Основы сканирующей зондовой микроскопии

Министерство образования и науки РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО"

Кафедра материаловедения,

технологии и управления качеством

КУРСОВАЯ РАБОТА

ОСНОВЫ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

студента 1 курса 121 группы направления

"Материаловедение и технологии материалов"

факультета нано - и биомедицинских технологий

Чаплыгина Андрея Эдуардовича

Научный руководитель

О.А. Иноземцева

Саратов 2013

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов

1.2 Сканирующие элементы зондовых микроскопов

1.3 Защита зондовых микроскопов от внешних воздействий

1.3.1 Защита от вибраций

1.3.2 Защита от акустических шумов

1.3.3 Стабилизация термодрейфа положения зонда над поверхностью

1.4 Формирование и обработка СЗМ изображений

1.5 Атомно-силовая микроскопия

2. Практическая часть

2.1Сравнение АСМ с растровым электронным микроскопом (РСМ)

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования свойств поверхности. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии - технологии создания структур с нанометровыми масштабами. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В своих работах они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомарного. Настоящее признание данная методика получила после визуализации атомарной структуры поверхности ряда материалов и, в частности, реконструированной поверхности кремния. В 1986 году за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена Нобелевская премия по физике. Вслед за туннельным микроскопом в течение короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп (АСМ), магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электросиловой микроскоп (ЭСМ), ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) и многие другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемые сканирующими зондовыми микроскопами. В настоящее время зондовая микроскопия - это бурно развивающаяся область техники и прикладных научных исследований.

1. Теоретическая часть

1.1 Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов

В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств, проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1-10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно силового и электросилового микроскопов. Рассмотрим общие черты, присущие различным зондовым микроскопам. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд - образец Р = Р (z), то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис.1 схематично показан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа.

сканирующий зондовая микроскопия изображение

Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным, равным величине Ро, задаваемой оператором. Если расстояние зонд - поверхность изменяется (например, увеличивается), то происходит изменение (увеличение) параметра Р. В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональный величине ∆P = P - Po, который усиливается до нужной величины и подается на исполнительный элемент ИЭ. Исполнительный элемент отрабатывает данный разностный сигнал, приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом можно поддерживать расстояние зонд-образец с высокой точностью. В существующих зондовых микроскопах точность удержания расстояния зонд-поверхность достигает величины ~ 0.01 Å. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости X,Y сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности. Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строку сканирования (кадровая развертка), и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z = f (x,y) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие.

1.2 Сканирующие элементы зондовых микроскопов

Для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с высокой точностью (на уровне долей ангстрема). Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков - материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем электрическом поле. Уравнение обратного пьезоэффекта для кристаллов записывается в виде:

u_ij= d_ijk*Е_к

где Uij - тензор деформаций, Ек - компоненты электрического поля, dijk - компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов. Вид тензора пьезоэлектрических коэффициентов определяется типом симметрии кристаллов. В различных технических приложениях широкое распространение получили преобразователи из пьезокерамических материалов. Пьезокерамика представляет собой поляризованный поликристаллический материал, получаемый методами спекания порошков из кристаллических сегнетоэлектриков. Поляризация керамики производится следующим образом. Керамику нагревают выше температуры Кюри (для большинства пьезокерамик эта температура менее 300°С), а затем медленно охлаждают в сильном (порядка 3 кВ/см) электрическом поле. После остывания пьезокерамика имеет наведенную поляризацию и приобретает способность изменять свои размеры (увеличивать или уменьшать в зависимости от взаимного направления вектора поляризации и вектора внешнего электричеcкого поля). Основные характеристики используемых в технике керамических материалов можно найти в книге. Пьезокерамики представляют собой пьезоэлектрические текстуры. Вид тензора пьезоэлектрических констант для пьезокерамик существенно упрощается - отличными от нуля являются только три коэффициента d₃₃, d₃₁, d₁₅, характеризующие продольные, поперечные (по отношению к вектору поляризации) и сдвиговые деформации. Рассмотрим плоскую пластину из пьзокерамики (рис.2) во внешнем поле. Пусть вектор поляризации Р и вектор электрического поля Е направлены вдоль оси X. Тогда, обозначая d_‖ = d33 и d_﬩= d31, получаем, что деформации пьезокерамики в направлении, параллельном полю, равна Uxx = d_‖E_x, а в перпендикулярном полю направлении Urr = d_﬩Ex. В сканирующей зондовой микроскопии широкое распространение получили трубчатые пьзоэлементы (рис.3). Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях. Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезокерамических материалов. Обычно электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубки, а торцы трубки остаются непокрытыми.

Рис.2. Пластина из пьезокерамики во внешнем электрическом поле.

Рис.3. Трубчатый пьезоэлемент.

Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры. В этом случае продольная деформация под действием радиального электрического поля может быть записана в виде:

где L₀ - длина трубки в недеформированном состоянии. Абсолютное удлинение пьезотрубки равно

где h - толщина стенки пьезотрубки, V - разность потенциалов между внутренним и внешним электродами. Таким образом, при одном и том же напряжении V удлинение трубки будет тем больше, чем больше ее длина и чем меньше толщина ее стенки. Соединение трех трубок в один узел (рис.4) позволяет организовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом. Недостатками такого сканера являются сложность изготовления и сильная асимметрия конструкции. На сегодняшний день в сканирующей зондовой микроскопии наиболее широко используются сканеры, изготовленные на основе одного трубчатого элемента. Общий вид трубчатого сканера и схема расположения электродов представлены на рис.5. Материал трубки имеет радиальное направление вектора поляризации.

Рис. 4. Сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых пьезоэлементах.

Рис. 5. Трубчатый пьезосканер.

Внутренний электрод обычно сплошной. Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на четыре секции. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Таким образом, осуществляется сканирование в плоскости X, Y. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки. Реальные сканирующие элементы имеют часто более сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются теми же самыми. Широкое распространение получили также сканеры на основе биморфных пьзоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из них направлены в противоположные стороны (рис.6).

Рис. 6. Устройство биморфного пьезоэлемента.

Если подать напряжение на электроды биморфа, как показано на рис.6, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродами так, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противоположно.

Изгиб биморфа под действием электрических полей положен в основу работы биморфных пьезосканеров. Объединяя три биморфных элемента в одной конструкции, можно реализовать трипод на биморфных элементах (рис.7).

Рис.7. Трехкоординатный сканер на трех биморфных элементах.

Рис.8. Схематическое изображение работы биморфного пьезосканера.

Если внешние электроды биморфного элемента разделить на четыре сектора, то можно организовать движение зонда по оси Z и в плоскости X,Y на одном биморфном элементе (рис.8). Действительно, подавая противофазные напряжения на противоположные пары секций внешних электродов, можно изгибать биморф так, что зонд будет двигаться в плоскости X, Y (рис.8 (а, б)). А изменяя потенциал внутреннего электрода относительно всех секций внешних электродов, можно прогибать биморф, перемещая зонд в направлении Z (рис.8 (в, г)).

