72998

Сканирующая туннельная микроскопия. Исследование морфологии поверхности наноструктурированных материалов на СТМ «УМКА»

Лабораторная работа

География, геология и геодезия

Задачи лабораторной работы - изучение основ сканирующей туннельной микроскопии; получение топографии поверхности исследуемого образца в режиме постоянного туннельного тока. Высокие термостабильность и собственная резонансная частота конструкции оригинальная схема входного каскада...

Русский

2014-12-02

996.29 KB

35 чел.

1. Лабораторная работа
“Сканирующая туннельная микроскопия. Исследование морфологии поверхности наноструктурированных материалов на СТМ «УМКА»”

1.1. Задачи лабораторной работы

– изучение основ сканирующей туннельной микроскопии;

         – получение топографии поверхности исследуемого образца в режиме постоянного туннельного тока.

1.2. Назначение и область применения

Сканирующий туннельный микроскоп — нанотехнологический комплекс Умка (в дальнейшем НТК «УМКА») предназначен для ознакомления и обучения современным методам исследования поверхностей, проведения широкого класса лабораторных и исследовательских работ в области нанотехнологии, физики, химии, биологии, генетики и т.п.

Простота освоения, длительная работа без дополнительного квалифицированного обслуживания, наличие встроенной виброизоляции и специальная система сохранения зонда позволяют получать данные с высокой достоверностью и использовать комплекс в реальных условиях учебного процесса или в исследовательской лаборатории без применения

Рисунок 1. Общий вид НТК «УМКА»

специальных мер по виброизоляции и электромагнитной совместимости. Высокие термостабильность и собственная резонансная частота конструкции, оригинальная схема входного каскада усилителя туннельного тока, работающая с пикоамперными токами в полосе частот до 100 кГц, позволяет исследовать биологические и слабо проводящие обьекты без ополнительных технологических операций (запыление металлом и т.п.).

Открытая аппаратная и программная архитектура, основанная на системе плагинов — дополнительно подключаемых программных модулей, дает возможность пользователю подключать собственные программы и аппаратные средства.

1.3. Основной принцип действия

Принцип действия туннельного микроскопа основан на хорошо известном в квантовой механике принципе туннелирования электронов через диэлектрический барьер в системе металл — диэлектрик — металл (полупроводник), рис 2.

Рисунок 2.   Энергетические уровни в     системе металл-диэлектрик-металл в состоянии равновесия при отсутствии смещения

Если электроды находятся под одним потенциалом, то система пребывает в термодинамическом равновесии и уровни Ферми электродов совпадают

При подаче разности потенциалов, ток в такой системе может появиться либо в результате перекрытия электронных облаков ( при малых напряжениях и малых расстояниях, когда форма барьера практически не меняется), либо в результате автоэмиссии – вырыванием электронов из металла сильным полем, когда форма барьера принимает сильно нессиметричную (треугольную форму) и эффективная толщина его при этом уменьшается, рис. 3.

Рисунок 3. Энергетические уровни системы МДМ при: а) малом смещении; б) большом смещении

В качестве одного из электродов выступает исследуемый образец, который должен быть проводящим (металл, полупроводник, тонкая туннельно прозрачная пленка диэлектрика на поверхности проводника, материал с большой поверхностной проводимостью и т.п.) В качестве другого – игла туннельного микроскопа (зонд), заточенная в идеале до 1 атома на кончике, обычно из вольфрама, платины и ее сплавов и т.п. Туннельный микроскоп, работающий в области низких напряжений, оказывается очень чувствительным к расстоянию между поверхностью и кончиком иглы. Ток (It), протекающий в такой системе, определяется разницей работы выхода электронов материалов образца – зонда (Af) расстоянием между образцом (точнее между эквипотенциальной поверхностью над образцом) и зондом (h), разницей потенциалов поверхность – зонд (Ut).

где e = 1,6*10-19 К – заряд электрона; n≈ 1028 м3 – концентрация электронов проводимости; V =106 м/с – скорость электронов; F – площадь поперечного сечения пучка электронов; D – вероятность прохождения электронов через зазор L в режиме туннельного эффекта

а

где m – масса электрона, m = 9,1095кг; Ф – величина эффективного энергетического барьера системы зонд_объект; ћ — постоянная Планка, Дж·с.

