Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий. Методы и применение

Растровая
электронная
микроскопия
для нанотехнологий

edited by 

Weilie Zhou
University of New Orleans 
New Orleans, Louisiana

and

Zhong Lin Wang
Georgia Institute of Technologу
Atlanta, Georgia

Scanning
Microscopy
for Nanotechnology

Techniques and Applications

Москва
Лаборатория знаний
2021

Под редакцией
Уэйли Жу и Жонг Лин Уанга 

Перевод с английского
С. А. Иванова и К. И. Домкина

под редакцией
канд. техн. наук Т. П. Каминской

Растровая
электронная
микроскопия
для нанотехнологий

Методы и применение

4-е издание, электронное

УДК 621.3+681.54
ББК 30.3+22.3
Р24

Р24
Растровая электронная микроскопия для нанотехнологий.
Методы
и
применение
/
под
ред.
У. Жу,
Ж. Л. Уанга
;
пер.
с
англ. — 4-е
изд.,
электрон. — М.
:
Лаборатория
знаний, 
2021. — 601 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-142-2
В книге под редакцией известных ученых собраны статьи и обзоры
видных специалистов в области нанотехнологий, посвященные растровой
электронной микроскопии (РЭМ). С помощью РЭМ можно изучать свойства
наночастиц, нанопроволок, нанотрубок, трехмерных наноструктур, квантовых 
точек, магнитных наноматериалов, фотонных кристаллов и биологических 
наноструктур.
Рассмотрены различные типы РЭМ, включая просвечивающие микроскопы 
с высоким разрешением, рентгеновский микроанализ, новейшие
методы получения изображения посредством обратно рассеянных электронов, 
а также методы электронной криомикроскопии для исследования
биообъектов.
Книга предназначена для широкого круга практических специалистов
в сфере нанотехнологий, но будет полезна также студентам вузов и разработчикам 
новых типов растровых электронных микроскопов.
УДК 621.3+681.54
ББК 30.3+22.3

Деривативное издание на основе печатного аналога: Растровая электронная 
микроскопия для нанотехнологий. Методы и применение / под
ред. У. Жу, Ж. Л. Уанга ; пер. с англ. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2013. — 582 с. : ил., [16] с. цв. вкл. — ISBN 978-5-9963-1110-1.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-142-2

Translation from the English language edition:
Scanning Microscopy for Nanotechnology
edited by Weilie Zhou, Zhong Lin Wang

©
Copyright
2006 Springer Science + Business Media, LLC
All Rights Reserved

© Лаборатория знаний, 2015

Авторы

Robert Anderhalt  
 
 
 
   Роберт Андерхальт
Ametek EDAX Inc.
91 McKee Drive,
Mahwah, NJ 07430

Anzalone, Paul 
 
 
 
 
   Поль Анзалоне
FEI
5350 NE Dawson Creek Drive
Hillsboro, OR
97124-5793

P. Robert Apkarian 
 
 
 
   П. Роберт Апкариан
Integrated Microscopy and Microanalytical Facility
Department of Chemistry
Emory University
1521 Dickey Drive
Atlanta GA 30322

A. Borisevich 
 
 
 
 
   А. Борисевич  
 
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Daniela Caruntu  
 
 
 
   Даниела Карунту
Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

Gabriel Caruntu  
 
 
 
   Габриэль Карунту
Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

M. F. Chisholm  
 
 
 
   М. Ф. Чишолм
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Lesley Anglin Compbell 
 
 
 
   Лэсли Энглин Кэмпбэлл
Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

Авторы

M. David Frey 
 
 
 
 
М. Дэвид Фрей
Carl Zeiss SMT Inc.
1 Zeiss Drive
Thornwood, NY 10594

Pu Xian Ga 
 
 
 
 
Пу Ксиан Га
School of Materials Science and Engineering,
Georgia Institute of Technology
Atlanta, GA 30332-0245

A. Lucille Giannuzzi 
 
 
 
А. Люсиль Джианнуцци
FEI
5350 NE Dawson Creek Drive
Hillsboro, OR
97124-5793

Rishi Gupta 
 
 
 
 
Риши Гупта
Zyvex
1321 North Piano Road
Richardson, Texas 75081

David Joy 
 
 
 
 
Дэвид Джой
University of Tennessee
Knoxville, TN 37996

Jianye Li 
 
 
 
