6.1 Контрольные вопросы (829316)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Отчет по лабораторной работе 6.1 Исследование поверхности твердых тел методами туннельной и атомно­силовой спектроскопии Оборудование: Сканирующий туннельный микроскоп СММ2000Т; предметный столик СТМ; предметный столик АСМ; АСМ ­ модуль; блок питания микроскопа; блок электроники микроскопа (встроен в системный блок компьютера); персональный компьютер; система виброизоляции. Цель работы: Освоение сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) как метода исследования поверхности твердых тел. Изучение принципа работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и атомно­силового микроскопа (АСМ). Исследование поверхности образца – тонкая пленка оксида алюминия на поверхности проводящей подложки алюминийсодержащего сплава фекралой. Основные формулы: X=5эВ T = exp(− 2h S √2mX ) I = e ρνАT V ⊂ 1­10nA А=10^­16 cм^2 ­ площадь т уннельного контакта I0=5nA U0=400mV V=10^8см/c Установка: В лабораторной комнате прибор установлен на массивном виброизоляционном столе: стальном коробе, заполненном песком, на который уложена мраморная плита, не касающаяся стенок короба. Сверху прибор закрыт стальной крышкой, изнутри обитой войлоком, обеспечивающей акустическую изоляцию. Описанные меры позволяют повысить разрешение прибора за счет уменьшения уровня механических вибраций сканирующей конструкции. Закрепление образца на предметном столике прибора осуществляется с помощью двух пружин, затягиваемых прижимаемыми винтами. Данная конструкция не только позволяет надежно фиксировать образец, но и обеспечивает требуемый электрический контакт. С обратной стороны столика расположены кварцевые направляющие полозья, необходимые для ручного и грубого подвода образца к игле. При работе со столиком, необходимо проявлять повышенную осторожность, поскольку кварц достаточно хрупок, а сохранность полозьев необходима для прецизионной работы прибора. В работе используются Pt/Ir ­ иглы, подготавливаемые срезанием ножницами. Pt/Ir ­ иглы обладают высокой устойчивостью к окислению, потому могут быть использованы для работы на воздухе. В случае механического срезания проволоки Pt/Ir ­ сплава формируется многоострийная игла. Контрольные вопросы 1. Назовите основные компоненты сканирующего зондового микроскопа и их назначение. Все методы СЗМ основаны на одном принципе действия: острый зонд подводится к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм. В результате такого приближения между образцом и зондом устанавливается физическое взаимодействие, силу которого можно измерить. Интенсивность измеряемого сигнала имеет обычно сильную зависимость от расстояния «зонд – образец», что используется для контроля данного расстояния. Относительное перемещение зонда и образца (сканирование) реализуется с помощью пьезокерамического сканера, который изменяет размеры под воздействием прикладываемого напряжения. 2. Какое я вление лежит в основе работы сканеров? Все методы СЗМ основаны на одном принципе действия: острый зонд подводится к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм. В результате такого приближения между образцом и зондом устанавливается физическое взаимодействие, силу которого можно измерить. 3. Какие физические принципы лежат в основе работы метода СТМ? Принцип действия СТМ основан на явлении электронного туннелирования – прохождения электроном потенциального барьера, образованного разрывом электрической цепи – небольшим промежутком между зондом и поверхностью исследуемого образца. Если между зондом (иглой) и образцом прикладывается небольшое электрическое напряжение (Ut), через промежуток порядка 1 нм начинают происходить туннельные переходы электронов, т.е. начинается протекание так называемого «туннельного тока» (It). При положительном напряжении, приложенном к образцу, электроны туннелируются из заполненных состояний зоны проводимости иглы на свободные состояния зоны проводимости образца. При отрицательном напряжении электроны туннелируются из образца в зонд. 4. Что такое «режим постоянного тока»? Режим постоянного тока — наиболее часто используемый режим получения картин СТМ. В этом режиме игла движется вдоль поверхности образца при постоянных значениях напряжения и тока. Для поддержания постоянной величины тока при фиксированном напряжении система слежения постоянно подстраивает вертикальное положение иглы, варьируя напряжение V z на z­пьезоэлектрическом элементе.