Рис. 2. Спектры нейтронов в кессоне критстенда КВАНТ: 1, 2 — расчетные кривые по программам соответственно CASK и BUGLE; 3 — экспериментальная кривая
Л и т е р а т у р а
1. Севастьянов В. Д. и др. Измерительный комплекс для градуировки нейтронной аппаратуры СУЗ транспортных ЯЭУ // Атомная энергия. 2000. Т. 77. Вып. 5. С. 387.
2. Быков А. А. и др. Определение чувствительности к нейтронам ионизационных камер для систем управления и защиты транспортных ядерно-энергетических установок. // Измерительная техника. 2002. № 1. С. 68; Bykov A. A. e. a. The determination of the neutron sensitivity of suspensions of chambers for transport nuclear reactor control and protection systems // Measurement Techniques. 2002. V. 45. N 1. P. 106.
3. Севастьянов В. Д., Кошелев А. С., Маслов Г. Н. Характеристики полей нейтронов. Источники мгновенных нейтронов деления и 14 МэВ-генераторы нейтронов, исследовательские и энергетические реакторы, специальные конвертирующие нейтронное излучение устройства: Справ. пособие. Менделеево: ВНИИФТРИ, 2007.
4. Васильев Р. Д., Ярына В. П., Севастьянов В. Д. Государственный специальный эталон единицы плотности потока нейтронов для области измерений на ядерно-физических установках // Измерительная техника. 1974. № 7. С.10; Vasil'ev R. D., Koshelev A. S., Maslov G. N. Special state standard for unit neutron fiux density in the measurement range of nuclear physics installations // Measurement Techniques. 1974. V. 17. N 7. P. 990.
5. Маслов Г. Н., Севастьянов В. Д., Кошелев А. С. Метод расчета спектров нейтронов по результатам измерений с интегральными детекторами, реализованный в новой версии программы КАСКАД // Измерительная техника. 2003. № 5. С. 58; Maslov G. N., V. D. Sevast'yanov, A. S. Koshelev. A method of calculating the spectrum of neutrons from the results of measurements with integrated detectors realized in a new version of the KASKAD software // Measurement Techniques. 2003. V. 46. N 5. P. 505.
Дата принятия 12.11.2009 г.
536.421.1:681.2.083:537.533.74-022.532
Методика измерения температуры плавления нанокластеров золота на поверхности подложки
П. В. БОРИСЮК*, В. Д. БОРМАН*, П. А. КРАСОВСКИЙ**, М. А. ПУШКИН*, В. Н. ТРОНИН*, В. И. ТРОЯН*
* Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия,
e-mail: troyan@mephi.ru
** Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: director@vniiftri.ru
Представлены результаты исследования рассеяния медленных электронов на нанокластерах Au на поверхности аморфной пленки SiO2 и поликристаллического Ni при комнатной температуре. Показано, что с уменьшением высоты нанокластеров Au с 5 до 1 нм их температура плавления уменьшается от 1337 К (металлическое золото) до 500 К. Предложена простая методика измерения термодинамических характеристик (температуры плавления и температуры Дебая) нанокластеров металлов на поверхности подложки.
Кпючевые слова: нанокластеры, температура плавления, рассеяние медленных электронов, температура Дебая.
The results of investigation of the low-energy electrons elastic scattering from Au nanoclusters on SiO2 amorphous film and polycrystalline Ni surface at room temperature are presented. The decrease of Au clusters size (height) from 5 nm to 1 nm results in the decrease of clusters melting temperature from 1337 К (bulk gold) to 500 К. The observed features of electrons elastic scattering spectra allow to propose the simple technique for measurement of thermo-dynamical characteristics (Debye and melting temperatures) of metal nanoclusters on support surface.
Key words: nanoclusters, melting temperature, low-energy electrons scattering, Debye temperature.
Исследования свойств нанокластеров металлов на по- димостью создания фундаментальных физических основ для верхности твердого тела вызывают в настоящее время по- дальнейшего развития нанотехнологии, которая позволит вышенный интерес, обусловленный, прежде всего, необхо- перейти к использованию одноэлектронных устройств и
наноэлектроники, новых электронных и магнитных нанома-териалов, нанокатализаторов, наноструктурированных конструкционных материалов.