1.3 Çàùèòà çîíäîâûõ ìèêðîñêîïîâ îò âíåøíèõ âîçäåéñòâèé

1.3.1 Çàùèòà îò âèáðàöèé

Ëþáàÿ êîíñòðóêöèÿ ñêàíèðóþùåãî çîíäîâîãî ìèêðîñêîïà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîëåáàòåëüíóþ ñèñòåìó, èìåþùóþ öåëûé íàáîð ñîáñòâåííûõ ðåçîíàíñíûõ ÷àñòîò ωê. Âíåøíèå ìåõàíè÷åñêèå âîçäåéñòâèÿ íà ÷àñòîòàõ, ñîâïàäàþùèõ ñ ωê, âûçûâàþò ÿâëåíèÿ ðåçîíàíñà â êîíñòðóêöèè èçìåðèòåëüíûõ ãîëîâîê, ÷òî ïðèâîäèò ê êîëåáàíèÿì çîíäà îòíîñèòåëüíî îáðàçöà è âîñïðèíèìàåòñÿ êàê ïàðàçèòíûé ïåðèîäè÷åñêèé øóì, èñêàæàþùèé è ðàçìûâàþùèé ÑÇÌ èçîáðàæåíèÿ ïîâåðõíîñòè îáðàçöîâ. Ñ öåëüþ óìåíüøåíèÿ âëèÿíèÿ âíåøíèõ âèáðàöèé èçìåðèòåëüíûå ãîëîâêè èçãîòàâëèâàþò èç ìàññèâíûõ ìåòàëëè÷åñêèõ äåòàëåé, èìåþùèõ âûñîêèå (áîëåå 100 êÃö) ÷àñòîòû. Íàèìåíüøèìè ðåçîíàíñíûìè ÷àñòîòàìè îáëàäàþò ñêàíèðóþùèå ýëåìåíòû çîíäîâûõ ìèêðîñêîïîâ.  êîíñòðóêöèÿõ ñîâðåìåííûõ ìèêðîñêîïîâ ïðèõîäèòñÿ èäòè íà êîìïðîìèññ ìåæäó âåëè÷èíîé ìàêñèìàëüíîãî ïîëÿ îáçîðà ñêàíèðóþùåãî ýëåìåíòà è åãî ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòîé. Òèïè÷íûìè äëÿ ñêàíåðîâ ÿâëÿþòñÿ ðåçîíàíñíûå ÷àñòîòû â äèàïàçîíå 10 - 100 êÃö. Äëÿ çàùèòû ïðèáîðîâ îò âíåøíèõ âèáðàöèé ïðèìåíÿþòñÿ ðàçëè÷íûå òèïû âèáðîèçîëèðóþùèõ ñèñòåì. Óñëîâíî âèáðîèçîëèðóþùèå ñèñòåìû ìîæíî ðàçäåëèòü íà ïàññèâíûå è àêòèâíûå. Îñíîâíàÿ èäåÿ, çàëîæåííàÿ â ïàññèâíûå âèáðîèçîëèðóþùèå ñèñòåìû, çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì.

Àìïëèòóäà âûíóæäåííûõ êîëåáàíèé ìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû áûñòðî ñïàäàåò ïðè óâåëè÷åíèè ðàçíèöû ìåæäó ÷àñòîòîé âîçáóæäàþùåé ñèëû è ñîáñòâåííîé ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòîé ñèñòåìû (òèïè÷íàÿ àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà (À×Õ) êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû ïðèâåäåíà íà ðèñ.9). Ïîýòîìó âíåøíèå âîçäåéñòâèÿ ñ ÷àñòîòàìè ω_â " ω₀ ïðàêòè÷åñêè íå îêàçûâàþò çàìåòíîãî âëèÿíèÿ íà êîëåáàòåëüíóþ ñèñòåìó. Ñëåäîâàòåëüíî, åñëè ïîìåñòèòü èçìåðèòåëüíóþ ãîëîâêó çîíäîâîãî ìèêðîñêîïà íà âèáðîèçîëèðóþùóþ ïëàòôîðìó èëè íà óïðóãèé ïîäâåñ (10), òî íà êîðïóñ ìèêðîñêîïà ïðîéäóò ëèøü âíåøíèå êîëåáàíèÿ ñ ÷àñòîòàìè, áëèçêèìè ê ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû.

Ðèñ. 9. Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå À×Õ êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû.

Ðèñ.10. Ïàññèâíûå âèáðîèçîëèðóþùèå ñèñòåìû.

Ïîñêîëüêó ñîáñòâåííûå ÷àñòîòû ãîëîâîê ÑÇÌ ñîñòàâëÿþò 10 - 100 êÃö, òî, âûáèðàÿ ðåçîíàíñíóþ ÷àñòîòó âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû äîñòàòî÷íî íèçêîé (ïîðÿäêà 5 - 10 Ãö), ìîæíî âåñüìà ýôôåêòèâíî çàùèòèòü ïðèáîð îò âíåøíèõ âèáðàöèé.

Ñ öåëüþ ãàøåíèÿ êîëåáàíèé íà ñîáñòâåííûõ ðåçîíàíñíûõ ÷àñòîòàõ â âèáðîèçîëèðóþùèå ñèñòåìû ââîäÿò äèññèïàòèâíûå ýëåìåíòû ñ âÿçêèì òðåíèåì. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ýôôåêòèâíîé çàùèòû íåîáõîäèìî, ÷òîáû ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû áûëà êàê ìîæíî ìåíüøå. Îäíàêî íà ïðàêòèêå ðåàëèçîâàòü î÷åíü íèçêèå ÷àñòîòû òðóäíî.

Äëÿ ïðóæèííûõ ïëàòôîðì è óïðóãèõ ïîäâåñîâ ðåçîíàíñíàÿ ÷àñòîòà ðàâíà

ãäå ê - æåñòêîñòü ïðóæèíû (èëè óïðóãîãî ïîäâåñà), m - ìàññà âèáðîèçîëèðóþùåé ïëàòôîðìû âìåñòå ñ ÑÇÌ ãîëîâêîé. Îöåíèì ïàðàìåòðû âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû, îáåñïå÷èâàþùåé ïîäàâëåíèå âûñîêî÷àñòîòíûõ âèáðàöèé. Èç óñëîâèÿ ðàâíîâåñèÿ ñëåäóåò, ÷òî

ãäå Δl - óäëèíåíèå (èëè ñæàòèå) óïðóãîãî ýëåìåíòà, g - óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ. Òîãäà äëÿ âåëè÷èíû óäëèíåíèÿ ïîëó÷àåì:

Òàêèì îáðàçîì, äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû ïîðÿäêà 1 Ãö íåîáõîäèìî, ÷òîáû óäëèíåíèå (èëè ñæàòèå) óïðóãîãî ýëåìåíòà ñîñòàâëÿëî 25 ñì. Ïðîùå âñåãî òàêèå óäëèíåíèÿ ìîæíî ðåàëèçîâàòü ñ ïîìîùüþ ïðóæèííûõ èëè ðåçèíîâûõ ïîäâåñîâ. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ðàñòÿæåíèå ïðóæèí ìîæåò äîñòèãàòü 100%, äëÿ ðåàëèçàöèè ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòû ïîäâåñà â 1Ãö äëèíà óïðóãîãî ýëåìåíòà äîëæíà ñîñòàâëÿòü òàêæå 25 ñì, à, ñëåäîâàòåëüíî, îáùèé ðàçìåð âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû ñîñòàâèò 50 ñì. Åñëè æå íåìíîãî ñíèçèòü òðåáîâàíèÿ ê ðåçîíàíñíîé ÷àñòîòå, òî ìîæíî äîáèòüñÿ ñóùåñòâåííîé êîìïàêòèôèêàöèè âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû. Òàê, äëÿ ðåàëèçàöèè ÷àñòîòû 10 Ãö ñæàòèå óïðóãîãî ýëåìåíòà äîëæíî ñîñòàâëÿòü âñåãî 2,5 ìì. Òàêîå ñæàòèå äîñòàòî÷íî ëåãêî îñóùåñòâëÿåòñÿ íà ïðàêòèêå ñ ïîìîùüþ ñòîïêè ìåòàëëè÷åñêèõ ïëàñòèí ñ ðåçèíîâûìè ïðîêëàäêàìè, ÷òî çíà÷èòåëüíî ñíèæàåò ãàáàðèòû âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû. Äëÿ çàùèòû ãîëîâîê ÑÇÌ óñïåøíî ïðèìåíÿþòñÿ òàêæå àêòèâíûå ñèñòåìû ïîäàâëåíèÿ âíåøíèõ âèáðàöèé. Òàêèå óñòðîéñòâà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ñèñòåìû ñ îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ, êîòîðàÿ îáåñïå÷èâàåò ñòàáèëüíîå ïîëîæåíèå âèáðîèçîëèðóþùåé ïëàòôîðìû â ïðîñòðàíñòâå (ðèñ.11).

Ðèñ. 11. Ñõåìà àêòèâíîé âèáðîèçîëèðóþùåé ñèñòåìû.

Ïðèíöèï ðàáîòû àêòèâíûõ ñèñòåì ìîæíî ðàññìîòðåòü íà ñëåäóþùåì ïðîñòîì ïðèìåðå. Íà ïëàòôîðìå ðàñïîëàãàåòñÿ äàò÷èê âèáðàöèé (àêñåëåðîìåòð) - óñòðîéñòâî, ðåàãèðóþùåå íà óñêîðåíèå, èñïûòûâàåìîå ïëàòôîðìîé.

Ñèãíàë ñ äàò÷èêà ïîñòóïàåò â ñèñòåìó îáðàòíîé ñâÿçè (ÑÎÑ), ãäå îí óñèëèâàåòñÿ è â ïðîòèâîôàçå ïîäàåòñÿ íà ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå îïîðû, êîòîðûå, ñìåùàÿñü â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó, ãàñÿò óñêîðåíèå, èñïûòûâàåìîå ïëàòôîðìîé. Ýòî òàê íàçûâàåìîå ïðîïîðöèîíàëüíîå ðåãóëèðîâàíèå. Äåéñòâèòåëüíî, ïóñòü ïîä äåéñòâèåì âíåøíåé ñèëû ïëàòôîðìà êîëåáëåòñÿ íà ÷àñòîòå ñî, òàê ÷òî åå ñìåùåíèå

u = u_osin (ωt).

Òîãäà óñêîðåíèå, èñïûòûâàåìîå ïëàòôîðìîé, áóäåò ðàâíî

u= - ω² u_osin (ωt).

Ñèñòåìà îáðàòíîé ñâÿçè â ýòîì ñëó÷àå ïîäàåò íà îïîðû ïðîòèâîôàçíûé ñèãíàë, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ñìåùåíèå ïëàòôîðìû áóäåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé ñóïåðïîçèöèþ äâóõ ñìåùåíèé:

è = u_osin (ωt) - asin (ωt) = (u₀ - a) sin (ωt).

Ïðè ýòîì ñèñòåìà îáðàòíîé ñâÿçè áóäåò óâåëè÷èâàòü àìïëèòóäó ñèãíàëà à äî òåõ ïîð, ïîêà íå ñòàíåò ðàâíûì íóëþ óñêîðåíèå ïëàòôîðìû:

ϋ = - ω² (u₀ - a) sin (ωt).

Ïîëîñà ðàáî÷èõ ÷àñòîò àêòèâíûõ ñèñòåì îïðåäåëÿåòñÿ ïîëîñîé ÷àñòîò óñòîé÷èâîé ðàáîòû ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû îáðàòíîé ñâÿçè.  ñëó÷àå íåãàðìîíè÷åñêèõ âèáðàöèé ñèãíàë ñ àêñåëåðîìåòðà äâà ðàçà èíòåãðèðóåòñÿ àïïàðàòíûìè ñðåäñòâàìè è â ïðîòèâîôàçå ïîäàåòñÿ íà ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå îïîðû, òàê ÷òî àìïëèòóäà êîëåáàíèé ïëàòôîðìû ñòðåìèòñÿ ê íóëþ:

u = u (t) - αʃʃ ϋ (t) dt => 0.

Íà ïðàêòèêå ïðèìåíÿþòñÿ ìíîãîñòóïåí÷àòûå êîíñòðóêöèè âèáðîèçîëèðóþùèõ ñèñòåì ðàçëè÷íîãî òèïà, ïîçâîëÿþùèå ñóùåñòâåííî ïîâûñèòü ñòåïåíü çàùèòû ïðèáîðîâ îò âíåøíèõ âèáðàöèé.

1.3.2 Çàùèòà îò àêóñòè÷åñêèõ øóìîâ

Åùå îäíèì èñòî÷íèêîì âèáðàöèé ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè çîíäîâûõ ìèêðîñêîïîâ ÿâëÿþòñÿ àêóñòè÷åñêèå øóìû ðàçëè÷íîé ïðèðîäû. Îñîáåííîñòüþ àêóñòè÷åñêèõ ïîìåõ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî àêóñòè÷åñêèå âîëíû íåïîñðåäñòâåííî âîçäåéñòâóþò íà ýëåìåíòû êîíñòðóêöèè ãîëîâîê ÑÇÌ, ÷òî ïðèâîäèò ê êîëåáàíèÿì çîíäà îòíîñèòåëüíî ïîâåðõíîñòè èññëåäóåìîãî îáðàçöà.

Äëÿ çàùèòû ÑÇÌ îò àêóñòè÷åñêèõ ïîìåõ ïðèìåíÿþòñÿ ðàçëè÷íûå çàùèòíûå êîëïàêè, ïîçâîëÿþùèå ñóùåñòâåííî ñíèçèòü óðîâåíü àêóñòè÷åñêîé ïîìåõè â îáëàñòè ðàáî÷åãî ïðîìåæóòêà ìèêðîñêîïà. Íàèáîëåå ýôôåêòèâíîé çàùèòîé îò àêóñòè÷åñêèõ ïîìåõ ÿâëÿåòñÿ ðàçìåùåíèå èçìåðèòåëüíîé ãîëîâêè çîíäîâîãî ìèêðîñêîïà â âàêóóìíîé êàìåðå.

