6.1 (829317)
Текст из файла
Атомный практикум. 2017 год.Исследование поверхности твердых тел методами туннельной и атомно-силовойспектроскопииОтчет по лабораторной работе №6.1Камешков Олег ЭдуардовичГруппа 14311Цель: Освоение сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) как метода исследованияповерхности твердых тел.Задачи:1.
Изучить принципы работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) иатомно-силового микроскопа (АСМ)2. Исследовать поверхность образца – фрагмент DVD - дискаИдея метода измерения:Все методы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) основаны на одном принципедействия: острый зонд подводится к исследуемой поверхности на расстояние порядка 1 нм.В результате такого приближения между образцом и зондом устанавливается физическоевзаимодействие, силу которого можно измерить. Интенсивность измеряемого сигналаимеет обычно сильную зависимость от расстояния «зонд – образец», что используется дляконтроля данного расстояния.Теоретическая часть:Основное отличие между различными разновидностями методов СЗМ (сканирующаятуннельная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, сканирующая ближнепольнаяоптическая микроскопия, магнитно-силовая микроскопия, ближнепольная акустическаямикроскопия и т.д.) лежит в типе взаимодействия, используемого для контроля расстояния«зонд – образец».В данной работе используется СТМ и АСМ.
Изучим подробнее.Принцип действия СТМ.Принцип действия СТМ основан на явлении электронного туннелирования – прохожденияэлектроном потенциального барьера, образованного разрывом электрической цепи –небольшим промежутком между зондом и поверхностью исследуемого образца. Еслимежду зондом (иглой) и образцом прикладывается небольшое электрическое напряжение (U t ), через промежуток порядка 1нм начинают происходить туннельные переходыэлектронов, т.е. начинается протекание так называемого «туннельного тока» ( I t ).Упрощенная формула для туннельного тока (случай одномерного потенциального барьера):I t U t exp(−adϕ 1/2 ) U t exp(−bd )где I t – туннельный ток; U t – прикладываемое напряжение; d – величина туннельногопромежутка (расстояние между иглой и поверхностью образца); - средняя высотапотенциального барьера между двумя электродами; а, b - константы.
Таким образом, впростейшем случае туннельный ток экспоненциально зависит от ширины и высоты барьера(соответственно d туннельного промежутка, а также от работы выхода материалов образцаи иглы). Эта экспоненциальная зависимость обусловливает высокую разрешающуюспособность СТМ, прежде всего, по высоте, и делает возможным достижение атомарногоразрешения.В случае трехмерного случая при малом напряжении и в предположении, что острие иглыимеет форму полусферы с центром в точке r, а волновая функция, описывающаяКафедра общей физики. Физический факультет НГУ.1Атомный практикум. 2017 год.электронную структуру поверхности, имеет вид атомной функции s-типа, то выражениедля туннельного тока:I t U t ρ s ( r , EF ) ρ t ( EF )где ρ s (r , EF ) , ρt ( EF ) – плотности электронных состояний на уровне Ферми в образце иигле соответственно.Режимы работыРазличают два режима работы1.
Режим постоянного тока («топографический»)В режиме постоянного тока («топографическом») система обратной связи постояннорегистрирует туннельный ток и вносит такие корректировки в высоту зависания иглы,управляя при этом двигателями подачи иглы, чтобы величина заданного операторомтуннельного тока оставалась постоянной в каждой точке сканирования.
Игла при этомостается всегда на одном и том же расстоянии от поверхности, и коррекция высоты иглыпрямо отражает рельеф поверхности образца. Происходящее при этом вертикальное поотношению к плоскости сканирования перемещение пьезопривода отражает геометриюповерхности.2. Режим постоянное высотыВ режиме «постоянной высоты» или быстрого сканирования цепь обратной связи неотслеживает профиль поверхности, т.е. не изменяется положение иглы по оси z, но при этомрегистрируются изменения туннельного тока и поверхность описывается в виде массива∆I ( x, y ) .
Данный режим полезен при исследовании с атомарным разрешениемотносительно ровных поверхностей, таких, как например, монокристаллы, поскольку прификсированном положении иглы проще обеспечить механическую стабильность системы вцелом, а изменения туннельного тока очень чувствительны к изменению туннельногопромежутка d. При этом данный режим не применим для исследования образцов снеизвестной морфологией или заведомо шероховатых поверхностей, так как великавероятность повреждения иглы.Предельное разрешение сканирующего туннельного микроскопаОсновные факторы, влияющие на разрешение:1. Физические характеристики пьезосканера - запаздывание деформации / реакциипьезокерамики в ответ на изменение управляющего напряжения.2.