 
Джиани Ли
Department of Chemistry
Duke University
Durham, NC 27708-0354

Feng Li  
 
 
 
 
Фенг Ли
Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

Jie Liu  
 
 
 
 
Джи Лиу
Department of Chemistry
Duke University
Durham, NC 27708-0354

Xiaohua Liu 
 
 
 
 
Ксиаохуа Лиу
Department of Biologic and Materials Sciences
Division of Prosthodontics
University of Michigan
1011 N. University
Ann Arbor, MI 48109-1078

A. R. Lupini 
 
 
 
 
А. Р. Лупини
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Авторы          7

Peter X. Ma 
 
 
 
 
Питер Экс. Ма
Department of Biologic
and Materials Sciences
Division of Prosthodontics
University of Michigan
1011 N. University
Ann Arbor, MI 48109-1078

Tim Maitland 
 
 
 
 
Тим Мейтланд
HKL Technology Inc
52A Federal Road, Unit 2D
Danbury, CT 06810

Joe Nabity 
 
 
 
 
Джоу Нэйбити
JC Nabity Lithography Systems
Bozeman, MT 59717

Charles J. O’Connor 
 
 
 
Чарльз Дж. О’Коннор
Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

M. P. Oxley 
 
 
 
 
М. П. Оксли
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Y. Peng  
 
 
 
 
Ю. Пэнг
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Steve Pennycook  
 
 
 
Стив Пенникук
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Richard E. Stallcup II 
 
 
 
Ричард Сталлкап II
Zyvex
1321 North Piano Road
Richardson, Texas 75081

Scott Sitzman 
 
 
 
 
Скотт Ситцмэн
HKL Technology Inc
52A Federal Road, Unit 2D
Danbury, CT 06810

K. Van Benthem  
 
 
 
К. Ван Бентэм
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Авторы

Brandon Van Leer 
 
 
 
        Брэнден Ван Леер
FEI
5350 NE Dawson Creek Drive
Hillsboro, OR
97124-5793

M. Varela 
 
 
 
 
        М. Варела
Oak Ridge National Laboratory
P. O. Box 2008
Oak Ridge, TN 37831

Peng Wang 
 
 
 
 
        Пенг Уанг
Department of Biologic and Materials Sciences
Division of Prosthodontics
University of Michigan
1011 N. University
Ann Arbor, MI 48109-1078

Xudong Wang 
 
 
 
 
        Ксудонг Уанг
Center for Nanoscience and Nanotechnology (CNN)
Georgia Institute of Technology
Materials Science and Engineering Department
771 Ferst Drive, N. W.
Atlanta, GA 30332-0245

Zhong Lin Wang  
 
 
 
        Жонг Лин Уанг
Center for Nanoscience and Nanotechnology
Georgia Institute of Technology
Materials Science and Engineering
771 Ferst Drive, N. W.
Atlanta, GA 30332-0245

Guobao Wei 
 
 
 
 
        Гуобао Уэй
Department of Bioogic and Materials Sciences
Division of Prosthodontics
University of Michigan
1011 N. University
Ann Arbor, MI 48109-1078

John B. Wiley 
 
 
 
 
        Джон Б. Уайли
Department of Chemistry
and Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

Weilie Zhou 
 
 
 
 
        Уэйли Жу
Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

Mo Zhu  
 
 
 
 
        Мо Жу
Advanced Materials Research Institute
University of New Orleans
New Orleans, LA 70148

