eng
Выпуск #2/2019
И.В.Яминский, А.И.Ахметова, Г.Б.Мешков, А.В.Оленин
Сканирующая зондовая микроскопия 2D наноразмерных структур для энергонакопителей и катализаторов
Сканирующая зондовая микроскопия 2D наноразмерных структур для энергонакопителей и катализаторов
Просмотры: 3622
В рамках работ по модификации строения и определения физико-химических и электрофизических характеристик 2D наноразмерных структур проведено исследование их проводимости. Получены данные об электрической проводимости структур TiS3 на поверхности оксида кремния. Измерены проводимости графена и графита методом СРМ. Данные получены с помощью СЗМ ФемтоСкан.
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.2.148.151
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.2.148.151
Теги: 2d nanoscale structures 2d наноразмерные структуры conductivity graphene graphite scanning probe microscopy silicon titanium trisulfide графен графит кремний проводимость сзм трисульфид титана
Получено: 22.03.2019 г.
Многие из хорошо изученных 2D-материалов относятся к семейству халькогенидов переходных металлов [1, 2, 3]. Большинство этих материалов в объемном виде имеет слоистую структуру со слабыми межслоевыми Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями. До настоящего времени экспериментальные исследования были в основном сосредоточены на таких материалах, как MoS2, MoSe2, WS2 и WSe2. Однако, семейство 2D-материалов очень богато и содержит много других слоистых материалов с интересными свойствами, которые в настоящее время получили ограниченное внимание исследователей. Одним из таких перспективных материалов является трисульфид титана (TiS3). Трисульфид титана (сернистый титан) является слоистым полупроводниковым соединением, которое образует кристаллы моноклинной сингонии.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) позволяет получать данные не только о топографии поверхности образца, но и оценить величину электрической проводимости областей в нанометровом масштабе [4]. Также с помощью СЗМ можно установить взаимосвязь между локальной структурой (геометрией и физико-химическим составом) поверхности углеродных и 2D-материалов с их электрофизическими свойствами [5].
Повышение быстродействия зондовой микроскопии позволяет существенно улучшить временное разрешение и наблюдать в режиме реального времени многие процессы на поверхности материалов, используемых в накопителях и преобразователях энергии. Применение новых режимов сканирования, в которых осуществляется прецизионное контролируемое перемещение зонда по трем координатам в пространстве с использованием систем обратной связи, позволяет исследовать материалы с очень сильно развитой поверхностью [6].
Для определения электрической проводимости поверхности образца сернистого титана использовался режим сканирующей резистивной микроскопии с применением кантилеверов с проводящим покрытием (марка HA-CNC-AU, ScanSens GmbH, Германия). Величина приложенного напряжения между образцом и проводящим кантилевером составляла 0,5 В. Вариации тока находились в диапазоне до 150 пА, что позволяет оценить проводимость образца менее 105 Ом/см.
При измерении проводимости графена на поверхности SiO2 (толщиной 300 нм) наблюдаются неоднородности поверхности. На поверхности образца существуют проводящие области (графен) и не проводящие (оксид кремния). Данные, полученные в режиме топографии, показывают, что поверхности графена и кремния имеют схожий рельеф. В областях, где образец не проводит, иногда наблюдаются выступающие одиночные или множественные "рыхлые" пики. Предполагается, что поверхность образца не является абсолютно "чистой", на ней находятся частицы, нарушающие проводимость.
Указанное соответствие легко наблюдать в горизонтальном сечении (рис.2).
Проводящие свойства графена и кремния также подтверждаются следующим экспериментом. В произвольных точках поверхности измерялись вольт-амперные характеристики (ВАХ). Если точка попадала на непроводящий участок, то ВАХ представляла собой шум вблизи нуля. Если же точка попадала на графен, наблюдалась строгая линейная зависимость, проходящая через ноль (рис.3).
При измерении проводимости графита наблюдается корреляция топографии поверхности и ее проводящих свойств. Слои проводят практически однородно, но на их границах наблюдаются резкие скачки проводимости. Как правило, вышележащие слои проводят лучше. Контакт зонда с образцом не является стабильным и изменяется при переходе с одной террасы на другую. Об этом свидетельствует сильное различие данных, полученных при сканировании справа налево и слева направо (рис.4). Изменение наблюдаемой картины проводимости образца при смене направления сканирования, а также характер выбросов, наблюдаемых между террасами, связаны, по всей видимости, с асимметрией и изменением проводящего покрытия на зонде.
Также проводились измерения проводимости графита на никеле. Данный образец изготавливался при высокой температуре, после чего остывал. Вследствие этого при остывании образец сжимался, и на поверхности образовывались характерные складки (рис.5).
Как мы видим из представленных данных, сканирующая зондовая микроскопия является информативным инструментом при измерении проводимости поверхности и позволяет оценивать физические свойства образца при количественном сравнении данных топографии поверхности и данных проводимости.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 16-29-06290.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
1. Wang Q.H., Kalantar-Zadeh K., Kis A., Coleman J.N., Strano M.S. Nat. Nano. 2012. 7. 699 –712.
2. Chhowalla M., Shin H.S., Eda G., Li L.-J., Loh K.P., Zhang H. Nat. Chem. 2013. 5. 263–275.
3. Jariwala D., Sangwan V.K., Lauhon L.J., Marks T.J., Hersam M.C. ACS Nano. 2014. 8. 1102–1120.
4. Sinitsyna O., Akhmetova A., Meshkov G., Goncharova T., Pylev I., Smirnova M., Belov Y., Yaminsky I. The effect of the graphite precursor microstructure on the formation of graphite oxide // Nanoindustry, 2 (81): 170–172, 2018.
5. Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Sinitsyna O.V., Yaminsky I.V. Nanoscopy methods for directional modification of nanoscale 2D structures and determining physicochemical and electrophysical characteristics // Nanoindustry. 2018. T. 3. No. 83. P. 246–249.
6. Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Belov Yu.K. Nanotokar // Nanoindustry. 2018. Vol. 10. No. 6 (85). P. 446–448.
Многие из хорошо изученных 2D-материалов относятся к семейству халькогенидов переходных металлов [1, 2, 3]. Большинство этих материалов в объемном виде имеет слоистую структуру со слабыми межслоевыми Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями. До настоящего времени экспериментальные исследования были в основном сосредоточены на таких материалах, как MoS2, MoSe2, WS2 и WSe2. Однако, семейство 2D-материалов очень богато и содержит много других слоистых материалов с интересными свойствами, которые в настоящее время получили ограниченное внимание исследователей. Одним из таких перспективных материалов является трисульфид титана (TiS3). Трисульфид титана (сернистый титан) является слоистым полупроводниковым соединением, которое образует кристаллы моноклинной сингонии.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) позволяет получать данные не только о топографии поверхности образца, но и оценить величину электрической проводимости областей в нанометровом масштабе [4]. Также с помощью СЗМ можно установить взаимосвязь между локальной структурой (геометрией и физико-химическим составом) поверхности углеродных и 2D-материалов с их электрофизическими свойствами [5].
Повышение быстродействия зондовой микроскопии позволяет существенно улучшить временное разрешение и наблюдать в режиме реального времени многие процессы на поверхности материалов, используемых в накопителях и преобразователях энергии. Применение новых режимов сканирования, в которых осуществляется прецизионное контролируемое перемещение зонда по трем координатам в пространстве с использованием систем обратной связи, позволяет исследовать материалы с очень сильно развитой поверхностью [6].
Для определения электрической проводимости поверхности образца сернистого титана использовался режим сканирующей резистивной микроскопии с применением кантилеверов с проводящим покрытием (марка HA-CNC-AU, ScanSens GmbH, Германия). Величина приложенного напряжения между образцом и проводящим кантилевером составляла 0,5 В. Вариации тока находились в диапазоне до 150 пА, что позволяет оценить проводимость образца менее 105 Ом/см.
При измерении проводимости графена на поверхности SiO2 (толщиной 300 нм) наблюдаются неоднородности поверхности. На поверхности образца существуют проводящие области (графен) и не проводящие (оксид кремния). Данные, полученные в режиме топографии, показывают, что поверхности графена и кремния имеют схожий рельеф. В областях, где образец не проводит, иногда наблюдаются выступающие одиночные или множественные "рыхлые" пики. Предполагается, что поверхность образца не является абсолютно "чистой", на ней находятся частицы, нарушающие проводимость.
Указанное соответствие легко наблюдать в горизонтальном сечении (рис.2).
Проводящие свойства графена и кремния также подтверждаются следующим экспериментом. В произвольных точках поверхности измерялись вольт-амперные характеристики (ВАХ). Если точка попадала на непроводящий участок, то ВАХ представляла собой шум вблизи нуля. Если же точка попадала на графен, наблюдалась строгая линейная зависимость, проходящая через ноль (рис.3).
При измерении проводимости графита наблюдается корреляция топографии поверхности и ее проводящих свойств. Слои проводят практически однородно, но на их границах наблюдаются резкие скачки проводимости. Как правило, вышележащие слои проводят лучше. Контакт зонда с образцом не является стабильным и изменяется при переходе с одной террасы на другую. Об этом свидетельствует сильное различие данных, полученных при сканировании справа налево и слева направо (рис.4). Изменение наблюдаемой картины проводимости образца при смене направления сканирования, а также характер выбросов, наблюдаемых между террасами, связаны, по всей видимости, с асимметрией и изменением проводящего покрытия на зонде.
Также проводились измерения проводимости графита на никеле. Данный образец изготавливался при высокой температуре, после чего остывал. Вследствие этого при остывании образец сжимался, и на поверхности образовывались характерные складки (рис.5).
Как мы видим из представленных данных, сканирующая зондовая микроскопия является информативным инструментом при измерении проводимости поверхности и позволяет оценивать физические свойства образца при количественном сравнении данных топографии поверхности и данных проводимости.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта 16-29-06290.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
1. Wang Q.H., Kalantar-Zadeh K., Kis A., Coleman J.N., Strano M.S. Nat. Nano. 2012. 7. 699 –712.
2. Chhowalla M., Shin H.S., Eda G., Li L.-J., Loh K.P., Zhang H. Nat. Chem. 2013. 5. 263–275.
3. Jariwala D., Sangwan V.K., Lauhon L.J., Marks T.J., Hersam M.C. ACS Nano. 2014. 8. 1102–1120.
4. Sinitsyna O., Akhmetova A., Meshkov G., Goncharova T., Pylev I., Smirnova M., Belov Y., Yaminsky I. The effect of the graphite precursor microstructure on the formation of graphite oxide // Nanoindustry, 2 (81): 170–172, 2018.
5. Akhmetova A.I., Meshkov G.B., Sinitsyna O.V., Yaminsky I.V. Nanoscopy methods for directional modification of nanoscale 2D structures and determining physicochemical and electrophysical characteristics // Nanoindustry. 2018. T. 3. No. 83. P. 246–249.
6. Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Belov Yu.K. Nanotokar // Nanoindustry. 2018. Vol. 10. No. 6 (85). P. 446–448.
Отзывы читателей
