Сканирлеуші зондтық микроскопия

1. Сканирлеуші зондтық микроскоптың жалпы конструкциясы
2. Датчиктердің түрлері
3. Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар
4. Кері байланыс жүйесі
5. СЗМ мәліметтерінің форматтары, эксперимент нәтижелерін ұсыну мен өңдеу тәсілдері

Қатты денелердің беттерін зерттеуге арналған көптеген әдістер бар. Микроскопия, ұлғайтылған кескінді алатын құрал ретінде жәндіктерді зерттеуге арналған ұлғайтатын қарапайым шынылар алғаш жасалған кезде XV ғ. пайда болды. XVII ғ. соңында Антонио ван Левенгук жеке жасушалардың, ауру тарататын микробтар мен бактериялардың болатынын көрсетуге мүмкіндік берген оптикалық микроскопты ойлап тапты. 20 ғ. өзінде электрон және ион шоқтарының көмегімен жасалатын микроскопия әдістері жасалды.
Осы аталған әдістердің бәрінде келесі принцип орындалады: зерттелетін үлгіні бөлшектер ағынымен жарықтандыру және оның келесі түрленулері. Сканирлеуші зондтық микроскопияда басқа принцип оындалады – зондтаушы бөлшектердің орнына онда механикалық зонд, ине қолданылады. Егер оптикалық және электрондық микроскоптарда үлгі қаралатын болса, СЗМ оны сезеді.
СЗМ әдісінің атауында көрсетілген басқа маңызды принцип сканирлеу принципі, яғни зерттеу объекті туралы орташаланған ақпаратты алу емес, зондты дискретті жылжыту (нүктеден нүктеге, сызықтан сызыққа) және әрбір нүктедегі ақпаратты есепке алу.
1. Сканирлеуші зондтық микроскоптың жалпы конструкциясы
СЗМ келесі негізгі құраушылардан тұрады (1-1 сурет):
1. зонд;
2. үлгі;
3. зерттелетін үлгінің бетімен зондты жылжытуға арналған пьезоэлектрлік x, y, z қозғалтқыштары;
4. горизонталь жазықтықта зондтың сканирлеуін қамтамасыз ететін, х және у пьезодрайверлеріне кернеу беретін айналдыру генераторы;
5. зонд пен үлгінің жергілікті әсерлесу шамасын тіркейтін электрондық датчик;
6. датчиктің тізбегіндегі ағымдағы V(t) сигналды SP алғашқы берілген сигналымен салыстыратын және ол ауытқыған кезде түзейтін Vfb сигнал өндіретін компаратор;
7. z осі бойымен зондтың қозғалуын басқаратын кері байланыстың электрондық тізбегі;
8. Сканирлеу процесі мен кескінді алуды басқаратын компьютер (9).

1. наноматериалов. М.: КомКнига, 2006, -592 с. (Синергетика: от прошлого к будущему).
2. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: «Техносфера», 2005, -144 с.
3. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике, (Мир электроники). М.: Техносфера, 2006, -160 с.
4. Сборник под ред. Мальцева П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника, (Мир материалов и технологий. Мировые достижения за 2005 год). М.: Техносфера, 2006, -152 с.

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 10 бет
Таңдаулыға:

Сканирлеуші зондтық микроскопия

1. Сканирлеуші зондтық микроскоптың жалпы конструкциясы
2. Датчиктердің түрлері
3. Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар
4. Кері байланыс жүйесі
5. СЗМ мәліметтерінің форматтары, эксперимент нәтижелерін ұсыну мен өңдеу тәсілдері

Кіріспе
Қатты денелердің беттерін зерттеуге арналған көптеген әдістер бар. Микроскопия, ұлғайтылған кескінді алатын құрал ретінде жәндіктерді зерттеуге арналған ұлғайтатын қарапайым шынылар алғаш жасалған кезде XV ғ. пайда болды. XVII ғ. соңында Антонио ван Левенгук жеке жасушалардың, ауру тарататын микробтар мен бактериялардың болатынын көрсетуге мүмкіндік берген оптикалық микроскопты ойлап тапты. 20 ғ. өзінде электрон және ион шоқтарының көмегімен жасалатын микроскопия әдістері жасалды.
Осы аталған әдістердің бәрінде келесі принцип орындалады: зерттелетін үлгіні бөлшектер ағынымен жарықтандыру және оның келесі түрленулері. Сканирлеуші зондтық микроскопияда басқа принцип оындалады - зондтаушы бөлшектердің орнына онда механикалық зонд, ине қолданылады. Егер оптикалық және электрондық микроскоптарда үлгі қаралатын болса, СЗМ оны сезеді.
СЗМ әдісінің атауында көрсетілген басқа маңызды принцип сканирлеу принципі, яғни зерттеу объекті туралы орташаланған ақпаратты алу емес, зондты дискретті жылжыту (нүктеден нүктеге, сызықтан сызыққа) және әрбір нүктедегі ақпаратты есепке алу.

