СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 2

Техника сканирующей зондовой микроскопииВ различных технических приложениях широкое распространение получилипреобразователи из пьезокерамических материалов. Пьезокерамика представляет собойполяризованный поликристаллический материал, получаемый методами спеканияпорошков из кристаллических сегнетоэлектриков.

Поляризация керамики производитсяследующим образом. Керамику нагревают выше температуры Кюри (для большинствапьезокерамик эта температура менее 300°С), а затем медленно охлаждают в сильном(порядка 3 кВ/см) электрическом поле. После остывания пьезокерамика имеетнаведенную поляризацию и приобретает способность изменять свои размеры(увеличивать или уменьшать в зависимости от взаимного направления вектораполяризации и вектора внешнего электрического поля). Основные характеристикииспользуемых в технике керамических материалов можно найти в книге [16].Пьезокерамики представляют собой пьезоэлектрические текстуры.

Вид тензорапьезоэлектрических констант для пьезокерамик существенно упрощается - отличнымиот нуля являются только три коэффициента d33, d31, d15, характеризующиепродольные, поперечные (по отношению к вектору поляризации) и сдвиговыедеформации. Рассмотрим плоскую пластину из пьзокерамики (рис. 2) во внешнем поле.rrПусть вектор поляризации P и вектор электрического поля E направлены вдоль осиX. Тогда, обозначая d|| = d 33 и d ⊥ = d 31 , получаем, что деформации пьезокерамики внаправлении, параллельном полю, равна u xx = d || E x , а в перпендикулярном полюнаправлении u rr = d ⊥ E x .rPxEРис.

2. Пластина из пьезокерамики во внешнем электрическом полеВ сканирующей зондовой микроскопии широкое распространение получилитрубчатые пьзоэлементы (рис. 3). Они позволяют получать достаточно большиеперемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях.Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры,изготовленные из пьезокерамических материалов.

Обычно электроды в виде тонких11слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубки, а торцытрубки остаются непокрытыми.rxРис. 3. Трубчатый пьезоэлементПод действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродамитрубка изменяет свои продольные размеры. В этом случае продольная деформация поддействием радиального электрического поля может быть записана в виде:u xx =∆x= d ⊥ E r , где l0 - длина трубки в недеформированном состоянии.l0Абсолютное удлинение пьезотрубки равно∆x = d ⊥l0V,hгде h – толщина стенки пьезотрубки, V - разность потенциалов между внутренним ивнешним электродами. Таким образом, при одном и том же напряжении V удлинениетрубки будет тем больше, чем больше ее длина и чем меньше толщина ее стенки.Соединение трех трубок в один узел (рис.

4) позволяет организоватьпрецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярныхнаправлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом.XZРис. 4. Сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых пьезоэлементах12Глава 1. Техника сканирующей зондовой микроскопииНедостатками такого сканера являются сложность изготовления и сильнаяасимметрия конструкции. На сегодняшний день в сканирующей зондовой микроскопиинаиболее широко используются сканеры, изготовленные на основе одного трубчатогоэлемента. Общий вид трубчатого сканера и схема расположения электродовпредставлены на рис. 5. Материал трубки имеет радиальное направление вектораполяризации.-YР+Y+XZ-XРис.

5. Трубчатый пьезосканерВнутренний электрод обычно сплошной. Внешний электрод сканера разделен пообразующим цилиндра на четыре секции. При подаче противофазных напряжений напротивоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходитсокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает снаправлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположныестороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Такимобразом осуществляется сканирование в плоскости X,Y.

Изменение потенциалавнутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению илисокращению трубки по оси Z. Таким образом, можно реализовать трехкоординатныйсканер на базе одной пьезотрубки. Реальные сканирующие элементы имеют частоболее сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются теми же самыми.Широкое распространение получили также сканеры на основе биморфныхпьзоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенныемежду собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из них направлены впротивоположные стороны (рис. 6).

Если подать напряжение на электроды биморфа,как показано на рис. 6, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, чтоприведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементовсоздается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродамитак, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а вдругом было направлено противоположно.13EPРис. 6. Устройство биморфного пьезоэлементаИзгиб биморфа под действием электрических полей положен в основу работыбиморфных пьезосканеров.

Объединяя три биморфных элемента в одной конструкции,можно реализовать трипод на биморфных элементах (рис. 7).XБиморфныйэлементZYРис. 7. Трехкоординатный сканер на трех биморфных элементахЕсли внешние электроды биморфного элемента разделить на четыре сектора, томожно организовать движение зонда по оси Z и в плоскости X,Y на одном биморфномэлементе (рис. 8).14Глава 1.

Техника сканирующей зондовой микроскопии++_+__(а)(в)(б)(г)Рис. 8. Схематическое изображение работы биморфного пьезосканераДействительно, подавая противофазные напряжения на противоположные парысекций внешних электродов, можно изгибать биморф так, что зонд будет двигаться вплоскости X,Y (рис. 8 (а, б)). А изменяя потенциал внутреннего электродаотносительно всех секций внешних электродов, можно прогибать биморф, перемещаязонд в направлении Z (рис.