Особенность наноразмерных кластеров металлов связана с зависимостью их физико-химических свойств от размера кластера (так называемые размерные эффекты). Например, с уменьшением размера кластеров нанометрового диапазона наблюдается изменение параметров кристаллической решетки, каталитических свойств, проводимости этих нанообъектов. Одним из интересных термодинамических свойств наноразмерных систем является эффект понижения их температуры плавления Тт по сравнению с температурой плавления макроскопических объектов. Уменьшение температуры плавления наноразмерных кластеров благородных металлов (Аи, Ад, Си) на поверхностях различных материалов С) при уменьшении размера б кластеров наблюдалось экспериментально в [1—5]. Наиболее существенное уменьшение температуры плавления нанокласте-ров наблюдалось при б < 5 нм. При б < 2 нм температура Тт может достигать 400 К [1]. Таким образом, нанокластеры некоторых металлов размером б < 2 нм могут находиться в
Рис. 1. Ансамбль нанокластеров (а) и отдельный нанокластер Au на поверхно сти SiO2 (б). Изображения размерами 50x50 и 7x7 нм, соответственно, получены методом просвечивающей электронной микроскопии
4
j
1—I—I—Г
498
а
500 б
1—I—I—Г
502 £, эВ
Рис. 2. Схематичное изображение геометрии упругого рассеяния электронов для спектрометра XSAM-800 (а) и экспериментальные спектры упругого рассеяния электронов на поверхности поликристаллического Ni (1) и системы нанокластеров Au высотой h = 0,6 нм (2) и h = 3,2 нм (3) на поверхности Ni (б)
жидком состоянии при температурах, близких к комнатной, что необходимо учитывать при разработке материалов на основе нанокластеров металлов.
Среди известных методов измерения температуры плавления твердых тел можно выделить калориметрические методы [6], основанные на измерении поглощенного тепла при фазовом переходе, и дифракционные, позволяющие наблюдать исчезновение дальнего порядка при плавлении кристалла. Однако применение данных методов к нанораз-мерным системам может оказаться затруднительным в силу малости измеряемых объектов и величин.
В настоящее время один из широко используемых методов измерения температуры плавления нанокластеров и ее зависимости от размера кластеров — метод дифракции электронов [1], основанный на размытии дифракционных колец от ансамбля наночастиц при их переходе из твердого в жидкое состояние. Данный метод можно использовать для определения температуры плавления, однако он достаточно сложен. Другой метод базируется на измерении тока автоэмиссии электронов из нанокластеров [4], осажденных на металлическое острие электронного эмиссионного микроскопа. Поскольку ток эмиссии чувствителен к форме кластера, температуру его плавления можно определить по изменению наклона зависимости тока автоэмиссии от приложенного напряжения. К сожалению, данный метод существенно ограничен необходимостью использовать проводящие подложки.
Ниже рассмотрена новая и относительно простая методика определения температуры плавления нанокластеров, связанная с измерением интенсивности упруго рассеянных электронов малых энергий. Преимущество предлагаемого метода заключается в отсутствии нагрева образцов при проведении температурных измерений и возможности исследования систем нанокластеров на различных подложках.
Ансамбль нанокластеров Au был сформирован на поверхности двух различных подложек: поликристаллического Ni и аморфной пленки SiO2 толщиной 600 нм на поверхности Si (100). Поверхность подложки очищали путем травления ионами Ar+ и последующего отжига в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) 10-9 Торр (около 10-7 Па). Чистоту поверхности контролировали in situ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Нанокластеры Au формировали при комнатной температуре методом импульсного лазерного осаждения в СВВ-камере электронного спектрометра XSAM-800 по методике, описанной в [7]. Среднюю высоту h нанокластеров и степень 8 покрытия кластерами поверхности подложки вследствие особенностей исследуемых систем измеряли ex situ различными методиками: для системы Au/SiO2 методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а системы Au/Ni при помощи спектроскопии рассеяния медленных ионов и обратного резерфордовского рассеяния по методике, описанной в [8]. На рис. 1 представлены ПЭМ-изображения нанокластеров Au, сформированных на поверхности SiO2. Из рис. 1 следует, что нанокластеры латерального размера d = 2 нм имеют
округлую форму и обладают кристаллической решеткой. Высоту h кластеров в приближении их полусферической формы принимали равной половине их латерального размера d, определяемого как диаметр круга, площадь которого равна площади основания нанокластера. Микроскопических изображений нанокластеров Au на Ni получить не удалось, однако из литературы известно [9], что нанокластеры металла, сформированные на металлической подложке, имею форму, близкую к двумерной.
Упругое рассеяние электронов на кластерах Au в зависимости от их размера и типа подложки исследовали при комнатной температуре методом спектроскопии упругого отражения электронов, реализованном в СВВ-камере электронного спектрометра XSAM-800. Геометрия рассеяния схематически изображена на рис. 2, а. Спектры упругого рассеяния отраженных электронов измеряли с использованием медленных электронов энергией E0 = 500 эВ, током в пучке /0 = 30 мкА и углом рассеяния ф0 = 125 ± 20° (Дф0 = ±20° — угол сбора обратнорассеянных электронов). Выделяемая мощность на единицу поверхности образца при этом составляла около 1,5 Вт/см2, ввиду чего локальный нагрев образца на 1 К при облучении электронным пучком был пренебрежимо мал по сравнению с комнатной температурой.
На рис. 2, б приведены типичные спектры упругорассе-янных электронов на кластерах Au высотой h = 0,6 и 3,2 нм, сформированных на поверхности Ni. Аналогичные спектры обратнорассеянных электронов были получены для системы нанокластеров A
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.