1. Сканирлеуші зондтық микроскоптың жалпы конструкциясы

СЗМ келесі негізгі құраушылардан тұрады (1-1 сурет):

1. зонд;
2. үлгі;
3. зерттелетін үлгінің бетімен зондты жылжытуға арналған пьезоэлектрлік x, y, z қозғалтқыштары;
4. горизонталь жазықтықта зондтың сканирлеуін қамтамасыз ететін, х және у пьезодрайверлеріне кернеу беретін айналдыру генераторы;
5. зонд пен үлгінің жергілікті әсерлесу шамасын тіркейтін электрондық датчик;
6. датчиктің тізбегіндегі ағымдағы V(t) сигналды SP алғашқы берілген сигналымен салыстыратын және ол ауытқыған кезде түзейтін Vfb сигнал өндіретін компаратор;
7. z осі бойымен зондтың қозғалуын басқаратын кері байланыстың электрондық тізбегі;
8. Сканирлеу процесі мен кескінді алуды басқаратын компьютер (9).

1-1 сурет. Сканирлеуші зондтық микроскоптың жалпы схемасы. 1 - зонд; 2 - үлгі; 3 - пьезоэлектрлік қозғалтқыштар x, y, z; 4 - пьезокерамиканың x, y-не бағыттау кернеуінің генераторы; 5 - электрондық датчик; 6 - компаратор; 7 - кері байланыстың электрондық тізбегі; 8 - компьютер; 9 - кескін z(x,y)

2. Датчиктердің түрлері

Сканирлеуші зондтық микроскоптың негізінде зерттелетін заттың беті мен зонд арасында, оларды ~ қашықтыққа дейін өзара жақындатқан кезде пайда болатын локалдық әсерлесуді детектирлеу, мұндағы - зонд-үлгі әсерлесуінің қшуінің сипаттамалық ұзындығы, Зонд-үлгі әсерлесуінің табиғатына байланысты: сканирлеуші туннельдік микроскоп (СТМ, туннельдік ток өлшенеді), сканирлеуші күштік микроскоп (ССМ, күштік әсерлесу тіркеледі), жақынөрістік сканирлеуші оптикалық микроскоп (БСОМ, электромагниттік сәуле тіркеледі) және т.б. болып бөлінеді. Сканирлеуші күштік микроскопия күштік әсерлесудің түріне қарай өз кезегінде атомдық-күштік микроскопия (АСМ), магниттік-күштік микроскопия (МСМ), электро-күштік микроскопия (ЭСМ) және басқаларына бөлінеді.

Зондтық микроскопияның негізгі екі түрі СТМ және АСМ болып келеді.
Туннельдік датчиктегі туннельдік токты өлшеу кезінде зонд пен үлгі арасында өтетін ток тізбегіне жалғанған ток-кернеу түрлендіргіші (ТКТ) қолданылады. Қосудың екі нұсқасы болуы мүмкін: үлгіге ығысу кернеуі жерге тұйықталған зондқа қатысты берілетін жерге тұйықталған зонд арқылы немесе ығысу кернеуі зондқа үлгіге қатысты берілетін жерге тұйықталған үлгімен қосылуы мүмкін.

1-2 сурет. Туннельдік датчиктің сызбанұсқасы

Күштік әсерлесудің дәстүрлі датчигі кремний микробалка, кантилевердің ұшында орналасқан зонд пен үлгінің арасындағы күштік әсерлесу нәтижесінде пайда болатын кантилеверді иілдіру шамасын тіркеудің оптикалық схемасындағы консоль немесе кантилеверден тұрады (ағылшын. cantilever - консоль) (1-3 сурет).

1-3 сурет. Күштік датчиктің сызбанұсқасы

Күштік микроскопия жүргізудің контактілі емес, контактілі және үзілісті-контактілі (жартылай контактілік) тәсілдерін бөледі. Контактілі тәсілді қолдану зонд үлгіге тіреледі деп ұйғарады. Кантилеверді ию кезінде контактілік күштер әсерінен одан шағылған лазер сәулесі фотодетектордың центріне қатысты ығысады. Осылайша, кантилевердің ауытқуы фотодетектордың төменгі және жоғарғы жарты бөлігіндегі жарықтылықтың салыстырмалы өзгерісі бойынша анықталуы мүмкін.