Игла при этом остается всегда на одном и том же расстоянии от поверхности, и коррекция высоты иглы прямо отражает рельеф поверхности образца. 5. Что такое «режим постоянной высоты (зонда)»? В режиме «постоянной высоты» или быстрого сканирования цепь обратной связи не отслеживает профиль поверхности, т.е. не изменяется положение иглы по оси z, но при этом регистрируются изменения туннельного тока I и поверхность описывается в виде массива I(х, у). Последний режим полезен при исследовании с атомарным разрешением относительно ровных поверхностей, таких, как например, монокристаллы, поскольку при фиксированном положении иглы проще обеспечить механическую стабильность системы в целом, а изменения туннельного тока очень чувствительны к изменению туннельного промежутка d. При этом данный режим не применим для исследования образцов с неизвестной морфологией или заведомо шероховатых поверхностей, так как велика вероятность повреждения иглы. В связи с этим, наибольшее распространение получил режим постоянного тока, как более универсальный. 6. Какая информация может быть получена с использованием метода СТМ? Топографию поверхности металлов с высоким (вплоть до атомарного) разрешением в сверхвысоком вакууме. Позже метод был применен для исследования других материалов, таких как: полупроводники, тонкие непроводящие пленки или биологические молекулы в различных условиях, как­то: вакуум, воздух или жидкость 7. Какие требования предъявляются к СТМ ­ зондам? Наиболее распространенными являются W/Re и Pt/Ir. Выбор материала зависит от конкретной задачи исследования. В частности, вольфрам ­ рениевые иглы используются в условиях сверхвысокого вакуума, так как на воздухе они подвергаются окислению, тогда как Pt/Ir зонды гораздо устойчивее к окислению и используются для работы в средах, включая воздух. 8. Опишите способы подготовки СТМ ­ зондов? В свою очередь, выбранный материал определяет способ формирования острия – для W/Re зондов необходимо электрохимическое травление, а платино ­ родиевые иглы могут быть изготовлены и простым механическим срезанием кончика ножницами. 9. Назовите факторы, определяющие качество СТМ ­ изображений, получаемых в эксперименте? Предельное разрешение сканирующего туннельного микроскопа, в первую очередь, определяется физическими характеристиками пьезосканера и точностью измерения регистрируемого сигнала – туннельного тока. На практике же именно приборная реализация общих принципов формирования изображения СТМ во многом определяет качество получаемой информации. В частности, поскольку сканирование обычно производится изгибанием трубчатого сканера, на участках изображения, отвечающих максимальному отклонению, могут наблюдаться искажения . К схожему эффекту приводит явление криппа – запаздывание деформации / реакции пьезокерамики в ответ на изменение управляющего напряжения. Еще один фактор нестабильности положения зонда относительно исследуемой поверхности – влияние колебаний температуры сканера в ходе эксперимента. Учитывая малость расстояния «игла – образец» (1 нм), очевидно, что при изменении температуры сканера за счет различий в коэффициентах температурного расширения его деталей, особенно пьезокерамики, происходит неконтролируемое смещение иглы относительно образца – температурный дрейф 10. Наконец, важную роль играет качество схемотехнических решений управляющей электроники – корректность измерения туннельного тока, точность получения и поддержания напряжения, подаваемого на пьезоэлементы сканера, устройства системы обратной связи и т.д. 10. Какие образцы могут быть исследованы методом СТМ? (Требования к образцам.) К объектам для исследования на СТМ предъявляются два основных требования: низкая шероховатость поверхности и хорошая проводимость материала. Требования по шероховатости поверхности регламентируются перемещением зонда сканера по нормали к поверхности объекта, т.е. технической характеристикой микроскопа. При исследованиях с помощью микроскопа СММ­2000Т необходимо, чтобы размах колебаний между впадинами и выступами на поверхности объекта не превышал 2 мкм. В противном случае зонд может или воткнуться в поверхность и разрушиться, или отойти от неё на такое расстояние, при котором протекания туннельного тока невозможно. 