8 (в, г)).Нелинейность пьезокерамикиНесмотря на ряд технологических преимуществ перед кристаллами,пьезокерамики обладают некоторыми недостатками, отрицательно влияющими наработу сканирующих элементов. Одним из таких недостатков является нелинейностьпьезоэлектрических свойств. На рис.

9 в качестве примера приведена зависимостьвеличины смещения пьезотрубки в направлении Z от величины приложенного поля. Вобщем случае (особенно при больших управляющих полях) пьезокерамикихарактеризуются нелинейной зависимостью деформации от поля (или от управляющегонапряжения). Таким образом, деформация пьезокерамики является сложной функциейвнешнего электрического поля :ru ij = u ij ( E ) .Для малых управляющих полей данная зависимость может быть представлена вследующем виде:15u ij = d ijk E k + α ijkl Ek El + ....,где dijk и αijkl -линейные и квадратичные модули пьезоэлектрического эффекта.V∆ZZEE*Рис. 9. Схематичное изображение зависимости смещения керамикиот величины приложенного электрического поляТипичные значения полей E*, при которых начинают сказываться нелинейныеэффекты, составляют порядка 100 В/мм.

Поэтому для корректной работы сканирующихэлементов обычно используются управляющие поля в области линейности керамики(E < E*).Крип пьезокерамикиДругим недостатком пьезокерамики является так называемый крип(creep - ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющегоэлектрического поля. На рис. 10 схематично показаны временные диаграммыизменения управляющих полей и соответствующих смещений сканера по оси Z и вплоскости X,Y.Vz , ∆ZVx , ∆XttРис. 10.

Схематические временные диаграммы изменения управляющего поляна Z-электроде в цепи обратной связи и на X-электроде в процессе сканирования(показаны синим цветом). Красным цветом схематично показаны зависимости,соответствующие реакции сканера на изменение управляющих напряжений16Глава 1. Техника сканирующей зондовой микроскопииКрип приводит к тому, что в СЗМ изображениях наблюдаются геометрическиеискажения, связанные с этим эффектом. Особенно сильно крип сказывается при выводесканера в заданную точку для проведения локальных измерений и на начальных этапахпроцесса сканирования.

Для уменьшения влияния крипа керамики применяютсявременные задержки в указанных процессах, позволяющие частично скомпенсироватьзапаздывание сканера.Гистерезис пьезокерамикиЕще одним недостатком пьезокерамик является неоднозначность зависимостиудлинения от направления изменения электрического поля (гистерезис).∆ZVZVРис. 11. Зависимость величины смещения пьезотрубкиот величины и направления приложенного напряженияЭто приводит к тому, что при одних и тех же управляющих напряженияхпьезокерамика оказывается в различных точках траектории в зависимости отнаправления движения (рис. 11).

Для исключения искажений СЗМ изображений,обусловленных гистерезисом пьезокерамики, регистрацию информации присканировании образцов производят только на одной из ветвей зависимости∆Z = f ( V ) .1.3. Устройства для прецизионных перемещений зонда иобразцаОдной из важных технических проблем в сканирующей зондовой микроскопииявляется необходимость прецизионного перемещения зонда и образца с цельюобразования рабочего промежутка микроскопа и выбора исследуемого участкаповерхности. Для решения этой проблемы применяются различные типы устройств,17осуществляющих перемещения объектов с высокой точностью.

Широкоераспространение получили различные механические редукторы, в которых грубомуперемещению исходного движителя соответствует тонкое перемещение смещаемогообъекта. Способы редукции перемещений могут быть различными. Широкоприменяются рычажные устройства, в которых редукция величины перемещенияосуществляется за счет разницы длины плеч рычагов. Схема рычажного редуктораприведена на рис. 12.L∆L∆llРис.

12. Схема рычажного редуктора перемещенийМеханическийкоэффициентомR=∆L L=∆l lрычагпозволяетполучатьредукциюперемещенияс.Таким образом, чем больше отношение плеча L к плечу l, тем более точноможно контролировать процесс сближения зонда и образца.Также в конструкциях микроскопов широко используются механическиередукторы, в которых редукция перемещений достигается за счет разницыкоэффициентов жесткости двух последовательно соединенных упругих элементов(рис. 13). Конструкция состоит из жесткого основания, пружины и упругой балки.Жесткости пружины k и упругой балки K подбирают таким образом, чтобывыполнялось условие: k < K .18Глава 1.

Техника сканирующей зондовой микроскопииkKРис. 13. Схема пружинного редуктора перемещенийИз условия равновесия следует, чтоFупр = k ⋅ ∆l = K ⋅ ∆L ,где ∆l и ∆L - смещения пружины и упругой балки. В этом случае коэффициентредукции равен отношению коэффициентов жесткости упругих элементов:R=∆l K=∆L k.Таким образом, чем больше отношение жесткости балки к жесткости пружины,тем точнее можно контролировать смещение рабочего элемента микроскопа.Шаговые электродвигателиШаговые электродвигатели (ШЭД) представляют собой электромеханическиеустройства, которые преобразуют электрические импульсы в дискретные механическиеперемещения (дискретное вращение ротора).