1.3.3 Ñòàáèëèçàöèÿ òåðìîäðåéôà ïîëîæåíèÿ çîíäà íàä ïîâåðõíîñòüþ

Îäíîé èç âàæíûõ ïðîáëåì ÑÇÌ ÿâëÿåòñÿ çàäà÷à ñòàáèëèçàöèè ïîëîæåíèÿ çîíäà íàä ïîâåðõíîñòüþ èññëåäóåìîãî îáðàçöà. Ãëàâíûì èñòî÷íèêîì íåñòàáèëüíîñòè ïîëîæåíèÿ çîíäà ÿâëÿåòñÿ èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû èëè ðàçîãðåâ ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè çîíäîâîãî ìèêðîñêîïà âî âðåìÿ åãî ðàáîòû. Èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû òâåðäîãî òåëà ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ òåðìîóïðóãèõ äåôîðìàöèé:

ãäå u_ik - òåíçîð äåôîðìàöèé, α_ik - òåíçîð êîýôôèöèåíòîâ òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ ìàòåðèàëà, ΔT - ïðèðàùåíèå òåìïåðàòóðû. Äëÿ èçîòðîïíûõ ìàòåðèàëîâ êîýôôèöèåíò òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ - âåëè÷èíà ñêàëÿðíàÿ, òàê ÷òî

ãäå δ_ik - åäèíè÷íûé òåíçîð Êðîíåêåðà, α - àáñîëþòíàÿ âåëè÷èíà êîýôôèöèåíòà òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ. Àáñîëþòíîå óäëèíåíèå ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè ìèêðîñêîïà ìîæåò áûòü îöåíåíî èñõîäÿ èç ñëåäóþùèõ ñîîòíîøåíèé:

Ðèñ. 12. Çàùèòà ÑÇÌ îò àêóñòè÷åñêèõ øóìîâ.

Ðèñ. 13. Êîìïåíñàöèÿ òåïëîâûõ ðàñøèðåíèé êîíñòðóêöèè ÑÇÌ.

Òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ ðàñøèðåíèÿ ìàòåðèàëîâ ñîñòàâëÿþò 10^-5-10^-6 ãðàä^-1. Òàêèì îáðàçîì, ïðè íàãðåâå òåëà äëèíîé 10 ñì íà 1⁰Ñ åãî äëèíà óâåëè÷èâàåòñÿ íà âåëè÷èíó ïîðÿäêà 1 ìêì. Òàêèå äåôîðìàöèè âåñüìà ñóùåñòâåííî âëèÿþò íà ðàáîòó çîíäîâûõ ìèêðîñêîïîâ. Äëÿ óìåíüøåíèÿ òåðìîäðåéôà ïðèìåíÿþò òåðìîñòàòèðîâàíèå èçìåðèòåëüíûõ ãîëîâîê ÑÇÌ èëè ââîäÿò â êîíñòðóêöèþ ãîëîâîê òåðìîêîìïåíñèðóþùèå ýëåìåíòû. Èäåÿ òåðìîêîìïåíñàöèè çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì.

Ëþáóþ êîíñòðóêöèþ ÑÇÌ ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå íàáîðà ýëåìåíòîâ ñ ðàçëè÷íûìè êîýôôèöèåíòàìè òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ (ðèñ.13 (à)). Äëÿ êîìïåíñàöèè òåðìîäðåéôà â êîíñòðóêöèþ èçìåðèòåëüíûõ ãîëîâîê ÑÇÌ ââîäÿò êîìïåíñèðóþùèå ýëåìåíòû, èìåþùèå ðàçëè÷íûå êîýôôèöèåíòû ðàñøèðåíèÿ, òàê, ÷òîáû âûïîëíÿëîñü óñëîâèå ðàâåíñòâà íóëþ ñóììû òåìïåðàòóðíûõ ðàñøèðåíèé â ðàçëè÷íûõ ïëå÷àõ êîíñòðóêöèè:

Íàèáîëåå ïðîñòûì ñïîñîáîì óìåíüøåíèÿ òåðìîäðåéôà ïîëîæåíèÿ çîíäà ïî îñè Z ÿâëÿåòñÿ ââåäåíèå â êîíñòðóêöèþ ÑÇÌ êîìïåíñèðóþùèõ ýëåìåíòîâ èç òîãî æå ìàòåðèàëà è ñ òåìè æå õàðàêòåðíûìè ðàçìåðàìè, ÷òî è îñíîâíûå ýëåìåíòû êîíñòðóêöèè (ðèñ.13 (á)).

Ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû òàêîé êîíñòðóêöèè ñìåùåíèå çîíäà â íàïðàâëåíèè Z áóäåò ìèíèìàëüíûì. Äëÿ ñòàáèëèçàöèè ïîëîæåíèÿ çîíäà â ïëîñêîñòè X, Y èçìåðèòåëüíûå ãîëîâêè ìèêðîñêîïîâ èçãîòàâëèâàþòñÿ â âèäå àêñèàëüíî-ñèììåòðè÷íûõ êîíñòðóêöèé.

1.4 Ôîðìèðîâàíèå è îáðàáîòêà ÑÇÌ èçîáðàæåíèé

Ïðîöåññ ñêàíèðîâàíèÿ ïîâåðõíîñòè â ñêàíèðóþùåì çîíäîâîì ìèêðîñêîïå èìååò ñõîäñòâî ñ äâèæåíèåì ýëåêòðîííîãî ëó÷à ïî ýêðàíó â ýëåêòðîííîëó÷åâîé òðóáêå òåëåâèçîðà. Çîíä äâèæåòñÿ âäîëü ëèíèè (ñòðîêè) ñíà÷àëà â ïðÿìîì, à ïîòîì â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè (ñòðî÷íàÿ ðàçâåðòêà), çàòåì ïåðåõîäèò íà ñëåäóþùóþ ñòðîêó (êàäðîâàÿ ðàçâåðòêà). Äâèæåíèå çîíäà îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ñêàíåðà íåáîëüøèìè øàãàìè ïîä äåéñòâèåì ïèëîîáðàçíûõ íàïðÿæåíèé, ôîðìèðóåìûõ öèôðî-àíàëîãîâûìè ïðåîáðàçîâàòåëÿìè. Ðåãèñòðàöèÿ èíôîðìàöèè î ðåëüåôå ïîâåðõíîñòè ïðîèçâîäèòñÿ, êàê ïðàâèëî, íà ïðÿìîì ïðîõîäå.

Ðèñ. 14. Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå ïðîöåññà ñêàíèðîâàíèÿ.

Íàïðàâëåíèå ïðÿìîãî õîäà ñêàíåðà îáîçíà÷åíî ñòðåëêàìè êðàñíîãî öâåòà.

Îáðàòíûé õîä ñêàíåðà îáîçíà÷åí ñòðåëêàìè ñèíåãî öâåòà.

Ðåãèñòðàöèÿ èíôîðìàöèè ïðîèçâîäèòñÿ â òî÷êàõ íà ïðÿìîì ïðîõîäå. Èíôîðìàöèÿ, ïîëó÷åííàÿ ñ ïîìîùüþ ñêàíèðóþùåãî çîíäîâîãî ìèêðîñêîïà, õðàíèòñÿ â âèäå ÑÇÌ êàäðà - äâóìåðíîãî ìàññèâà öåëûõ ÷èñåë à_ij (ìàòðèöû). Ôèçè÷åñêèé ñìûñë äàííûõ ÷èñåë îïðåäåëÿåòñÿ òîé âåëè÷èíîé, êîòîðàÿ îöèôðîâûâàëàñü â ïðîöåññå ñêàíèðîâàíèÿ. Êàæäîìó çíà÷åíèþ ïàðû èíäåêñîâ ij ñîîòâåòñòâóåò îïðåäåëåííàÿ òî÷êà ïîâåðõíîñòè â ïðåäåëàõ ïîëÿ ñêàíèðîâàíèÿ.