11. В ч ем заключается сканирующая туннельная спектроскопия (СТС)? Обычное СТМ ­ изображение содержит «свертку» информации как о геометрии (топографии) поверхности, так и о ее электронных свойствах. Более полные сведения об электронных характеристиках поверхности можно получить из данных сканирующей туннельной спектроскопии. Основное достоинство СТС состоит в том, что сравнение кривых ВАХ, записанных в одинаковых условиях, для различных объектов на поверхности образца может позволить на качественном уровне определить их природу. 12. Какую информацию позволяет получить метод СТС? Регистрируя зависимость туннельного тока от напряжения, можно определять плотность электронных состояний выше и ниже уровня Ферми, в частности, получать прямую информацию о положении запрещенной зоны в полупроводниках. Если зафиксировать положение иглы относительно образца над выбранной областью поверхности (при этом отключается цепь обратной связи), то, разворачивая потенциал, прикладываемый к системе «игла – образец», и регистрируя синхронно ток, протекающий через туннельный контакт, можно получить зависимость туннельного тока от этого потенциала, т.е. вольт – амперную характеристику (ВАХ). 13. Какие физические принципы лежат в основе работы метода АСМ? Суть метода АСМ заключается в том, что при сканировании вдоль исследуемой поверхности зондирующим острием, закрепленном на кронштейне малой механической жесткости (кантилевере), регистрируются отклонения последнего под действием межатомных (межмолекулярных) сил. По отклонению консоли кантилевера отслеживаются особенности рельефа поверхности. 14. Что представляет собой кантилевер? Кантилевер – небольшая кремниевая пластинка с закрепленной консолью, балкой с золотым покрытием, на конце которой выращена игла – зонд. Кантилевер имеет размеры, удобные д ля его смены оператором. 15. Какие режимы АСМ вы знаете? При изучении рельефа поверхности методом АСМ используется один из режимов взаимодействия зонда и поверхности в зависимости от расстояния между ними – в области отталкивания (d < 0.2 – 0.3 нм) – «контактный режим» и в области притяжения (d > 0.4 нм) – «неконтактный режим» . В случае контактной АС ­ микроскопии сильная зависимость ван­дер­ ваальсовых сил отталкивания от расстояния приводит к тому, что отклик (или изгиб) кантилевера при изменении расстояния между острием зонда и образцом значителен, что позволяет использовать достаточно простые схемы детектирования отклонений кантилевера (например, по отклонению луча лазера. В случае неконтактного режима или режима притяжения, АСМ отслеживает ван­ дер­ваальсовы силы притяжения между зондом и образцом. Характер зависимости сил притяжения от расстояния приводит к меньшему отклику кантилевера на изменение расстояния между зондом и образцом. 16. Зависит ли выбор режима АСМ от механических свойств и структуры поверхности? Кроме того, необходимо использовать более жесткий кантилевер, так как мягкий при приближении на расстояния, достаточно малые для реализации контактного режима, «прилипнет» к поверхности. Жесткий кантилевер менее чувствителен к слабым силам, чем мягкий, что приводит к необходимости применения более чувствительной и более сложной схемы регистрации отклонений. В неконтактном режиме система колеблет кантилевер около его резонансной частоты (обычно 200 – 300 кГц) с амплитудой порядка нескольких десятков ангстрем, а затем регистрирует изменения в резонансной частоте или амплитуде при приближении зонда к поверхности, т.е. контролируется и поддерживается постоянной системой обратной связи именно резонансная частота кантилевера. 17. Как работает оптическая схема регистрации сигнала в АСМ? Отслеживание изгиба консолей осуществляется по отклонению луча полупроводникового лазера (фирма Sony, длина волны 670 нм, максимальная мощность 5 мВатт, используемая мощность 2 мВатта), регистрируемого с помощью фотоприемника. 18. Для чего используется математическая обработка микроскопических изображений? Использование процедур цифровой (математической) обработки СЗМ ­ изображения необходимо для повышения его качества (устранения случайных шумов, периодических наводок, сбоев ступенек, устранения общего наклона изображения и т.д.) .

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лабораторной работы