Предисловие

Успехи в нанотехнологии за последние десять лет сделали растровую (сканирующую) 
электронную микроскопию (РЭМ, или SEM — scanning electron 
microscopy) незаменимым и мощным инструментом для анализа и конструирования 
наноматериалов. Разработка наноматериалов требует использования 
современных методов и опыта получения высококачественных изображений, 
понимания специфики наноструктур и улучшения методов их 
синтеза. Ряд усовершенствований в устройствах РЭМ, таких как применение 
электронных пушек с автоэлектронной (полевой) эмиссией, детекторов 
отраженных электронов (ДОЭ, или EBSD — electron back scatter detection) 
и рентгеноспектрального картирования элементного состава, привели к повышению 
качества анализа наноматериалов. Кроме простого исследования 
материалов РЭМ может быть интегрирован в современные технологии конструирования 
и производства наноматериалов in situ. Некоторые примеры 
такой интегральной технологии включают применение наноманипулято-
ров, методов электронно-лучевой литографии и фокусированного ионного 
пучка (ФИП, или FIB — focused ion beam). Хотя эти методы еще находятся 
в стадии разработки, они широко применяются во всех аспектах исследований 
наноматериалов. Монография «Растровая электронная микроскопия 
для нанотехнологии» включает ряд последних достижений в методах РЭМ 
и демонстрирует их возможные применения. 
 В первой части книги изложены основы теории, используемой в РЭМ, 
недавно разработанные методы ДОЭ, рентгеноспектрального микроанализа, 
низковольтной электронной микроскопии, микроскопии с условиями 
естественной среды для наблюдения биоматериалов, электронно-лучевой 
нанолитографии, изготовления наноструктур с помощью ФИП и просвечивающей 
растровой электронной микроскопии (ПРЭМ, или STEM — scanning 
transmission electron microscopy). Эти главы содержат практические примеры 
использования подобных методов для исследования и получения наномате-
риалов и наноструктур.
 Во второй части приводится обсуждение применения методов анализа 
на основе РЭМ, включая исследование нанопроволок и углеродных нано-
трубок, фотонных кристаллов (ФК, или PС — photonic crystals) и приборов на 

Предисловие

их основе, наночастиц и процессов самосборки коллоидных частиц, получения 
наноблоков с помощью темплатов, одномерных полупроводниковых 
наноструктур со структурой вюрцита, биостимулированных материалов, 
применения наноманипуляторов in situ, а также растровой электронной 
криомикроскопии для исследования наноструктур. Эти методы широко используются 
при изготовлении и конструировании новых наноматериалов 
и наноструктур. 
 Уникальная особенность настоящей книги заключается в том, что она 
написана экспертами из ведущих исследовательских групп, специализирующихся 
в области разработки наноматериалов с применением методов 
РЭМ. Дополнительный вклад в исследования, конструирование и манипулирование 
наноматериалами в РЭМ in situ сделан специалистами-практиками 
из нескольких известных фирм — изготовителей оборудования. Книга 
«Растровая электронная микроскопия для нанотехнологии» будет полезным 
практическим руководством для исследователей наноматериалов, а также 
ценным справочным изданием для студентов и специалистов по растровой 
(сканирующей) электронной микроскопии. 

 Уэйли Жу
 Жонг Лин Уанг

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Словарь наиболее часто используемых аббревиатур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Глава 1. Основы растровой электронной микроскопии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1. Пространственное разрешение и уравнение Аббе  . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2. Устройство растровых электронных микроскопов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1. Электронные пушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2. Электронные линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3. Параметры колонны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4. Формирование изображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5. Вакуумная система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3. Подготовка образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.1. Процедуры получения изображений
биоорганических образцов в РЭМ высокого разрешения . . . . . . . . . . 55

3.2. Фиксация образцов и методы сушки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3. Дегидратация и высушивание на воздухе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4. Метод сублимационной криосушки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5. Сушка в критической точке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.6. Нанесение металлических покрытий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.7. Структурные исследования с помощью ВРРЭМ
химически фиксированных массивных биологических тканей,
высушенных в критической точке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Глава 2. Метод дифракции отраженных электронов (ДОЭ)
и примеры исследования материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

1.1. История . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
1.2. Как работает метод ДОЭ?  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2. Данные измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

2.1. Столбец «Фаза» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2. Подгоночный модуль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.3. Ориентация  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.4. Среднее угловое отклонение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.5. Контраст полос  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.6. Крутизна профиля полосы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Оглавление

3. Анализ данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.1. Анализ размера зерен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2. Виды карт, получаемых методом ДОЭ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4. Примеры применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.1. Алюминиевый сплав, полученный сваркой трением . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2. Деформированный интерметаллический сплав Fe–Al . . . . . . . . . . . . . 92
4.3. Тонкие пленки платины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4. 4. Медная тонкая пленка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5. Алюминиевая тонкая фольга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5. Текущие ограничения метода ДОЭ и перспективы его применения . . . . 105

5.1. Пространственное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2. Угловое разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3. Быстродействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Глава 3. Рентгеновский микроанализ в наноматериалах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