Íàèáîëåå øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ãðàäèåíòíûå ïàëèòðû, â êîòîðûõ ðàñêðàñêà èçîáðàæåíèÿ ïðîèçâîäèòñÿ òîíîì îïðåäåëåííîãî öâåòà â ñîîòâåòñòâèè ñ âûñîòîé òî÷êè ïîâåðõíîñòè. Ëîêàëüíûå ÑÇÌ èçìåðåíèÿ, êàê ïðàâèëî, ñîïðÿæåíû ñ ðåãèñòðàöèåé çàâèñèìîñòåé èññëåäóåìûõ âåëè÷èí îò ðàçëè÷íûõ ïàðàìåòðîâ. Íàïðèìåð, ýòî çàâèñèìîñòè âåëè÷èíû ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ÷åðåç êîíòàêò çîíä-ïîâåðõíîñòü îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ, çàâèñèìîñòè ðàçëè÷íûõ ïàðàìåòðîâ ñèëîâîãî âçàèìîäåéñòâèÿ çîíäà è ïîâåðõíîñòè îò ðàññòîÿíèÿ çîíä-îáðàçåö è äð. Äàííàÿ èíôîðìàöèÿ õðàíèòñÿ â âèäå âåêòîðíûõ ìàññèâîâ èëè â âèäå ìàòðèö ðàçìåðíîñòüþ 2 x N.

Äëÿ èõ âèçóàëèçàöèè â ïðîãðàììíîì îáåñïå÷åíèè ìèêðîñêîïîâ ïðåäóñìàòðèâàåòñÿ íàáîð ñòàíäàðòíûõ ñðåäñòâ èçîáðàæåíèÿ ãðàôèêîâ ôóíêöèé. ÑÇÌ èçîáðàæåíèÿ, íàðÿäó ñ ïîëåçíîé èíôîðìàöèåé, ñîäåðæàò òàêæå ìíîãî ïîáî÷íîé èíôîðìàöèè, èñêàæàþùåé äàííûå î ìîðôîëîãèè è ñâîéñòâàõ ïîâåðõíîñòè. Íà ðèñóíêå 15 ñõåìàòè÷åñêè ïðåäñòàâëåíû âîçìîæíûå èñêàæåíèÿ â ÑÇÌ èçîáðàæåíèÿõ ïîâåðõíîñòè, îáóñëîâëåííûå íå èäåàëüíîñòüþ àïïàðàòóðû è âíåøíèìè ïàðàçèòíûìè âîçäåéñòâèÿìè.

Ðèñ. 15. Âîçìîæíûå èñêàæåíèÿ â ÑÇÌ èçîáðàæåíèÿõ.

Ôèëüòðàöèÿ ÑÇÌ èçîáðàæåíèé

Øóìû àïïàðàòóðû (â îñíîâíîì, ýòî øóìû âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûõ âõîäíûõ óñèëèòåëåé), íåñòàáèëüíîñòè êîíòàêòà çîíä-îáðàçåö ïðè ñêàíèðîâàíèè, âíåøíèå àêóñòè÷åñêèå øóìû è âèáðàöèè ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî ÑÇÌ èçîáðàæåíèÿ, íàðÿäó ñ ïîëåçíîé èíôîðìàöèåé, èìåþò øóìîâóþ ñîñòàâëÿþùóþ. ×àñòè÷íî øóìû ÑÇÌ èçîáðàæåíèé ìîãóò áûòü óäàëåíû ïðîãðàììíûìè ñðåäñòâàìè.

Ìåäèàííàÿ ôèëüòðàöèÿ

Õîðîøèå ðåçóëüòàòû ïðè óäàëåíèè âûñîêî÷àñòîòíûõ ñëó÷àéíûõ ïîìåõ â ÑÇÌ êàäðàõ äàåò ìåäèàííàÿ ôèëüòðàöèÿ. Ýòî íåëèíåéíûé ìåòîä îáðàáîòêè èçîáðàæåíèé, ñóòü êîòîðîãî ìîæíî ïîÿñíèòü ñëåäóþùèì îáðàçîì. Âûáèðàåòñÿ ðàáî÷åå îêíî ôèëüòðà, ñîñòîÿùåå èç (n x n) òî÷åê (äëÿ îïðåäåëåííîñòè âîçüìåì îêíî 3x3, ò.å. ñîäåðæàùåå 9 òî÷åê.  ïðîöåññå ôèëüòðàöèè ýòî îêíî ïåðåìåùàåòñÿ ïî êàäðó îò òî÷êè ê òî÷êå, è ïðîèçâîäèòñÿ ñëåäóþùàÿ ïðîöåäóðà. Çíà÷åíèÿ àìïëèòóäû ÑÇÌ èçîáðàæåíèÿ â òî÷êàõ äàííîãî îêíà âûñòðàèâàþòñÿ ïî âîçðàñòàíèþ, è çíà÷åíèå, ñòîÿùåå â öåíòðå îòñîðòèðîâàííîãî ðÿäà, çàíîñèòñÿ â öåíòðàëüíóþ òî÷êó îêíà. Çàòåì îêíî ñäâèãàåòñÿ â ñëåäóþùóþ òî÷êó, è ïðîöåäóðà ñîðòèðîâêè ïîâòîðÿåòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, ìîùíûå ñëó÷àéíûå âûáðîñû è ïðîâàëû ïðè òàêîé ñîðòèðîâêå âñåãäà îêàçûâàþòñÿ íà êðàþ ñîðòèðóåìîãî ìàññèâà è íå âîéäóò â èòîãîâîå (îòôèëüòðîâàííîå) èçîáðàæåíèå. Çàìåòèì, ÷òî ïðè òàêîé îáðàáîòêå ïî êðàÿì êàäðà îñòàþòñÿ íåôèëüòðîâàííûå îáëàñòè, êîòîðûå îòáðàñûâàþòñÿ â êîíå÷íîì èçîáðàæåíèè.

1.5 Àòîìíî-ñèëîâàÿ ìèêðîñêîïèÿ

Àòîìíî-ñèëîâîé ìèêðîñêîï (ÀÑÌ) áûë èçîáðåò¸í â 1986 ãîäó Ãåðäîì Áèííèãîì, Êýëâèíîì Êóýéòîì è Êðèñòîôåðîì Ãåðáåðîì.  îñíîâå ðàáîòû ÀÑÌ ëåæèò ñèëîâîå âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó çîíäîì è ïîâåðõíîñòüþ, äëÿ ðåãèñòðàöèè êîòîðîãî èñïîëüçóþòñÿ ñïåöèàëüíûå çîíäîâûå äàò÷èêè, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé óïðóãóþ êîíñîëü ñ îñòðûì çîíäîì íà êîíöå (ðèñ.16). Ñèëà, äåéñòâóþùàÿ íà çîíä ñî ñòîðîíû ïîâåðõíîñòè, ïðèâîäèò ê èçãèáó êîíñîëè. Ðåãèñòðèðóÿ âåëè÷èíó èçãèáà, ìîæíî êîíòðîëèðîâàòü ñèëó âçàèìîäåéñòâèÿ çîíäà ñ ïîâåðõíîñòüþ. Êà÷åñòâåííî ðàáîòó ÀÑÌ ìîæíî ïîÿñíèòü íà ïðèìåðå ñèë Âàí-äåð-Âààëüñà. Íàèáîëåå ÷àñòî ýíåðãèþ âàí-äåð-âààëüñîâà âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ àòîìîâ, íàõîäÿùèõñÿ íà ðàññòîÿíèè r äðóã îò äðóãà, àïïðîêñèìèðóþò ñòåïåííîé ôóíêöèåé - ïîòåíöèàëîì Ëåííàðäà-Äæîíñà:

Ðèñ. 16. Ñõåìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå çîíäîâîãî äàò÷èêà ÀÑÌ.

