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

19 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

7916. Література. Драматургія. Архітектура та містобудування. Живопис. Музика. Музеї. Українські підприємці-благодійники. Родини Терещенків та Харитоненків 34.55 KB
  Література. Драматургія. Архітектура та містобудування. Живопис. Музика. Музеї. Українські підприємці-благодійники. Родини Терещенків та Харитоненків Мета: Створити умови для всебічного розуміння учнями всіх особливостей розвитку української культур...
7917. Фольклор та декоративно-ужиткове мистецтво. Повсякденне життя: звичаї, традиції, побут. Зміни у житті українських жінок. Особливості релігійного життя 26.35 KB
  Фольклор та декоративно-ужиткове мистецтво. Повсякденне життя: звичаї, традиції, побут. Зміни у житті українських жінок. Особливості релігійного життя МЕТА: розуміння учнями всіх особливостей розвитку народного мистецтва. пов...
7918. Поняття людини як біосоціальної істоти 22.26 KB
  Поняття людини як біосоціальної істоти Людина... Хто вона така? На перший погляд це питання зовсім просте. Хто ж не знає, хто така людина? Адже на рівні здорового глузду кожен з нас впевнено виділяє людину з оточуючого середовища, її відмінність від...
7919. Радянська українізація та культурна революція. Освіта та наука 68 KB
  Радянська українізація та культурна революція. Освіта та наука. Перемога радянської влади в Україні призвела до того, що всі досягнення в галузі українізації були визнані контрреволюційними, націоналістичними та ворожими народу. В 1919 та на початку...
7920. Українська культура періоду ІІ світової війни 58 KB
  Українська культура періоду ІІ світової війни Радянські митці у своїх творах оспівували масовий героїзм, стійкість, ратні подвиги радянських воїнів, їх безмежну відданість Комуністичній партії, беззавітну любов до Батьківщини. У період Великої Вітчи...
7921. Політика Українізації 59 KB
  Українізація Причини українізації Політикаукраїнізаціїсуперечила великодержавним прагненням ВКП(б), але була вимушена ворожим ставленням до радянської влади з боку населення України, національна свідомість якого зросла за попередні десят...
7922. Освіта: братські школи, Острозька та Києво-Могилянська колегії (Академії) 82.5 KB
  Освіта: братські школи, Острозька та Києво-Могилянська колегії (Академії). Братства - релігійно-національні товариства, що їх створювали при церковних парафіях члени ремісничих та цехових організацій по містах України в 15-17 ст., продовжуючи традиц...
7923. Як зацікавити сучасних школярів предметами духовно-морального спрямування 17.73 KB
  Як зацікавити сучасних школярів предметами духовно-морального спрямування. Ессе на конкурс до Острозької академії. На сучасному етапі розвитку українського суспільства постає проблема виховання моральності школярів. Так як, батьківська турбота сьогодні, в основному, орієнтується на матеріа...
7924. Правобережна Україна в другій половині ХVIII століття 65.5 KB
  Тема уроку. Правобережна Україна в другій половині ХVIII століття. Мета уроку: охарактеризувати події другої половині ХVIII століття на території правобережної України розглянути особливості повстань на західній Україні розвивати вміння учнів анал...