Величина зазора входит в значение туннельного тока как показатель степени экспоненциальной зависимости вероятности туннелирования. Этим обуславливается крайне резкая зависимость туннельного тока от расстояния, что позволяет строить системы с высочайшим разрешением по высоте.

Упрощенная схема туннельного микроскопа представлена на Рис. 4.

Рисунок 4. Упрощенная схема туннельного микроскопа: УТТ – усилитель туннельного тока; УВВ – высоковольтный усилитель

Если управлять расстоянием зонд – образец путем механического перемещения зонда (по оси Z) и построить систему обратной связи таким образом, чтобы туннельный ток был постоянным и «развернуть» (просканировать) по осям X и Y– то мы имеем возможность (зная перемещение, которое системе пришлось применить схемой управления двигателем Z для поддержания постоянства тока) получить функцию, пропорциональную рельефу поверхности образца, рис. 5.

Рисунок 5. Сканирование в режиме постоянного тока (I_const)

Другой метод получения информации о топографии поверхности – зафиксировать начальную высоту зонда над поверхностью и отслеживать изменения тока при сканировании в плоскости образца. Этот метод (метод постоянной высоты) применим только к атомарно гладким поверхностям, когда высота рельефа меньше, чем величина туннельного зазора, рис. 6.

Рисунок 6. Сканирование в режиме постоянной высоты (h_const)

V-модуляция

 В методе V-модуляции, помимо постоянного напряжения смещения Vt, к туннельному контакту прикладывается малое переменное напряжение Vs.

При этом обратная связь держится на постоянном сигнале, а переменная составляющая туннельного тока используется для формирования спектроскопического изображения. Таким образом, одновременно с измерением топографии возможно топогра-фирование локальной плотности состояний.

Z-Модуляция.

Для этого расстояние игла — образец необходимо промодулировать на малую величину d и измерить переменную компоненту туннельного тока.

Таким образом, возможно измерять не только топографию, но и разделять области разного состава, различающиеся значениями работы выхода.

1.4. Задание

Получить СТМ-изображение DVD-диска.

Описание образца: DVD - диск – это легкодоступный материал с заранее известными характеристиками. Поэтому в микроскопии фрагменты DVD используют для калибровки микроскопа, для определения качества игл, предназначенных для сканирования, а так же возможно использование в качестве подложки.

Диски DVD хранят данные, за счет расположенных насечек вдоль спиральных треков на отражающей металлической поверхности, покрытой

пластиком. Расстояния между информационными дорожками на спирали дисков DVD - 0,74 мкм.

1.5. Порядок выполнения работы:

Приготовление образца: находящийся в наборе тестовых образцов фрагмент полностью готов к сканированию. Если в результате каких-либо ваших действий образец загрязнился, то необходимо его очистить. Кроме того, предоставляемый образец покрыт тонкой пленкой золота и поэтому с течением времени не окисляется. Но подобный образец можно приготовить и самому. Для этого необходимо отрезать от диска небольшой кусочек и отделить пластиковое покрытие от металлической поверхности. Полученная поверхность пригодна для сканирования около 40 минут, затем она окисляется.

Рекомендуемые ток и напряжение сканирования: I= 0,5 V, U= 0,5 nA. Поставьте следующие начальные значения: разрешение 128х128, R-канал рельефа и сканирование по постоянному току I const. Выделите максимальное поле сканирования, при этом начальные точки по X и Y будут в положении «0,0». Откройте Дополнительные настройки и поставьте следующие параметры: количество измерений в точке – 1 раз, скорость перемещения между точками ~ 150, время ожидания в точке ~ 25 х 100 мкс.

Результаты сканирования подобных образцов:

Рис. 1. СТМ-изображение DVD-диска 2,12х2,12 мкм

1.6. Контрольные вопросы

1.6.1. Назовите основные компоненты СТМ и их назначение. Объясните принцип работы СТМ на примере туннельного контакта двух проводников.

1.6.2. Что такое режим постоянного тока и постоянной высоты?

