научная статья по теме ПРЕПАРИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ РЭМ-ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРЕПАРИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ РЭМ-ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 9, с. 45-48

УДК 537:533

ПРЕПАРИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ РЭМ-ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ

© 2015 г. О. E. Журавлев1, *, А. И. Иванова1, Р. М. Гречишкин1,2

1Тверской государственный университет, 170100 Тверь, Россия 2Национальный исследовательский технологический университет МИСиС, 119049 Москва, Россия

*Е-таИ: pifchem@mail.ru Поступила в редакцию 16.01.2015 г.

Изучена возможность применения ионных жидкостей в качестве токопроводящих покрытий диэлектрических образцов при их исследовании методом растровой электронной микроскопии. Показано, что подобные покрытия могут служить эффективным средством для предотвращения накопления электрических зарядов на непроводящих образцах, что необходимо для нормального проведения электронно-микроскопических исследований. Методика создания покрытий из ионной жидкости отличается простотой и не требует специального оборудования. Описана методика синтеза ионной жидкости М-децилпиридиний тетрахлорферрата в лабораторных условиях.

Ключевые слова: ионная жидкость, растровая электронная микроскопия. БО1: 10.7868/80207352815090218

ВВЕДЕНИЕ

При исследовании диэлектрических образцов в растровом электронном микроскопе (РЭМ) на них накапливается поверхностный статический заряд, образованный первичными электронами [1]. Поверхностный заряд приводит к ряду артефактов и нарушений нормального режима работы РЭМ, к числу которых относятся краевые эффекты — накопление избыточного заряда на выступах рельефа (edge charging), непрерывное накопление заряда на отдельных участках поверхности (area charging), линейчатые (строчечные) заряды (горизонтальные засвеченные строчки на изображении — line-by-line charging), эффект остаточных зарядов (residual charging) — примешивание зарядов, сохранившихся в предыдущем скане, к зарядам текущего скана. Зарядке диэлектриков при электронном облучении в РЭМ сопутствуют эмиссия электронов в вакуум, поляризация молекул, образование сильных приповерхностных электрических полей и потенциалов. Зарядка поверхности может приводить к изменению контраста изображения, изменению эффективной энергии падающих электронов, невозможности проведения количественного микроанализа. В растровой электронной микроскопии это приводит к дефокусировке и искажениям изображений, в рентгеновском микроанализе — к сдвигу границы тормозного излучения из-за уменьшения энергии бомбардирующих электронов.

Основным средством предотвращения электризации непроводящих объектов является нанесение на их поверхность тонких пленок различных металлов или углерода методами термического напыления в вакууме и катодного распыления. Способы нанесения покрытий и возможные артефакты, связанные с их получением, подробно описаны в литературе [1, 2].

Настоящая работа посвящена изучению альтернативной методики создания токопроводя-щих покрытий с помощью ионных жидкостей — особого класса жидкостей, содержащих только ионы [3, 4]. Эти жидкости обладают уникальным набором физико-химических свойств, среди которых важными для применений в РЭМ являются электропроводность, низкое давление паров, высокая термическая стабильность, нетоксичность, негорючесть. Электропроводность обеспечивает сток избыточных зарядов на поверхности диэлектрических образцов, а низкое давление паров делает возможным их эксплуатацию в условиях вакуума, необходимого для функционирования РЭМ.

СИНТЕЗ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ

Для проведения испытаний была синтезирована ионная жидкость М-децилпиридиний тетрахлорферрата. Выбор данной жидкости в качестве материала для нанесения на диэлектрический образец был вызван тем, что она обладает

ЖУРАВЛЕВ и др.

46

сравнительно высокой электропроводностью, не подвергается деструкции в электронном пучке, а также обладает низкой вязкостью (по сравнению с другими ионными жидкостями) и хорошей смачивающей способностью. Близкое к нулю давление паров позволяет жидкости оставаться на поверхности образца при создании вакуума в камере РЭМ. Для лучшего смачивания и равномерного распределения ионной жидкости по поверхности образца были приго-

товлены 40—45% растворы в ацетоне. Быстрое (1—2 мин) самопроизвольное испарение ацетона обеспечивало получение однородного равномерного слоя жидкости после нанесения капли раствора на образец.

В качестве исходного соединения для синтеза ионной жидкости тетрахлорферрата М-децилпиридиния был выбран доступный хлорид М-децилпиридиния. Реакция представлена на схеме:

\

//

N-C10H21

Cl + FeCl3

ацетон,t

V

N-C,oH

J

10H21

[FeCl4]

+

+

В колбе смешивали горячие растворы хлорида железа(Ш) (0.05 моль) и хлорида N-децилпири-диния (0.05 моль) в ацетоне. Смесь кипятили при постоянном перемешивании в течение 10—15 мин. Ацетон упаривали, сушили в вакууме над P4O10 в течение суток. Продукт представлял собой темно-зеленую жидкость, растворялся в воде (гидроли-

зовался, так как анион FeCl4 неустойчив в водном растворе) и других полярных растворителях (спирт, ацетон, ацетонитрил).

Анализ ИК-спектра тетрахлорферрата N-де-цилпиридиния в области 400—4000 см-1 позволил подтвердить структуру органического катиона. ИК-спектры записывали на фурье-спектрометре Bruker Equinox 55 между двух пластинок KBr.