1.1. Генерация рентгеновских сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
1.2. Детектирование сигнала рентгеновского излучения  . . . . . . . . . . . . . 111
1.3. Параметры энергодисперсионного спектрометра . . . . . . . . . . . . . . . . 113
1.4. Рентгеновские артефакты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

2. Моделирование наноматериалов методом Монте-Карло . . . . . . . . . . . . . 121
3. Примеры исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

3.1. Компьютерный чип  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.2. Нанопроволока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.3. Наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Глава 4. Низкокиловольтная растровая электронная микроскопия  . . . . . . . . . . . . . . 137

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2. Генерация электронов и ускоряющее напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3. «Зачем применяют низкокиловольтный режим?» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4. Применение низких ускоряющих напряжений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Глава 5. Электронно-лучевая нанолитография
в растровом электронном микроскопе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

1.1. Основы электронно-лучевой литографии
на базе растрового микроскопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

1.2. Описание электронно-литографической системы на базе РЭМ  . . . 162
1.3. Подключение системы литографии к РЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

2. Материалы и подготовка к обработке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

2.1. Подложки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
2.2. Резисты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
2.3. Нанесение резиста центрифугированием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

3. Генератор шаблонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

3.1. Методические указания по проектированию шаблона  . . . . . . . . . . . 178

Оглавление          13

3.2. Конфигурация системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.3. Настройка микроскопа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

4. Обработка экспонированного шаблона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

4.1. Проявление  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
4.2. Нанесение резиста и взрывная технология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.3. Травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.4. Контроль шаблона и общие ошибки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

5. Применение электронно-лучевой нанолитографии в нанотехнологиии 190

5.1. Нанотранзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5.2. Нанодатчики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.3. Магнитные наноприборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.4. Биологические применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

Глава 6. Просвечивающая растровая электронная микроскопия
для исследования наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
2. Получение изображений
в просвечивающем растровом электронном микроскопе . . . . . . . . . . . . . 203
2.1. Формирование электронного зонда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
2.2. Контраст изображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

3. Получение спектральных изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4. Получение трехмерных изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5. Последние прикладные исследования в области наноструктур . . . . . . . . 234

5.1. Нанотрубки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5.2. Нанокатализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
5.3. Стабилизация подложек лантаном . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.4. Полупроводниковые нанокристаллы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
5.5. Магнитные наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.6. Наностержни из ZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
5.7. Наноразмерное разделение фаз в сложных оксидах . . . . . . . . . . . . . . 243

6. Перспективы развития ПРЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

Глава 7. Введение в наноманипулирование in situ
для конструирования наноматериалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
2. Электронно-лучевой нагар в РЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

2.1. Предотвращение появления загрязнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
2.2. Удаление загрязнений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

3. Типы наноманипуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

3.1. Лабораторные конструкции наноманипуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . 257

4. Рабочие органы манипуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

4.1. Зонды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
4.2. Зонды-кантилеверы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
4.3. Микроэлектромеханические захваты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

5. Применение наноманипуляторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

5.1. Нанопозиционирование  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
5.2. Механическое зондирование наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

Оглавление

5.3. Электрические игольчатые зонды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

5.5. Извлечение тонкого среза полупроводниковой структуры . . . . . . . . 281
5.6. Манипуляция in situ
в просвечивающем электронном микроскопе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

Глава 8. Применение фокусированного ионного пучка
и двухлучевых систем DualBeam для изготовления наноструктур . . . . . . . . 288

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
2. Генераторы шаблонов, встроенные в приборы ФИП . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
3. Травление с помощью ФИП либо ХГФО пленок
по двумерным шаблонам с программируемой дозой . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

4. Нанесение рисунка электронным лучом
с помощью встроенных генераторов шаблонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

5. Автоматизация наноразмерного управления пучком . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6. Непосредственное изготовление наноразмерных структур . . . . . . . . . . . . 299
7. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

Глава 9. Нанопроволоки и углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
2. Нанопроволоки из полупроводниковых соединений III–V . . . . . . . . . . . 302
3. Нанопроволоки из полупроводниковых соединений групп II–VI . . . . . . 315
4. Одноэлементные нанопроволоки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
5. Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

5.1. Многостенные углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
5.2. Одностенные углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
5.3. Прецизионное отрезание углеродных нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . 341

6. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

Глава 10. Фотонные кристаллы и устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

1.1. Фотонные кристаллы: что это такое? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
1.2. Физическое объяснение происхождения запрещенной зоны
в фотонных кристаллах [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

1.3. Обзор применений фотонных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

2. Растровая электронная микроскопия фотонных кристаллов . . . . . . . . . . 355

2.1. 2D фотонные кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
2.2. Трехмерные фотонные кристаллы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

3. Создание фотонных кристаллов с помощью РЭM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

3.1. Микроманипуляции в РЭM  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
3.2. Фотонные кристаллы, полученные путем микроманипуляции . . . . 367

4. Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

Глава 11. Наночастицы и коллоидные самосборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
2. Металлические наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
3. Мезо- и нанопористые металлические наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . 389

5.4. Применение наноманипуляторов в электрических зондовых 
        измерениях  интегральных микросхем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Оглавление          15

4. Нанокристаллические оксиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

4.1. Нанокристаллические оксиды для оптических применений . . . . . . . 397
4.2. Нанокристаллические магнитные оксиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

5. Наноструктурные полупроводники и термоэлектрические материалы  . 416
6. Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

Глава 12. Наноблоки, изготовленные посредством темплатов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
2. Материалы и методы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

2.1. Производство пористых мембран . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
2.2. Синтез 3D коллоидных кристаллов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
2.3. Электрохимическое осаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
2.4. Наблюдения с РЭМ и ПЭМ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

3. Наноблоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

3.1. Нанонити из пористых темплатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
3.2. Нанотрубки на основе темплатов,
модифицированных клеевыми волокнами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

3.3. Нанопроволоки со структурированными концами
из темплатов с модифицированными нанотрубками . . . . . . . . . . . . . 435

3.4. Нити из коллоидных кристаллов и пористые волокна
из прямых сборок  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

3.5. 1D, 2D, 3D инверсные коллоидные кристаллы
из трехмерных коллоидных кристаллов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445

3.6. Получение 3D металлических сферических коллоидных
кристаллов на основе инверсных коллоидных кристаллов . . . . . . . . 450

4. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

Глава 13. Одномерные полупроводниковые структуры
с кристаллической решеткой типа вюрцита . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
1. Синтез и изготовление одномерных наноструктур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

2.1. Метод газофазного осаждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
2.2. Методы химического синтеза из растворов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
2.3. Совместные методы синтеза, включающие технику литографии . . . 461

3. Одномерные наноструктуры на основе оксидов металлов  . . . . . . . . . . . . 463

3.1. Оксидные нанопроволоки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
3.2. Оксидные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
3.3. Оксидные наноленты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
3.4. Иерархическая наноструктура оксида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485

4. Механизмы роста  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

4.1. Каталитические процессы роста «пар-жидкость-кристалл» . . . . . . . 495
4.2. Самокаталитический механизм роста . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503

Глава 14. Бионаноматериалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
2. Нановолокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510

2.1. Нановолокна, полученные методом разделения фаз  . . . . . . . . . . . . . 510

Оглавление

2.2. Трехмерные нановолокнистые макропористые каркасы . . . . . . . . . . 521
2.3. Получение нановолокон посредством электропрядения . . . . . . . . . . 524

3. Наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

3.1. Применение нанокомпозитных каркасов
из полимера/гидроксиапатита в инженерии костных тканей . . . . . . 526

3.2. Наночастицы/наносферы
для доставки биологически активных агентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534

4. Модификация поверхности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

4.1. Методы модификации поверхности,
применяемые в инженерии тканей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

4.2. Нанесение желатина
на поверхность нановолокнистых PLLA каркасов  . . . . . . . . . . . . . . . 540

5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

Глава 15. Низкотемпературные стадии в наноструктурных исследованиях . . . . . . . . 549

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
2. Термины, используемые в крио-ВРРЭМ водных систем  . . . . . . . . . . . . . 550
3. Жидкая вода, лед и витрифицированная вода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
4. История развития низкотемпературной РЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
5. Аппаратура и методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556

5.1. Внутрилинзовый крио-ВРРЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
5.2. Окололинзовый крио-ВРРЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
5.3. Специальные приемы установки криообразца,
используемые при низкотемпературной растровой микроскопии . . 560

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574