1.6.3. Что такое V- и Z-модуляция? Для чего они применяются?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75554. Видатні представники українського народу 84 KB
  Підготувати учнів до самостійного складання інтервю на основі прочитаної газетної статті. We are going to talk about some noted Ukrainians who in different times demonstrated their highest intellectual level in numerous branches of science, technology and arts. By the end of the lesson you should be able
75555. Леонід Каденюк — перший космонавт незалежної України, Контроль позакласного читання 26 KB
  Аудіювання тексту Leonid Kdeniuk is the first stronut of the independent Ukrine. Leonid Kdeniuk 2 WhileListening ctivities. Leonid Kdeniuk is the First stronut of the Independent Ukrine Leonid Kdeniuk is the first stronut of the independent Ukrine.
75556. Канада. Географічне положення. Перші українці в Канаді. Canada. The first Ukrainians in Canada. The geographical position of Canada 21.68 KB
  Підготувати учнів до самостійного усного повідомлення за запропонованою комунікативною ситуацією з опорою на прочитаний текст і план. Ввести нові ЛО та відпрацювати їх вживання у мові.
75557. Тарас Шевченко — великий український поет 90 KB
  Підготувати учнів до самостійного висловлювання за запропонованою ситуацією на основі змісту прочитаного тексту. Наука і культура. Дозвілля. Science and Culture. Free Time.
75558. Книги в нашому житті, Контроль позакласного читання 21.98 KB
  Обладнання: підручник Reding Preferences НО1 текст It is interesting to red different kinds of booksrdquo;. Т: We re going to discuss the topic Books in our life . By the end of the lesson you should be ble: to prticipte in common converstionl exchnges bout books in your life; to identify detils from the given text; to discuss tsk 3 of your Home Reding.Т: Do you like reding Do you spend much time reding Not counting mgzines for teengers how much do you red out of school One book week One fortnight month One now nd gin Wht kind...
75559. Канада. Перші українці в Канаді, План-конспект уроку з англійської мови для учнів 9-х класів 56.5 KB
  Мета: Перевірити рівень навчальних досягнень учнів за вивченими темами: Cnd. The first Ukrinins in Cnd . Т: We\'ve got test tody to check your skills in communictive writing bout Cnd nd the first Ukrinins in Cnd. By the end of the lesson you will be ble: to mtch the English words word combintions nd sentences with their Ukrinin equivlents Level 1 2; to put the questions to show your bility of operting fcts bout Cnd nd the first Ukrinins in Cnd Level 3; to write bout Cnd nd the first Ukrinins in Cnd to check your skills in communictive...
75560. Об’єднане Королівство Великобританії та Північної Ірландії. Географічне положення 59.5 KB
  Explin how you understnd these syings Wht is the min sense of them б Т: Listening to joke Fthers nd sons . Wht is the resemblnce between Kyiv Ottw nd London They re the cpitls of the countries. Blck Red White Yellow wht word not colour cn be dded to ech of these to put them ll in the sme group Se Wht countries mke up Gret Britin Englnd Scotlnd nd Wles. Wht nother nme does the English Chnnel hve L Mnche Is the UK n Europen country Yes it is.
75561. Економічний розвиток Великобританії, План-конспект уроку з англійської мови для учнів 9-х класів 61 KB
  Tody we re going to tlk bout the economicl development of Gret Britin. Jigsw sentences: The crds re mixed Gret Britin in the world one of the leding countries is fmous Gret Britin for its woolen industry hs got highly developed industry Gret Britin II. Активізація ЛО теми The industry of Gret Britin nd Northern Irelnd .T: Gret Britin is fmous for.
75562. Україна та Великобританія, План-конспект уроку з англійської мови для учнів 9-х класів 61.5 KB
  Обладнання: підручник географічні карти Великобританії та України Odd One Out на дошці Red the questions bout Ukrine HO1 Fill in the missing informtion H02 Pick up the sentences Ho3. Т: Tody we re going to tlk bout the geogrphicl position nd the climte of Ukrine nd Gret Britin. By the end of the lesson you should be ble: to understnd the gist nd detils of the text for listening; to give comprtive chrcteristics of the geogrphicl position nd climte of Ukrine nd Gret Britin; to discuss Tsk 4 of your Home Reding. Аудіювання тексту...