Отчет по лабораторной работеСканирующий зондовый микроскоп

Исследование поверхности твердых тел методом атомной силовой микроскопии.

Каширин Дмитрий, 305 гр.

Цель работы: 1. Изучение принципов работы прибора NanoEducator(СЗМ), основных

компонентов СЗМ и их назначения.2. Получение топографии поверхности исследуемого образца в режиме силового

взаимодействия. 3. Обработка и анализ полученных изображений.

Принцип работы:

В основе сканирующей зондовой микроскопии лежит детектирование локального взаимодействия, возникающего между зондом и поверхностью исследуемого образца при их взаимном сближении до расстояния ~ λ, где λ - характерная длина затухания взаимодействия «зонд-образец». Двумя основными методами зондовой микроскопии являются СТМ и АСМ. Сканер и двигатель используются для контроля перемещений зонда на сверхмалые расстояния при СЗМ измерениях. Принцип работы основан на пьезоэлектрических двигателях. Работа большинства их основана на обратном пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в изменении размеров материала под действием электрического поля.

Зондовый датчик (рис.1) состоит из игольчатого зонда, закрепленного на трубчатой консоли, которая, в свою очередь, закреплена на неподвижном основании. Одна часть консоли используется как пьезовибратор, другая — как датчик механических колебаний. К пьезовибратору подводится переменное напряжение с резонансной частотой системы. При приближении же зонда к исследуемой поверхности игла начинает взаимодействовать с образцом.

Сила взаимодействия пропорциональна R/r, где R - радиус закругления иглы датчика, а r - расстояние до поверхности. Степень взаимодействия увеличивается, а амплитуда колебаний уменьшается, что влечет изменение величины сигнала от датчика.

Процесс сканирования поверхности заключается в том, что зонд движется вдоль линии сначала в прямом, а потом в обратном направлении, затем переходит на следующую строку. Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими

Рис. 1. Конструкция универсального датчика прибора NanoEducator.

шагами под действием пилообразных напряжений, подаваемых с генератора развертки. В процессе сканирования производится поддержка постоянной величины взаимодействия «зонд-образец». Реализуется это с помощью системы обратной связи. При возрастании сигнала сенсора, он сравнивается с опорным напряжением, и компанатор вырабатывает корректирующий сигнал. В качестве датчика силового взаимодействия одна часть пьезоэлектрического трубчатого кантилевера используется как пьезовибратор, а другая - как датчик механических колебаний (рис.1). К пьезовибратору подводится переменное электрическое напряжение с частотой, равной резонансной частоте электромеханической системы «кантилевер-зонд», при этом на второй части пьезоэлемента (датчике колебаний) возникает переменное электрическое напряжение, пропорциональное смещению зонда.

При приближении зонда к поверхности образца зонд начинает взаимодействовать с образцом в процессе колебаний. Изменение силы взаимодействия приводит к изменению величины сигнала, снимаемого с датчика.

Ход работы:1. Установка образца и зондового датчика.2. Определение резонансной частоты в автоматическом режиме.3. Подвод зонда:

первоначальный подвод зонда под контролем видеокамеры с микроскопом, затем подвод зонда автоматически самим прибором.

4. Сканирование. Получена топография исследуемой поверхности.5. Обработка данных

Топография поверхности.

6. .

Характерные размеры отверстий:

№ dy, нм dx,нм1 125,52 1215,72 117,91 1281,53 114,684 123,41

среднее 120,38 1248,6dx-ширинаdy-глубина

2)

№ dy, нм dx,нм1 95,59 511,422 99,64 481,333 98,18

среднее 97,80333 496,375

3)

№ dy,нм dx,нм1 115,65 875,692 113,22 940,563 110,8 940,564 97,37

среднее 109,26 918,9367

Расстояния между дорожками.

№ dx,нм dy,нм1 757,65 14,4 757,78682 625,88 17,31 626,11933 757,65 10,68 757,7253

среднее 713,8771

Расстояние между дорожками 714 нм

Расстояние между дорожками 656 нмПространственное разрешение:

№ dx,нм dy,нм1 671,4 14,23 671,552 639,43 11,16 639,53

среднее 655,54

X-Y: 50 нм Z: 2 нм

Вывод: мы изучили принцип работы сканирующего силового микроскопа, получили топографию поверхности исследуемого образца, проанализировали полученные данные.