Температурный дрейф – неконтролируемое смещение иглы относительно образца врезультате температурного расширения3. Управляющая электроника – корректность измерение туннельного тока4. Внешние вибрацииСравним метод описанный выше с АСМ.Принцип действия.Суть метода АСМ заключается в том, что при сканировании вдоль исследуемойповерхности зондирующим острием, закрепленном на кронштейне малой механическойжесткости (кантилевере) (Рис. 1), регистрируются отклонения последнего под действиеммежатомных (межмолекулярных) сил. По отклонению консоли кантилевера отслеживаютсяособенности рельефа поверхности.Кафедра общей физики. Физический факультет НГУ.2Атомный практикум. 2017 год.Рис.1.
Общая блок-схема атомно-силового микроскопа с оптической регистрацией изгибаРежимы работы:1. Контактный режим (d < 0.2 – 0.3 нм)В случае контактной АС - микроскопии сильная зависимость ван-дер-ваальсовых силотталкивания от расстояния приводит к тому, что отклик (или изгиб) кантилевера приизменении расстояния между острием зонда и образцом значителен, что позволяетиспользовать достаточно простые схемы детектирования отклонений кантилевера(например, по отклонению луча лазера (Рис.1).2. Бесконтактный (d > 0.4 нм)В случае неконтактного режима или режима притяжения, АСМ отслеживает вандер-ваальсовы силы притяжения между зондом и образцом.
Характер зависимости силпритяжения от расстояния приводит к меньшему отклику кантилевера на изменениерасстояния между зондом и образцом. Кроме того, необходимо использовать болеежесткий кантилевер, так как мягкий при приближении на расстояния, достаточно малыедля реализации контактного режима, «прилипнет» к поверхности. Жесткий кантилеверменее чувствителен к слабым силам, чем мягкий, что приводит к необходимостиприменения более чувствительной и более сложной схемы регистрации отклонений.Внеконтактном режиме система колеблет кантилевер около его резонансной частоты(обычно 200 – 300 кГц) с амплитудой порядка нескольких десятков ангстрем, а затемрегистрирует изменения в резонансной частоте или амплитуде при приближении зонда кповерхности, т.е. контролируется и поддерживается постоянной системой обратной связиименно резонансная частота кантилевера.3.
Tapping ModeЯвляется разновидностью контактной АС - микроскопии, но по принципу действияподобен неконтактному режиму. В этом режиме кантилевер осциллирует при резонанснойчастоте с высокой амплитудой, порядка 100 нм. Во время каждой осцилляции зондкасается образца. Вероятность нанесения повреждения поверхности уменьшается, так какисключены трение и протаскивание зонда по поверхности. Вертикальные сила достаточновелики, чтобы деформировать поверхность мягких и эластичных материалов, поэтомуTapping Mode - изображение часто представляет смесь топографических и эластическихсвойств поверхности образца.Кафедра общей физики. Физический факультет НГУ.3Атомный практикум.
2017 год.Методика измерении:Представленная работа выполняется на воздушном мультимикроскопе СММ2000Т. На базеданного прибора реализовано два метода, относящихся к семейству сканирующей зондовоймикроскопии: сканирующая туннельная микроскопия (режим постоянного тока) и атомносиловая микроскопия (контактный режим).В лабораторной комнате прибор установлен на массивном виброизоляционном столе:стальном коробе, заполненном песком, на который уложена мраморная плита, некасающаяся стенок короба. Сверху прибор закрыт стальной крышкой, изнутри обитойвойлоком, обеспечивающей акустическую изоляцию.
Описанные меры позволяютповысить разрешение прибора за счет уменьшения уровня механических вибрацийсканирующей конструкции. Закрепление образца на предметном столике прибораосуществляется с помощью двух пружин, затягиваемых прижимаемыми винтами. Даннаяконструкция не только позволяет надежно фиксировать образец, но и обеспечиваеттребуемый электрический контакт. С обратной стороны столика расположены кварцевыенаправляющие полозья, необходимые для ручного и грубого подвода образца к игле. Приработе со столиком, необходимо проявлять повышенную осторожность, поскольку кварцдостаточно 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 бытьиспользованы для работы на воздухе.
В случае механического срезания проволоки Pt/Irсплава формируется многоострийная игла.Результаты:В данной работе исследовался фрагмент DVD – диска при помощи СТМ в режимепостоянного тока. Все данные были получены, обработаны и распечатаны на месте влаборатории.Литература в отчете:1. А.В. Нартова, Исследование поверхности твердых тел методами туннельной иатомно-силовой спектроскопииКафедра общей физики.
Физический факультет НГУ.4.
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
