Нанокомпозиты на основе оксидов 3d-металлов. Исследования морфологии и структуры методами электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии

Для исследования нанокомпозитных пленок стандартная схема съёмки рентгеновской дифрактограммы по Бреггу-Брентано плохо подходит, так как при большом угле падения луч проходит в плёнке короткий путь, почти не рассеивается и зондирует в основном подложку. Поэтому для исследования плёнок применяется метод скользящего падения, когда угол падения фиксирован и мал, а меняется только угол отражения (рис. 3). При этом, однако, нарушаются условия фокусировки, поэтому пики получаются более широкими и слабыми, точность измерения углов 2 ухудшается по сравнению с объёмными материалами.

Рис. 3. Схемы съемки рентгеновских дифрактограмм в нормальном режиме и режиме скользящего падения

2.4. Рентгеноспектральные методы с применением синхротронного излучения для исследования нанокомпозитов

Экспериментальные исследования с применением синхротронного излучения (СИ) являются сегодня инструментом решения как фундаментальных, так и прикладных задач самых разнообразных областей науки: физики, материаловедения, химии, биологии и пр. Применение СИ, обладающего чрезвычайно высокой спектральной яркостью в широком диапазоне длин волн, сильной поляризацией, импульсным характером и пространственной когерентностью, позволило расширить возможности традиционных методов исследования, в том числе методов исследования веществ и материалов с использованием рентгеновского диапазона: рентгеновской дифракции, рентгеновской спектроскопии поглощения, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской эмиссионной спектроскопии, рентгенофлуоресцентной спектроскопии, методов малоуглового рассеяния и пр. Благодаря высокой яркости источников СИ появилась возможность получать высокоинтенсивные пучки с малым сечением, чрезвычайно возросли разрешение и чувствительность методов исследования. Применение синхротронного излучения позволило исследовать структуры не только монокристаллических образцов, но и аморфных (без дальнего порядка), жидких и даже газообразных, микро- и наноразмерных объектов, тонких слоев, межфазных границ [88].

Итак, синхротронное излучение обладает малым поперечным сечением и высокой параллельностью рентгеновских пучков, сильной поляризацией, имеет импульсную природу и непрерывный спектр. В совокупности все эти свойства дают явные преимущества при проведении физических экспериментов, как во времени, так и в качестве получаемой информации, по сравнению с лабораторными и делают методы с применением СИ эффективнейшим инструментом исследования нанокомпозитных материалов.

2.4.1. Рентгеновская спектроскопия поглощения с использованием СИ

Рентгеновская спектроскопия поглощения (англоязычный термин XAS – X-ray absorption spectroscopy) основан на изучении тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения (XAFS – X-ray absorption ёne structure) и является одним из методов структурного анализа. Обязан своим бурным развитием в последние десятилетия XX в. появлению источников синхротронного излучения, ведь именно применение СИ позволило получить, для измерений энергетической зависимости коэффициента поглощения, высокоинтенсивное рентгеновское излучение с любой необходимой длиной волны. С применением СИ значительно упростилось измерение спектров любых элементов и концентраций. Применение СИ в рентгеновской спектроскопии поглощения позволило сократить время измерений без потери точности. Выгодной особенностью СИ является также сравнительно малое поперечное сечение и высокая параллельность рентгеновских пучков, а также возможность дополнительно коллимировать и фокусировать их с помощью рентгеновской оптики. Кроме того, для разработки новых методов экспериментальных исследований в настоящее время успешно используют импульсную природу, поляризацию и когерентность СИ [89]. Возможность регистрации экспериментальных спектров XAFS с разрешением по времени дает возможность исследования структурных изменений при различных реакциях, в частности динамики изменений фазового состава при химических реакциях. Проведение in situ- измерений XAFS спектров также позвляет изучать влияние внешних воздействий (давление, температура, наличие атмосферы определенного газа и т.д.) на локальную и электронную структуры исследуемых материалов. Исследовать структурные и химические процессы.