Контактілі емес әдісті қолдану кезінде зонд беттен алыстатылған және алыстан әсер ететін тартылыс күштерінің әсер ету аумағында болады. Тепкіш контактілік күштерден тартылыс күштері мен олардың градиенттері әлсіздеу болады. Сондықтан оларды тіркеу үшін ,әдетте, модуляциялық әдістеме қолданылады. Ол үшін пьезовибратордың көмегімен кантилевер резонанстық жиілікке вертикаль тербеледі. Беттен алыстағанда кантилевердің тербеліс амплитудасы максимал шамаға ие болады. Бетке жақындатқан сайын тартылыс күшінің градиентінің әсерінің салдарынан кантилевердің тербелісінің резонанстық жиілігі өзгереді, бұдан оның тербеліс амплитудасы азаяды. Бұл амплитуда фотодетектордың төменгі және жоғарғы жарты бөлігіндегі айнымалы жарықтылықтың салыстырмалы өзгерісіне қатысты оптикалық жүйенің көиегімен тіркеледі.

Жартылайконтактілі өлшеу тәсілінде күштік әсерлесуді өлшеудің модуляциялық методикасын қолданадыспособе измерений также применяется модуляционная методика измерения силового взаимодействия. Күштік әсерлесуді детектирлеудің басқа да қарапайымырақ тәсілдері бар, оларда күштік әсерлесуді электрлік сигналға тура түрлендіреді. Осындай тәсілдердің бірі күштік әсерлесудің әсерінен пьезоматериал иілген кездегі тура пьезоэффектті қолдануға арналған.

3. Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар

Инені өте кіші қашықтыққа жылжыту үшін СЗМ-да пьезоэлектрлік қозғалтқыштар қолданылады. Олардың міндеті - үлгіні қозғалмайтын зондқа қатысты жылжыту немесе зондты қозғалмайтын үлгіге қатысты жылжыту арқылы зерттелетін үлгіні зондпен механикалық сканирлеуді қамтамасыз ету.
Заманауй СЗМ-дарда қолданылатын пьезоэлектрлік қозғалтқыштардың көбісінің жұмысы кері пьезоэффектті қолдануға негізделген, ол пьезоматериал өлшемдерін электр өрісінің әсерімен өзгертуге негізделген. СЗМ-да қолданылатын пьезокерамик алардың көбінің негізі әр түрлі қоспалар енгізілген Pb(ZrTi)O3 ( қорғасынның цирконат-титанаты, ҚЦТ) болып келеді.
Бір жағынан бекітілген пьезопластинканың ұзаруы келесі өрнекпен анықталады:

мұндағы l - пластинаның ұзындығы, h - пластинаның қалыңдығы, U - пьезопластинаның жақтарында орналасқан электродтарға берілген электрлік кернеу, d31 - материалдың пьезомодулі.
Пьезокерамикалық қозғалтқыштардың шығарылатын көптеген пішіндері мен түрлері бар. Олардың әрқайсысының 0.1 ден 300 нмВ аралығындағы ерекше пьезомодулі болады. Кеңею коэффициенті 0.1 нмВ керамика 100 мВ кернеу берілгенде 0.1 Å ге жылжытуға мүмкіндік береді, ол атомдық ажыратуды алуға жеткілікті болады. Сканирлеудің үлкен диапазонын (бірнеше жүздеген микрон) алу үшін пьезомодулінің мәні үлкен пьезокерамика қолданылады.
x, y (үлгінің латеральнды жазықтығында) және z (вертикаль бойымен) үш координаты бойынша жылжытуды қамтамасыз ететін пьезокерамикадан жасалған конструкция сканер деп аталады. Сканерлердің бірнеше түрі бар, олардың кеңірек тарағандары үш аяқты және трубалы (1-4 сурет).

1-4 сурет. Сканерлердің негізгі конструкциялары

Үшаяқты сканерде үш координат бойынша жылжытуды ортогональды құрылымда орналасқан үш тәуелсіз пьезокерамика қамтамасыз етеді.
Трубалық сканерлер Z осі бойынша трубканы созу немесе сығу және латералдық жазықтықта пьезоэлектрлік трубканы ию арқылы жұмыс істейді. X және Y бағыттарда трубканың жылжуын басқаратын электродтар трубканың сыртқы бетінде төрт сегмент түрінде орналастырылады (1-4. б сурет). X бағытында трубканы +X-ке ию үшін электродқа оның бір шетін созу үшін кернеу беріледі. Y бағытындағы қозғалысты беру үшін де дәл осы принцип қолданылады. X және Y бағыттарындағы ығысу берілген кернеуге және трубканың ұзындығының квадратына пропорционал болады. Z бағытындағы қозғалыс трубканың центріндегі электродқа кернеу беру арқылы жасалады. Бұл бүкіл трубканың оның ұзындығы мен берілген кернеуге пропорционал ұзаруына алып келеді.
СЗМ - да бетті сканирлеу процесі телевизордың электронды сәулелік трубкасындағы экран бойынша электрондық сәуленің қозғалысына ұқсас болады (1-5 сурет). Зонд сызықтың (жолдың) бойымен алдымен тура бағытта ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.