Ðèñ. 17. Êà÷åñòâåííûé âèä ïîòåíöèàëà Ëåííàðäà - Äæîíñà.

Ðèñ. 18. Ê ðàñ÷åòó ýíåðãèè âçàèìîäåéñòâèÿ çîíäà è îáðàçöà.

Ïåðâîå ñëàãàåìîå â äàííîì âûðàæåíèè îïèñûâàåò äàëüíîäåéñòâóþùåå ïðèòÿæåíèå, îáóñëîâëåííîå, â îñíîâíîì, äèïîëü - äèïîëüíûì âçàèìîäåéñòâèåì àòîìîâ. Âòîðîå ñëàãàåìîå ó÷èòûâàåò îòòàëêèâàíèå àòîìîâ íà ìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ. Ïàðàìåòð r₀ - ðàâíîâåñíîå ðàññòîÿíèå ìåæäó àòîìàìè, Uo - çíà÷åíèå ýíåðãèè â ìèíèìóìå. Ïîòåíöèàë Ëåííàðäà-Äæîíñà ïîçâîëÿåò îöåíèòü ñèëó âçàèìîäåéñòâèÿ çîíäà ñ îáðàçöîì. Îáùóþ ýíåðãèþ ñèñòåìû ìîæíî ïîëó÷èòü, ñóììèðóÿ ýëåìåíòàðíûå âçàèìîäåéñòâèÿ äëÿ êàæäîãî èç àòîìîâ çîíäà è îáðàçöà.

Òîãäà äëÿ ýíåðãèè âçàèìîäåéñòâèÿ ïîëó÷àåì:

Ðèñ. 19. Ñõåìà îïòè÷åñêîé ðåãèñòðàöèè èçãèáà êîíñîëè çîíäîâîãî äàò÷èêà ÀÑÌ.

ãäå n_s (r) è nP (r’) - ïëîòíîñòè àòîìîâ â ìàòåðèàëå îáðàçöà è çîíäà. Ñîîòâåòñòâåííî ñèëà, äåéñòâóþùàÿ íà çîíä ñî ñòîðîíû ïîâåðõíîñòè, ìîæåò áûòü âû÷èñëåíà ñëåäóþùèì îáðàçîì:

 îáùåì ñëó÷àå äàííàÿ ñèëà èìååò êàê íîðìàëüíóþ ê ïîâåðõíîñòè, òàê è ëàòåðàëüíóþ (ëåæàùóþ â ïëîñêîñòè ïîâåðõíîñòè îáðàçöà) ñîñòàâëÿþùèå. Ðåàëüíîå âçàèìîäåéñòâèå çîíäà ñ îáðàçöîì èìååò áîëåå ñëîæíûé õàðàêòåð, îäíàêî îñíîâíûå ÷åðòû äàííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñîõðàíÿþòñÿ - çîíä ÀÑÌ èñïûòûâàåò ïðèòÿæåíèå ñî ñòîðîíû îáðàçöà íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ è îòòàëêèâàíèå íà ìàëûõ. Ïîëó÷åíèå ÀÑÌ èçîáðàæåíèé ðåëüåôà ïîâåðõíîñòè ñâÿçàíî ñ ðåãèñòðàöèåé ìàëûõ èçãèáîâ óïðóãîé êîíñîëè çîíäîâîãî äàò÷èêà.  àòîìíî-ñèëîâîé ìèêðîñêîïèè äëÿ ýòîé öåëè øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ îïòè÷åñêèå ìåòîäû (ðèñ. 19). Îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà ÀÑÌ þñòèðóåòñÿ òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû èçëó÷åíèå ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà ôîêóñèðîâàëîñü íà êîíñîëè çîíäîâîãî äàò÷èêà, à îòðàæåííûé ïó÷îê ïîïàäàë â öåíòð ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé îáëàñòè ôîòîïðèåìíèêà.  êà÷åñòâå ïîçèöèîííî - ÷óâñòâèòåëüíûõ ôîòîïðèåìíèêîâ ïðèìåíÿþòñÿ ÷åòûðåõñåêöèîííûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ôîòîäèîäû.

Ðèñ. 20. Ñîîòâåòñòâèå ìåæäó òèïîì èçãèáíûõ äåôîðìàöèé êîíñîëè çîíäîâîãî äàò÷èêà è èçìåíåíèåì ïîëîæåíèÿ ïÿòíà çàñâåòêè íà ôîòîäèîäå.

Îñíîâíûå ðåãèñòðèðóåìûå îïòè÷åñêîé ñèñòåìîé ïàðàìåòðû - ýòî äåôîðìàöèè èçãèáà êîíñîëè ïîä äåéñòâèåì Z-êîìïîíåíò ñèë ïðèòÿæåíèÿ èëè îòòàëêèâàíèÿ (Fz) è äåôîðìàöèè êðó÷åíèÿ êîíñîëè ïîä äåéñòâèåì ëàòåðàëüíûõ êîìïîíåíò ñèë (F_L) âçàèìîäåéñòâèÿ çîíäà ñ ïîâåðõíîñòüþ. Åñëè îáîçíà÷èòü èñõîäíûå çíà÷åíèÿ ôîòîòîêà â ñåêöèÿõ ôîòîäèîäà ÷åðåç I₀₁, I ₀₂, I _Î3, I ₀₄, à ÷åðåç I₁, I ₂, I ₃, I ₄ - çíà÷åíèÿ òîêîâ ïîñëå èçìåíåíèÿ ïîëîæåíèÿ êîíñîëè, òî ðàçíîñòíûå òîêè ñ ðàçëè÷íûõ ñåêöèé ôîòîäèîäà ΔI_i = I_i - I_0i áóäóò îäíîçíà÷íî õàðàêòåðèçîâàòü âåëè÷èíó è íàïðàâëåíèå èçãèáà êîíñîëè çîíäîâîãî äàò÷èêà ÀÑÌ. Äåéñòâèòåëüíî, ðàçíîñòü òîêîâ âèäà

ïðîïîðöèîíàëüíà èçãèáó êîíñîëè ïîä äåéñòâèåì ñèëû, äåéñòâóþùåé ïî íîðìàëè ê ïîâåðõíîñòè îáðàçöà (ðèñ.20 (à)), à êîìáèíàöèÿ ðàçíîñòíûõ òîêîâ âèäà

õàðàêòåðèçóåò èçãèá êîíñîëè ïîä äåéñòâèåì ëàòåðàëüíûõ ñèë (ðèñ.20 (á)).