D

0.14

0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0

500

600

700

800 900 X, нм

Рис. 1. Спектры в видимой области раствора тетрахлорферрата М-децилпиридиния в ацетоне при концентрации ионной жидкости: 1 - 0.1; 2 - 0.075; 3 -0.05; 4 - 0.025; 5 - 0.01 моль/л.

В спектрах поглощения в видимой области растворов тетрахлорферрата М-децилпиридиния обнаруживаются три максимума при 534, 619 и 688 нм (рис. 1), соответствующие тетрахлорфер-рат-аниону. Спектры в видимой области записывали на спектрофотометре СФ-56 (Ломо) в ацетоне в диапазоне концентраций 0.1-0.01 моль/л, толщина оптического слоя 1 см. Основные характеристики тетрахлорферрата М-децилпиридиния следующие: молярная масса М 418.03 г/моль, динамическая вязкость п(25°С) = 719.5 мПа • с, П(65°С) = 205.3 мПа • с, плотность при температурах 25 и 65°С й25 = 1.636 г/см3, й65 = 1.597 г/см3,

Т х 10°С Т

пл ~ р

разл

360°С.

Готовили раствор ионной жидкости в ацетоне с концентрацией 1.8-2.2 моль/л. При помощи стеклянного капилляра (й = 0.2-0.5 мм) раствор наносили на образец и выдерживали на воздухе в течение 1-2 мин для самопроизвольного испарения растворителя (ацетона). Образец переносили на токопроводящий предметный столик, соединенный с корпусом РЭМ, и крепили с помощью токопроводящего клея или клеящей ленты таким образом, чтобы обеспечить электрический контакт образца с корпусом прибора.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

Были испытаны возможности применения тонких слоев ионной жидкости для работы с различными материалами, в число которых входили керамики, включая пьезоэлектрическую керамику, минералы, микросхемы на диэлектрических подложках, ряд оптических кристаллов (парателлурит, ниобат лития), биологические объекты, насекомые. Примеры изображений, полученных с помощью РЭМ JEOL JSM 6610 LV, приведены на рис. 2-5.

ПРЕПАРИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ РЭМ-ИССЛЕДОВАНИЙ

47

Рис. 2. РЭМ-изображение образца керна без покрытия (а), и с покрытием ионной жидкостью (б).

Рис. 3. РЭМ-изображение крыла осы без покрытия (а) и с покрытием ионной жидкостью (б).

Рис. 4. РЭМ-изображение образца пьезоэлектрической керамики ЦТС-47 без покрытия (а), и с покрытием ионной жидкостью (б).

Рис. 5. РЭМ-изображения 6610 IV) пермаллое-вых аппликаций на диэлектрической подложке из феррита-граната висмута. Левая часть изображения — без покрытия, правая — с покрытием слоем ионной жидкости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные на рис. 2—5 конкретные примеры РЭМ-изображений подтверждают имевшиеся общие соображения о пригодности использования покрытий из ионной жидкости для предотвращения электризации непроводящих образцов. Достоинством этой методики является простота и экспрессность использования, отсутствие специального оборудования. При этой методике отсутствует риск радиационного нагрева образцов, возможно получение однородных покрытий на образцах со сложным рельефом. Нанесенные слои ионной жидкости в случае необходимости могут в ряде случаев быть удалены с помощью органических растворителей.

Следует также отметить, что ионные жидкости могут быть применены для уникальных РЭМ-ис-

48

ЖУРАВЛЕВ и др.

следований процессов электрохимического осаждения [5] и препарирования влажных образцов [6].

Работа выполнена при софинансировании Министерства образования и науки РФ по программе повышения конкурентоспособности НИТУ МИСиС среди ведущих мировых научно-образовательных центров на 2013-2020 гг. (№ К1-2014-008), в рамках выполнения работ в сфере научной деятельности и Государственного задания "Обеспечение проведения научных исследований" № 1055, а также при финансовой поддержке гранта Президента РФ для молодых российских ученых - кандидатов наук (№ 14.256.15.4358-МК).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П. и др. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. М.: Мир,1984. 303 с.

2. Echlin P. Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. New York: Springer Science + Business Media, LLC, 2009. 330 p.

3. Rogers R, Seddon K. Ionic Liquids: Industrial Applications to Green Chemistry. Dordrecht, Boston: Kluwer Acad. Publ., 2002. 584 p.

4. Welton T. Chem. Rev. 1999. V. 92. P. 2071.

5. Arimoto S, Kageyama H, Torimoto T, Kuwabata S. // Electrochem. Commun. 2008. V. 10. P. 1901.

6. Tsuda T, Nemoto N, Kawakami K, Mochizuki E., Kishida Sh, Tajiri T, Kushibiki T, Kuwabata S. // ChemBioChem. 2011. V. 12. P. 2547.

Preparation of Objects for SEM Studies Using Ionic Liuquids O. E. Zhuravlev, A. I. Ivanova, R. M. Grechishkin

A possibility of using ionic liquids for the preparation of conducting layers on the surface of dielectric samples for SEM studies has been examined. It is shown that such layers may be used as an effective tool preventing accumulation of the electric charges on the surface of non-conducting materials, which is necessary for normal functioning of the electro

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.

Показать целиком