Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰)...
История создания датчика движения: Первый прибор для обнаружения движения был изобретен немецким физиком Генрихом Герцем...
Топ:
Основы обеспечения единства измерений: Обеспечение единства измерений - деятельность метрологических служб, направленная на достижение...
Эволюция кровеносной системы позвоночных животных: Биологическая эволюция – необратимый процесс исторического развития живой природы...
Техника безопасности при работе на пароконвектомате: К обслуживанию пароконвектомата допускаются лица, прошедшие технический минимум по эксплуатации оборудования...
Интересное:
Искусственное повышение поверхности территории: Варианты искусственного повышения поверхности территории необходимо выбирать на основе анализа следующих характеристик защищаемой территории...
Уполаживание и террасирование склонов: Если глубина оврага более 5 м необходимо устройство берм. Варианты использования оврагов для градостроительных целей...
Подходы к решению темы фильма: Существует три основных типа исторического фильма, имеющих между собой много общего...
Дисциплины:
2019-11-28 | 217 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
1 – зонд; 2 – пучок электронов; 3 – образец; U – разность потенциалов между зондом и объектом; IТ – туннельный ток; L – расстояние между зондом и объектом; F – площадь туннельного контакта
Рисунок 1.3 – Схема протекания туннельного тока между зондом и обектом
В сканирующем туннельном микроскопе к проводящей поверхности образца 3 подводится острый зонд 1, оканчивающийся одним атомом. При расстояниях в десятые доли нанометра волновые функции электронов атома зонда и ближайшего атома образца перекрываются. В результате через зазор протекает ток IТ, обусловленный туннелированием электронов. Вероятность туннельного перехода экспоненциально зависит от величины зазора L, разности потенциалов между ними U и величинами работы выхода электронов F1 и F2 с поверхности зонда и поверхности исследуемого объекта. Поэтому, перемещая зонд вдоль поверхности, можно анализировать ее топологию с атомным разрешением.
Возможны два режима работы туннельных микроскопов, схемы которых представлены на рисунках 1.4 и 1.5.
Рисунок 1.4 – Режим постоянной высоты
В первом режиме зонд перемещается на одной и той же высоте над образцом. Изменение высоты различных неровностей поверхности приводят к соответствующим изменениям туннельного тока.
Рисунок 1.5 – Режим неизменного тока
Во втором методе существует обратная связь, с помощью которой туннельный ток поддерживается на одном уровне путем изменения высоты зонда над поверхностью. Металлический зонд обычно изготавливают из вольфрама. Конструкция пьезоэлектрического трехточечного сканера, предложенного Г. Биннингом и Г. Рорером, показана на рисунке 1.6.
|
Рисунок 1.6 - Конструкция пьезоэлектрического трехточечного сканера
Пьезоэлектрическое основание 1, на котором крепится образец, располагается на трех ножках 2. Зонд укреплен горизонтально на пьезоэлектрическом сканере 3. Напряжение, прикладываемое к пьезокристаллам, вызывает перемещение образца по трем осям (x, y, z). Первоначальная юстировка осуществляется микрометрическими винтами. Зависимость напряжения на пьезоэлементе от координат зонда отражает рельеф поверхности образца. В туннельном микроскопе горизонтальное разрешение достигает 0,3 нм, а вертикальное составляет 0,01…0,05 нм. С помощью туннельного микроскопа можно исследовать только электропроводные материалы, что является его существенным недостатком.
Атомно-силовая микроскопия – один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-вальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Схема устройства атомно-силового микроскопа представлена на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 – Схема устройства атомно-силового микроскопа
Принцип действия атомно-силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. В сканирующем атомном силовом микроскопе эти силы действуют между исследуемой поверхностью и скользящим над ней острием. В качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере, который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1…1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. С помощью АСМ можно исследовать как проводящие, так и диэлектрические поверхности.
|
В зависимости от расстояний от иглы до образца возможны следующие режимы работы атомно-силового микроскопа:
– контактный режим;
– бесконтактный режим;
– полуконтактный режим.
При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка нескольких десятых нм. Таким образом, игла находится в мягком физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания. В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности.
Топографические изображения в атомно-силовом микроскопе обычно получают в одном из двух режимов:
– режим постоянной высоты;
– режим постоянной силы.
В режиме постоянной высоты положение сканера в вертикальном направлении фиксировано, а отклонения кантилевера служат для построения топографического изображения поверхности. Данный режим предпочтителен для получения изображений атомарно гладких объектов, а также для записи в реальном масштабе времени быстро протекающих процессов на поверхности, когда необходимо обеспечить высокую скорость сканирования. В режиме постоянной силы поддерживается постоянным отклонение кантилевера путем непрерывной подстройки высоты сканера с помощью системы слежения. Изображение строится на основе сигналов, обеспечивающих вертикальное перемещений кантилевера. Данный режим применяется наиболее часто, но у него есть недостаток: ограниченная скорость сканирования из-за конечной скорости функционирования системы слежения.
При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм, превышающей расстояние между зондом и поверхностью. Действие межатомных сил вызывает изменение резонансной частоты и амплитуды колебаний кантилевера. Если резонансная частота или амплитуда колебаний поддерживается постоянной с помощью следящей системы (цепи обратной связи), которая контролирует положение сканера, то траектория движения конца зонда будет соответствовать атомному рельефу поверхности.
Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием, что игла кантилевера в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности образца. Данный режим не обеспечивает атомного разрешения, но оказывается достаточно успешным для получения изображений шероховатых поверхностей с высоким рельефом.
|
Таким образом, отличительной особенностью метода атомно-силовой микроскопии является то, что он позволяет исследовать на атомарном уровне не только поверхности проводящих объектов, но и объектов диэлектрических. С помощью АСМ можно исследовать силовые характеристики поверхностных атомов объектов путем регистрации зависимости силы взаимодействия от расстояния между зондом и объектом. При исследовании легко разрушаемых объектов, например, биологических, пространство между зондом и поверхностью заполняют специальной жидкостью, что позволяет на порядок уменьшить силы взаимодействия.
Разновидностью атомно-силового микроскопа является магнитно-силовой микроскоп (МСМ). Особенностью конструкции МСМ является то, что острие сканирующей иглы покрывается тонкой ферромагнитной пленкой. МСМ работает в бесконтактном режиме и детектирует изменения в резонансной частоте измерительной консоли, обусловленные изменениями магнитного поля в зазоре между острием сканирующей иглы и образцом. МСМ может визуализировать естественно встречающиеся и свободно записанные доменные структуры в магнитных материалах. Схема работы МСМ представлена на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8 – Схема работы магнитно-силового микроскопа
Микромагнит в виде заостренной иглы перемещают вблизи поверхности образца, регистрируя силы взаимодействия с образцом. В магнитно-силовом микроскопе при сканировании образца игла проходит по одному и тому же месту дважды.
Первый раз она движется по поверхности образца в контакте с ним, при этом компьютер запоминает ее траекторию, которая в этом случае соответствует профилю исследуемой поверхности.
Второй раз игла проходит по той же траектории над тем же участком поверхности, но на некотором удалении от нее. При таком движении на иглу, расположенную на микроконсоли, действуют уже не контактные силы, как в первом случае. Если иглу отвести на расстояние 10…50 нм, то Ван-дер-Ваальсовое притяжение затухает и остаются только более дальнодействующие магнитные силы, так что отклонение иглы от заранее обусловленной траектории будет определяться именно магнитными свойствами образца.
|
В реальных экспериментах для достижения максимальной чувствительности кантилевер приводят в состояние резонанса, и игла проходит образец дважды: первый раз отслеживает профиль поверхности в режиме прерывистого контакта, второй раз – при свободных колебаниях, на удалении от поверхности. Регистрация в процессе измерений амплитуды, фазы или частоты колебаний дает более точную информацию о магнитных включениях (доменах, кластерах) в исследуемом объекте.
Магнитно-силовой микроскоп нашел практическое применение при разработке и конструировании магнитных носителей информации — магнитных лент, винчестеров, магнитооптических дисков и пр. Он позволяет увидеть в материале отдельные магнитные области (до 10 нм) [1].
Изображения, полученные с помощью МСМ, содержат информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности. Какая информация преобладает на изображении, зависит от величины расстояния между острием и поверхностью, потому что межатомная магнитная сила существует при больших зазорах, чем это наблюдается для Ван-дер-Ваальсовой силы. Если острие находится близко к поверхности (<10 нм), то в режиме работы стандартного бесконтактного АСМ на изображении будет отражена преимущественно топография. При увеличении зазора между острием и образцом (примерно до 30…300 нм) влияние топографии снижается, и становятся видны магнитные
эффекты.
|
|
Автоматическое растормаживание колес: Тормозные устройства колес предназначены для уменьшения длины пробега и улучшения маневрирования ВС при...
Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...
Семя – орган полового размножения и расселения растений: наружи у семян имеется плотный покров – кожура...
Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!