Фізичний факультет Кафедра фізики твердого тіла Презентація на

Фізичний факультет Кафедра фізики твердого тіла Презентація на тему: Підготував: студент 514 групи Гунько Михайло

ЗМІСТ: 1. 2. 3. 4. 5. Принципи роботи скануючих зондових мікроскопів Скануючі елементи зондових мікроскопів Пристрої для прецизійних переміщень зонда і зразка Захист зондових мікроскопів від зовнішніх чинників. Формування й обробка СЗМ зображень

У скануючих зондових мікроскопах (СЗМ) дослідження поверхні твердого тіла, зокрема рельєфу, здійснюються зондами у формі голок. Розміри робочої частини таких зондів (вістря) приблизно десять нанометрів. Характерна відстань між зондом і поверхнею складає 0, 1– 10 нм. Розглянемо загальні основи роботи зондових мікроскопів. Нехай взаємодія зонда з поверхнею характеризується деяким параметром Р. Якщо існує достатньо чітка й взаємно однозначна залежність параметра Р відстані „зонд–зразок” Р=Р(z), то цей параметр можна використати для організації системи зворотного зв'язку (ЗЗ), яка контролює відстань між зондом і зразком.

Рис. 1. Організація системи зворотного зв'язку скануючого зондового мікроскопа Система зворотного зв'язку підтримує значення параметра Р постійним за величиною Р 0, яка встановлюється оператором. Якщо відстань „зонд– поверхня” змінюється (наприклад збільшується), то відбувається зміна (збільшення) параметра Р. У системі ЗЗ формується різницевий сигнал, пропорційний величині P=P–P 0, який підсилюється й подається на виконавчий елемент (ВЕ). Виконавчий елемент обробляє різницевий сигнал, наближуючи зонд до поверхні або віддаляючи його доти, доки різницевий сигнал не стане рівним нулю. У такий спосіб можна підтримувати відстань „зонд–зразок” із високою точністю.

Оскільки СЗМ володіє роздільною здатністю порядку десятих ангстрема, дуже важливо, щоб зонд рухався максимально близько до поверхні й контролювався з ангстремною точністю. Ця задача розв'язується за допомогою спеціальних маніпуляторів – скануючих елементів (сканерів або п'єзосканерів). Скануючі елементи зондових мікроскопів виготовляються з п'єзоелектриків. П'езоелектрики змінюють свої розміри в зовнішньому електричному полі згідно з рівнянням зворотнього п'єзоефекту. У різних технічних пристроях широко застосувуються перетворювачі з п'єзокерамічних матеріалів (титанад цирконію, титанад цирконату свинцю тощо).

Рис. 2. Трубчастий п'єзоелемент Трубчасті п'єзоелементи – це порожнисті тонкостінні циліндри, виготовлені з п’езокерамічних матеріалів. Електроди у вигляді тонких шарів металу наносяться на зовнішню й внутрішню поверхні трубки, а торці трубки залишаються непокритими. Під дією різниці потенціалів між внутрішнім і зовнішнім електродами трубка змінює свої повздовжні розміри. Абсолютне видовження п'єзотрубки дорівнює При одній і тій самій напрузі U подовження трубки буде тим більшим, чим більша її довжина і чим менша товщина її стінки.

Рис. 3. Скануючий елемент, зібраний із трубчастих п'єзоелементів З'єднання трьох трубок в один вузол (рис. 3) дозволяє організувати прецизійні переміщення зонда мікроскопа в трьох взаємно перпендикулярних напрямах Ox, Oy, Oz. Такий скануючий елемент називається триподом.

Важливою технічною проблемою в скануючій зондовій мікроскопії є прецизійне переміщення зонда і зразка з метою утворення робочого проміжку мікроскопа й вибору досліджуваної ділянки поверхні. Широко застосовуються пристрої важелів, в яких редукція величини переміщення здійснюється за рахунок різниці довжини плечей важелів. Механічний важіль дозволяє отримувати редукцію переміщення з коефіцієнтом Рис. 4. Важільний редуктор переміщень

Для захисту приладів від зовнішніх вібрацій застосовують різні типи віброізолюючих систем, які умовно можна поділити на пасивні й активні. Основна ідея пасивних віброізолюючих систем полягає в наступному. Амплітуда вимушених коливань механічної системи швидко спадає зі збільшенням різниці між частотою збудження й власною резонансною частотою системи. Якщо помістити вимірювальну головку зондового мікроскопа на платформу або пружний підвіс, то на корпус мікроскопа пройдуть лише зовнішні коливання з частотами, близькими до резонансної частоти віброізолюючої системи. Оскільки власні частоти головок СЗМ складають 10– 100 к. Гц, а резонансна частота віброізолюючої системи приблизно 5– 10 Гц, то така значна різниця частот дозволяє ефективно захистити прилад від зовнішніх вібрацій. Для захисту головок СЗМ також успішно застосовують активні системи послаблення зовнішніх вібрацій. Такими пристроями є електромеханічні системи з від'ємним зворотним зв'язком, який забезпечує стабільне положення віброізолюючої платформи в просторі.

Зонд рухається вздовж лінії (рядки) спочатку в прямому, а потім у зворотному напрямі (рядкова розгортка), далі переходить на наступний рядок (кадрова розгортка). Рух зонда здійснюється за допомогою сканера невеликими кроками під дією пилкоподібних напруг, які формуються цифро-аналоговими перетворювачами. Реєстрація інформації про рельєф поверхні відбувається, як правило, на прямому скануванні Рис. 5. Процес сканування (напрямого ходу сканера позначений горизонтальними стрілками)

а б Рис. 6. 3 D (а) та 2 D (б) зображення фрагменту поверхні зразка пористого кремнію

Процес сканування поверхні в скануючому зондовому мікроскопі відбувається так, що частота реєстрації інформації в рядку значно (приблизно в 100 разів) відрізняється від частоти реєстрації рядків. При цьому високочастотні шуми містяться, в основному, в рядках СЗМ зображення, а низькочастотні шуми змінюють відносне положення рядків. Окрім цього, часто під час сканування змінюється відстань „зонд – зразок” внаслідок мікрорухів в елементах конструкції вимірювальної головки мікроскопа або внаслідок зміни стану робочої частини зонда У кожному рядку сканування знаходиться середнє значення висоти рельєфу Потім від значень висот у кожному рядку кадру віднімаються відповідні середні значення Отже в новому кадрі в кожному рядку середнє значення висот буде дорівнювати нулю. Тоді сходинки, пов'язані з різкими змінами середнього значення в рядках, будуть видалені з кадру

б а Рис. 7 АСМ зображення поверхні зразка Cd. Te (111), імплантованої іонами As: до усереднення за рядками (а), після усереднення (б) Стандартне програмне забезпечення зондових мікроскопів містить достатньо широкий набір засобів візуалізації й обробки СЗМ даних. Крім того, дані, одержані на скануючому зондовому мікроскопі, можуть бути експортовані в текстовий (ASCII) формат для подальшого спеціалізованого аналізу або збережені в одному з графічних форматів (наприклад tiff, jpg).