Âåëè÷èíà A/z èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå âõîäíîãî ïàðàìåòðà â ïåòëå îáðàòíîé ñâÿçè àòîìíî-ñèëîâîãî ìèêðîñêîïà (ðèñ.21). Ñèñòåìà îáðàòíîé ñâÿçè (ÎÑ) îáåñïå÷èâàåò A/z = const ñ ïîìîùüþ ïüåçîýëåêòðè÷åñêîãî èñïîëíèòåëüíîãî ýëåìåíòà, êîòîðûé ïîääåðæèâàåò èçãèá êîíñîëè AZ ðàâíûì âåëè÷èíå AZ0, çàäàâàåìîé îïåðàòîðîì.

Ðèñ. 21. Óïðîùåííàÿ ñõåìà îðãàíèçàöèè îáðàòíîé ñâÿçè â àòîìíî-ñèëîâîì ìèêðîñêîïå.

Ïðè ñêàíèðîâàíèè îáðàçöà â ðåæèìå ΔZ = const çîíä ïåðåìåùàåòñÿ âäîëü ïîâåðõíîñòè, ïðè ýòîì íàïðÿæåíèå íà Z-ýëåêòðîäå ñêàíåðà çàïèñûâàåòñÿ â ïàìÿòü êîìïüþòåðà â êà÷åñòâå ðåëüåôà ïîâåðõíîñòè Z=f (x,y). Ïðîñòðàíñòâåííîå ðàçðåøåíèå ÀÑÌ îïðåäåëÿåòñÿ ðàäèóñîì çàêðóãëåíèÿ çîíäà è ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ñèñòåìû, ðåãèñòðèðóþùåé îòêëîíåíèÿ êîíñîëè.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ðåàëèçîâàíû êîíñòðóêöèè ÀÑÌ, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷àòü àòîìàðíîå ðàçðåøåíèå ïðè èññëåäîâàíèè ïîâåðõíîñòè îáðàçöîâ.

2. Ïðàêòè÷åñêàÿ ÷àñòü

2.1Ñðàâíåíèå ÀÑÌ ñ ðàñòðîâûì ýëåêòðîííûì ìèêðîñêîïîì <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF> (ÐÑÌ)

 ñðàâíåíèè ñ ðàñòðîâûì ýëåêòðîííûì ìèêðîñêîïîì <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF> (ÐÝÌ) àòîìíî-ñèëîâîé ìèêðîñêîï îáëàäàåò ðÿäîì ïðåèìóùåñòâ. Òàê, â îòëè÷èå îò ÐÝÌ, êîòîðûé äà¸ò ïñåâäîòð¸õìåðíîå èçîáðàæåíèå ïîâåðõíîñòè îáðàçöà, ÀÑÌ ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü èñòèííî òð¸õìåðíûé ðåëüåô ïîâåðõíîñòè. Êðîìå òîãî, íåïðîâîäÿùàÿ ïîâåðõíîñòü, ðàññìàòðèâàåìàÿ ñ ïîìîùüþ ÀÑÌ, íå òðåáóåò íàíåñåíèÿ ïðîâîäÿùåãî ìåòàëëè÷åñêîãî ïîêðûòèÿ, êîòîðîå ÷àñòî ïðèâîäèò ê çàìåòíîé äåôîðìàöèè ïîâåðõíîñòè. Äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû ÐÝÌ òðåáóåòñÿ âàêóóì, â òî âðåìÿ êàê áîëüøèíñòâî ðåæèìîâ ÀÑÌ ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû íà âîçäóõå èëè äàæå â æèäêîñòè. Äàííîå îáñòîÿòåëüñòâî îòêðûâàåò âîçìîæíîñòü èçó÷åíèÿ áèîìàêðîìîëåêóë è æèâûõ êëåòîê.  ïðèíöèïå, ÀÑÌ ñïîñîáåí äàòü áîëåå âûñîêîå ðàçðåøåíèå, ÷åì ÐÝÌ. Òàê áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ÀÑÌ â ñîñòîÿíèè îáåñïå÷èòü ðåàëüíîå àòîìíîå ðàçðåøåíèå â óñëîâèÿõ ñâåðõâûñîêîãî âàêóóìà. Ñâåðõâûñîêîâàêóóìíûé ÀÑÌ ïî ðàçðåøåíèþ ñðàâíèì ñî ñêàíèðóþùèì òóííåëüíûì ìèêðîñêîïîì <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D1%83%D0%BD%D0%BD%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF> è ïðîñâå÷èâàþùèì ýëåêòðîííûì ìèêðîñêîïîì.

Ê íåäîñòàòêó ÀÑÌ ïðè åãî ñðàâíåíèè ñ ÐÝÌ òàêæå ñëåäóåò îòíåñòè íåáîëüøîé ðàçìåð ïîëÿ ñêàíèðîâàíèÿ. ÐÝÌ â ñîñòîÿíèè ïðîñêàíèðîâàòü îáëàñòü ïîâåðõíîñòè ðàçìåðîì â íåñêîëüêî ìèëëèìåòðîâ â ëàòåðàëüíîé ïëîñêîñòè ñ ïåðåïàäîì âûñîò â íåñêîëüêî ìèëëèìåòðîâ â âåðòèêàëüíîé ïëîñêîñòè. Ó ÀÑÌ ìàêñèìàëüíûé ïåðåïàä âûñîò ñîñòàâëÿåò íåñêîëüêî ìèêðîí, à ìàêñèìàëüíîå ïîëå ñêàíèðîâàíèÿ â ëó÷øåì ñëó÷àå ïîðÿäêà 150×150 ìèêðîí². Äðóãàÿ ïðîáëåìà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðè âûñîêîì ðàçðåøåíèè êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ðàäèóñîì êðèâèçíû êîí÷èêà çîíäà, ÷òî ïðè íåïðàâèëüíîì âûáîðå çîíäà ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ àðòåôàêòîâ íà ïîëó÷àåìîì èçîáðàæåíèè.

