de siliciu privind proba lipsă. Acesta este suspectat că siliciu degazată de lipirea epoxidică folosită pentru a îngloba aparatul şi ulterior depuse la suprafaţă stratului anti-adeziune, în eficacitatea inhibârii sale. Prezenţa silicului privind structurile în mişcare a condus la probleme de adeziune în timpul funcţionării practice, datorită creşterii de energie în comparaţie cu suprafaţa sa de acoperire pe bază de fluorocarbon.

3 CONCLUZII

Fiecare dintre studiile descries mai sus pentru fiecare, şi, de asemenea, descriierile metodelor diferitele de analiză au fost utilizate pentru a demonstra unele din capacităţile dintre metodele disponibile în present ca metode analitice prezente. Alte metode nu sunt descrise aici, care pot, de asemenea, să contribuie în mod semnificativ la caracterizarea nanomaterialelor Printre acestea se numără spectroscopia Raman, în special cu privire la nanotuburi de carbon,şi AFM (microscopia atomică de forta), pentru studii de morfologie şi dimensionale. Aceste tehnici stabilite pot fi aplicate cu succes in mod curent la materialele noi. Dezvoltarea în continuare şi de specializare a acestor metode este, de asemenea, în curs de desfăşurare, cum este dezvoltarea şi stabilirea de noi metode de analiză, pentru a răspunde nevoilor atât a comunităţii nanomaterialelor ci şi nevoilor pentru toate industriile de înaltă tehnologie.

http://www.iontof.com/technique-timeofflight-IONTOF-TOF-SIMS-TIME-OF-FLIGHT-SURFACE-ANALYSIS.htm

http://www.london-nano.com/sites/default/files/uploads/research/highlights/Time%20of%20Flight,Secondary%20Ion%20Mass%20Spectroscopy%20(SIMS).pdf

http://phi-gmbh.eu/wp-content/uploads/2013/10/Time-of-Flight-Secondary-Ion-Mass-Spectrometry.pdf