Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)»
(СПбГЭТУ)
Факультет электроники
Кафедра микро- и наноэлектроники
Отчет по лабораторно-практической работе № 1
«Исследование поверхности материалов в контактном и полуконтактном режимах»
Студент: Старцева А. В.
Воронцова К. В.
Петенко О. С.
Шалапанов А. А.
Группа №7281
Преподаватель: Спивак Ю. М.
Подпись преподавателя__________
Санкт-Петербург
2011 г
Лабораторная работа № 1
«Исследование поверхности материалов в контактном и полуконтактном режимах»
Цель работы – ознакомление с принципами работы, возможностями, правилами эксплуатации и программным обеспечением атомно-силового микроскопа. Освоение контактного и полуконтактного режимов работы атомно-силового микроскопа.
Обработка результатов
1. Контактный режим сканирования
В идеальных экспериментальных условиях когда кантилевер приближается к поверхности образца на него начинают воздействовать сила Ван- дер-Вальса. Они распространяются достаточно далеко и ощутимы уже на расстояниях в несколько десятков ангстрем. Затем на расстояниях в несколько ангстрем начинают действовать силы отталкивания.
В реальных условиях в воздухе практически всегда присутствует некоторая влажность и на поверхностях образца и иглы присутствуют слои адсорбированной воды. Когда кантилевер достигает поверхности образца, возникают капиллярные силы, которые удерживают иглу кантилевера в контакте с поверхностью и увеличивают минимально достижимую силу взаимодействия.
Электростатическое взаимодействие между зондом и образцом может проявляться довольно часто. Оно может быть как притягивающим, так и отталкивающим. Ван-дер-ваальсовы силы притяжения, капиллярные, электростатические и силы отталкивания в точке, где зонд касается образца, в равновесии уравновешиваются силой, действующей на кончик зонда со стороны изогнутого кантилевера.
При работе в контактном режиме изгиб кантилевера отражает отталкивающую силу и используется непосредственно, в системе обратной связи или в их комбинации для отображения рельефа поверхности.
При использовании контактных методик кантилевер изгибается под действием сил отталкивания, действующих на зонд. Сила отталкивания , действующая на зонд, связана с величиной отклонения кантилевера законом Гука: , где является жесткостью кантилевера.
Величина вертикальных смещений кантилевера измеряется с помощью оптической системы регистрации и преобразуется в электрический сигнал DFL. DFL – это разностный сигнал между верхней и нижней половинами фотодиода. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через , , , , а через , , , значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика атомно-силового микроскопа. Разность токов вида пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 1. (а)).
Рис. 1. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде
В контактных методах сигнал DFL используется в качестве параметра, характеризующего силу взаимодействия между зондом и поверхностью образца. Величина DFL прямо пропорциональна силе взаимодействия. При использовании метода постоянной силы величина изгиба кантилевера поддерживается в процессе сканирования постоянной при помощи системы обратной связи. Таким образом, вертикальные смещения сканера отражают рельеф поверхности исследуемого образца – сигнал Height.
При сканировании по методу постоянной силы перпендикулярно продольной оси кантилевера помимо изгиба кантилевера в нормальном направлении происходит также и его торсионный изгиб. Он обусловлен моментом силы действующей на зонд. Для малых отклонений угол закручивания пропорционален поперечной (латеральной) силе. Торсионное закручивание кантилевера измеряется оптической следящей системой микроскопа. Сигнал LF – разностный сигнал между левой и правой половинами фотодиода. Комбинация разностных токов вида характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 1 (б)).
|
Рис. 2. АСМ-изображение стандартного образца в контактном методе (сигнал Height) Рис. 3. АСМ-изображение стандартного образца в контактном методе (сигнал Height (3-D изображение)) |
Реальный рельеф образца представляет собой набор параллельных ступеней, отстоящих друг от друга на одинаковом расстояний, одинаковой высоты. На АСМ-изображении образца видны чередующиеся темные и светлые полосы. Светлые полосы соответствуют самим ступеням, а темные полосы это расстояние между этими ступенями |
|
Рис. 4. АСМ-изображение стандартного образца в контактном методе (сигнал DFL) |
Светлая полоса на АСМ-изображении соответствует подъему ступени, а темная – спуску со ступени. |
|
Рис. 5. АСМ-изображение стандартного образца в контактном методе (сигнал LF) |
Темная полоса на АСМ-изображении соответствует подъему ступени, а светлая – спуску со ступени. |
Рис. 6. Влияние направления сканирования на АСМ-изображение
|
Рис.7. АСМ-изображение стандартного образца (сканирование в прямом направлении) |
Рис.8. АСМ-изображение стандартного образца (сканирование в обратном направлении) |
Рис. 9. Влияние скорости сканирования на АСМ-изображение
|
Рис. 10. АСМ-изображение стандартного образца (v =104.58 мкм/c) |
Рис. 11. АСМ-изображение стандартного образца (v =156.86 мкм/c) |
|
Рис. 12. АСМ-изображение стандартного образца (v =10.12 мкм/c) |
2. Полуконтактный режим сканирования
В этом режиме кантилевер колеблется на своей резонансной частоте с довольно большой амплитудой (~1000Å). Зонд касается поверхности при каждом колебании. При этом вероятность повреждения поверхности меньше, чем в контактном режиме, так как исключаются поперечные силы – силы трения, а вертикальная сила достаточная, для того чтобы преодолеть действие капиллярной силы. При сканировании мягких или эластичных материалов необходимо учитывать, что в данном режиме регистрации рельефа поверхности изображения часто представляют смесь топографии и упругих свойств поверхности.
Резонансная частота кантилевера при сканировании изменяется. Это связано с тем что, сила притяжения между образцом и острием зонда различается на минимальном и максимальном расстояниях между зондом и поверхностью.
При работе в полуконтактном методе при сканировании в соответствии с рельефов поверхности образца возникает отклонение текущей величины амплитуды колебаний кантилевера. Обратная связь стремится поддержать заданный уровень амплитуды колебаний кантилевера, точнее, уровень сигнала, связанного с амплитудой (в нашем случае это сигнал Mag – величина амплитуды нормальных колебаний).
В процессе сканирования по полуконтактному методу, когда колеблющийся кончик зонда касается поверхности образца, он испытывает взаимодействие отталкивающих, адгезионных, капиллярных и других сил. Одновременно регистрируется изменение не только амплитуды колебаний кантилевера, но и сдвиг фазы. Если поверхность образца является неоднородной по своим свойствам, соответствующим будет и фазовый сдвиг. Распределение фазового сдвига по поверхности будет отражать распределение характеристик материала образца.
|
Рис. 13. АСМ-изображение стандартного образца в полуконтактном методе (сигнал Height) |
|
|
Рис. 14. АСМ-изображение стандартного образца в полуконтактном методе (сигнал Phase) |
|
|
Рис. 15. АСМ-изображение стандартного образца в полуконтактном методе (сигнал Mag) |
Рис. 16. Профиль стандартного образца, снятый в контактном и полуконтактном режиме
3. Калибровка амплитуды колебаний кантилевера
При приближении острия зонда к поверхности в полуконтактном режиме работы зонд начинает постукивать по поверхности образца, и при дальнейшем удлинении z-трубки пьезосканера происходит ограничение амплитуды колебаний кантилевера. Возможность калибровки амплитуды колебаний кантилевера основана на предположении, что величина уменьшения амплитуды колебаний равна изменению длины z-сканера ():
Это предположение является справедливым, если добротность системы довольно велика, а образец абсолютно твердый, что для зондовых датчиков, предназначенных для полуконтактного режима работы и твердых образцов близко к действительности. Тогда, интервал , соответствующий изменению сигнала Mag от исходного уровня до нуля, будет равен амплитуде колебаний кантилевера:
,
где – коэффициент пропорциональности.
Рис. 17. Зависимость
Для вычисления коэффициента калибровки измерим величины и Для этого определим наклон зависимости (рис. 17, Z представлена как Height):
, [нм/нА]
и реальную амплитуду колебаний кантилевера:
нм