Îáû÷íûé ÀÑÌ íå â ñîñòîÿíèè ñêàíèðîâàòü ïîâåðõíîñòü òàêæå áûñòðî, êàê ýòî äåëàåò ÐÝÌ. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÀÑÌ-èçîáðàæåíèÿ òðåáóåòñÿ îò íåñêîëüêèõ ìèíóò äî íåñêîëüêèõ ÷àñîâ, â òî âðåìÿ êàê ÐÝÌ ïîñëå îòêà÷êè ñïîñîáåí ðàáîòàòü ïðàêòè÷åñêè â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè õîòÿ è ñ îòíîñèòåëüíî íåâûñîêèì êà÷åñòâîì. Èç-çà íèçêîé ñêîðîñòè ðàçâ¸ðòêè ÀÑÌ ïîëó÷àåìûå èçîáðàæåíèÿ îêàçûâàþòñÿ èñêàæ¸ííûìè òåïëîâûì äðåéôîì, ÷òî óìåíüøàåò òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ ýëåìåíòîâ ñêàíèðóåìîãî ðåëüåôà. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ ÀÑÌ áûëî ïðåäëîæåíî íåñêîëüêî êîíñòðóêöèé, ñðåäè êîòîðûõ ìîæíî âûäåëèòü çîíäîâûé ìèêðîñêîï, íàçâàííûé âèäåîÀÑÌ. ÂèäåîÀÑÌ îáåñïå÷èâàåò ïîëó÷åíèå óäîâëåòâîðèòåëüíîãî êà÷åñòâà èçîáðàæåíèé ïîâåðõíîñòè ñ ÷àñòîòîé òåëåâèçèîííîé ðàçâ¸ðòêè, ÷òî äàæå áûñòðåå, ÷åì íà îáû÷íîì ÐÝÌ. Îäíàêî, ïðèìåíåíèå Âèäåî ÀÑÌ îãðàíè÷åíî, òàê êàê îí ðàáîòàåò òîëüêî â êîíòàêòíîì ðåæèìå è íà îáðàçöàõ ñ îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèì ïåðåïàäîì âûñîò. Äëÿ êîððåêöèè âíîñèìûõ òåðìîäðåéôîì èñêàæåíèé áûëî ïðåäëîæåíî íåñêîëüêî ñïîñîáîâ. Íåëèíåéíîñòü, ãèñòåðåçèñ <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81> è ïîëçó÷åñòü <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C> (êðèï) ïüåçîêåðàìèêè ñêàíåðà òàêæå ÿâëÿþòñÿ ïðè÷èíàìè ñèëüíûõ èñêàæåíèÿ ÀÑÌ - èçîáðàæåíèé. Êðîìå òîãî, ÷àñòü èñêàæåíèé âîçíèêàåò èç-çà âçàèìíûõ ïàðàçèòíûõ ñâÿçåé, äåéñòâóþùèõ ìåæäó X, Y, Z-ìàíèïóëÿòîðàìè ñêàíåðà. Äëÿ èñïðàâëåíèÿ èñêàæåíèé â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè ñîâðåìåííûå ÀÑÌ èñïîëüçóþò ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå (íàïðèìåð, îñîáåííîñòü - îðèåíòèðîâàííîå ñêàíèðîâàíèå <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D0%BE%D0%B1%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5>) ëèáî ñêàíåðû, ñíàáæ¸ííûå çàìêíóòûìè ñëåäÿùèìè ñèñòåìàìè, â ñîñòàâ êîòîðûõ âõîäÿò ëèíåéíûå äàò÷èêè ïîëîæåíèÿ. Íåêîòîðûå ÀÑÌ âìåñòî ñêàíåðà â âèäå ïüåçîòðóáêè èñïîëüçóþò XY è Z-ýëåìåíòû, ìåõàíè÷åñêè íåñâÿçàííûå äðóã ñ äðóãîì, ÷òî ïîçâîëÿåò èñêëþ÷èòü ÷àñòü ïàðàçèòíûõ ñâÿçåé. Îäíàêî â îïðåäåë¸ííûõ ñëó÷àÿõ, íàïðèìåð, ïðè ñîâìåùåíèè ñ ýëåêòðîííûì ìèêðîñêîïîì èëè óëüòðàìèêðîòîìàìè <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BC> êîíñòðóêòèâíî îïðàâäàíî èñïîëüçîâàíèå èìåííî ñêàíåðîâ íà ïüåçîòðóáêàõ.

ÀÑÌ ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ îïðåäåëåíèÿ òèïà àòîìà â êðèñòàëëè÷åñêîé ðåø¸òêå.

Çàêëþ÷åíèå

Òàêèì îáðàçîì, â äàííîé êóðñîâîé ðàáîòå êðàòêî èçëîæåíû îñíîâû ñêàíèðóþùåé çîíäîâîé ìèêðîñêîïèè - îäíîãî èç ñàìûõ ñîâðåìåííûõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòè. Â äàííûé ìîìåíò ñêàíèðóþùàÿ çîíäîâàÿ ìèêðîñêîïèÿ - ýòî áóðíî ðàçâèâàþùèéñÿ ìåòîä èññëåäîâàíèÿ ïîâåðõíîñòè ñ âûñîêèì ïðîñòðàíñòâåííûì ðàçðåøåíèåì è ìîùíûé èíñòðóìåíò äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ íàíîòåõíîëîãèè - òåõíîëîãèè ñîçäàíèÿ ïðèáîðíûõ ñòðóêòóð ñ ñóáìèêðîííûìè ðàçìåðàìè.

Ñïèñîê èñïîëüçóåìîé ëèòåðàòóðû

1.       Â.À. Áûêîâ, Ì.È. Ëàçàðåâ, Ñ.À. Ñàóíèí - Ñêàíèðóþùàÿ çîíäîâàÿ ìèêðîñêîïèÿ äëÿ íàóêè è ïðîìûøëåííîñòè. // "Ýëåêòðîíèêà: íàóêà, òåõíîëîãèÿ, áèçíåñ", ¹ 5, ñ.7-14A997).

2.      "Ñêàíèðóþùàÿ çîíäîâàÿ ìèêðîñêîïèÿ áèîïîëèìåðîâ" (Ïîä ðåäàêöèåé È.Â. ßìèíñêîãî),

Ì.: Íàó÷íûé ìèð, 1997, 86 ñ.

.         À.Ï. Âîëîäèí - Íîâîå â ñêàíèðóþùåé ìèêðîñêîïèè. // Ïðèáîðû è òåõíèêà ýêñïåðèìåíòà, ¹ 6, ñ.3 - 42 A998).

4.      Â.Ê. Íåâîëèí. "Îñíîâû òóííåëüíî-çîíäîâîé íàíîòåõíîëîãèè: Ó÷åáíîå ïîñîáèå". - URL: <http://www.nanotube.ru/ru/about/publications> Äàòà îáðàùåíèÿ: 06.04.2013.

.        Â.Ë. Ìèðîíîâ. "Îñíîâû ñêàíèðóþùåé çîíäîâîé ìèêðîñêîïèè: Ó÷åáíîå ïîñîáèå äëÿ ñòóäåíòîâ ñòàðøèõ êóðñîâ âûñøûõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé". - URL: http://idpe. ntmdt.ru/data/media/images/shared_resources/textbooks/osnovy_skaniruyushcej_zondovoj_mikroskopii. pdf <http://idpe.ntmdt.ru/data/media/images/shared_resources/textbooks/osnovy_skaniruyushcej_zondovoj_mikroskopii.pdf> Äàòà îáðàùåíèÿ: 04.04.2013.

.        Â.Ë. Ìèðîíîâ. "Îñíîâû ñêàíèðóþùåé çîíäîâîé ìèêðîñêîïèè: Ó÷åáíîå ïîñîáèå äëÿ ñòóäåíòîâ ñòàðøèõ êóðñîâ âûñøûõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé". - URL: http://idpe. ntmdt.ru/data/media/images/shared_resources/textbooks/osnovy_skaniruyushcej_zondovoj_mikroskopii. pdf <http://idpe.ntmdt.ru/data/media/images/shared_resources/textbooks/osnovy_skaniruyushcej_zondovoj_mikroskopii.pdf> Äàòà îáðàùåíèÿ: 04.04.2013.

.        Âèêèïåäèÿ "Îñíîâû ñêàíèðóþùåé çîíäîâîé ìèêðîñêîïèè". - URL: http://ru. wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF#. D0.9B. D0. B8. D1.82. D0. B5. D1.80. D0. B0. D1.82. D1.83. D1.80. D0. B0 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF> Äàòà îáðàùåíèÿ: 06.04.2013.

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru