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
Исследование пьезоэлектрических сканеров микроперемещений.
Цель работы: изучение физико-технических принципов обеспечения микроперемещений объектов в сканирующей зондовой микроскопии, реализуемых с помощью пьезоэлектрических сканеров
Введение
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из мощных современных методов исследования свойств поверхности твердого тела. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и микротехнологий не обходится без применения методов СЗМ.
Принципы сканирующей зондовой микроскопии могут быть использованы в качестве базовой основы для развития технологии создания твердотельных структур наноразмерного масштаба (1 нм = 10 А). Впервые в технологической практике создания техногенных объектов ставится вопрос об использовании принципов атомной сборки при изготовлении промышленных изделий. Подобный подход открывает перспективы реализации устройств, содержащих в своем составе весьма ограниченное количество индивидуальных атомов.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) – первый из семейства зондовых микроскопов - был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Г. Биннигом и Г. Рорером. В своих работах они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с высоким пространственным разрешением вплоть до атомарного порядка. 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. Поперу 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.
1. Общие принципы работы сканирующих зондовых микроскопов
В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа и локальных свойств поверхности и проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов игольчатого типа. Радиус закругления рабочей части таких зондов (острия) 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 физического взаимодействия зонда с атомами поверхности образцов. 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.
Рис. 1. Схема системы обратной связи зондового микроскопа
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.
2. Конструкции сканирующих элементов зондовых микроскопов
Согласно вышеизложенному, для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние в системе «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 можно представить в виде:
|
(1) |
||
|
где |
uij – тензор деформаций; |
|
|
Ek – компоненты электрического поля; |
||
|
Dijk – компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов. |
Вид тензора пьезоэлектрических коэффициентов определяется типом симметрии кристаллов пьезоэффекта.
В различных технических приложениях широкое распространение получили преобразователи из пьезокерамических материалов. Пьезокерамика представляет собой поляризованный поликристаллический материал, получаемый методами спекания порошков из кристаллических сегнетоэлектриков. Вид тензора пьезоэлектрических констант для пьезокерамик существенно упрощается, поскольку отличными от нуля являются только три компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов - d33, d31, d15, характеризующие продольные, поперечные (по отношению к вектору поляризации) и сдвиговые деформации.
Рассмотрим плоскую пластину из пьзокерамики (рис. 2, помещенную во внешнее электрическое поле. Пусть вектор поляризации P и вектор электрического поля E направлены вдоль оси X. Тогда, обозначая и , получаем, что деформации пьезокерамики в направлении, параллельном полю, равна , а в перпендикулярном полю направлении .
Рис. 2. Пластина из пьезокерамики во внешнем электрическом поле
В сканирующей зондовой микроскопии широкое распространение получили пьзоэлементы трубчатого типа (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. 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:
|
(2) |
||
|
где |
l0 – длина трубки в недеформированном состоянии. |
Абсолютное удлинение пьзоэлемента трубчатого типа равно:
|
(3) |
||
|
где |
h – толщина стенки пьзоэлемента трубчатого типа; |
|
|
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.
Рис. 4. Трех координатный сканирующий элемент в виде трипода
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. 5. Конструкция комбинированного трубчатого пьезосканера
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 трех координатный 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). 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 таким образом, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противоположно.
Рис. 6. Устройство биморфного пьезоэлемента
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. 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. 7).
Рис. 7. Схематическое изображение работы биморфного пьезосканера
Действительно, подавая противофазные напряжения на противоположные пары секций внешних электродов, можно изгибать биморф так, что зонд будет двигаться в плоскости X,Y (рис. 7 (а, б)). А изменяя потенциал внутреннего электрода относительно всех секций внешних электродов, можно прогибать биморф, перемещая зонд в направлении Z (рис. 7 (в, г)).
Несмотря на ряд технологических преимуществ перед кристаллами, пьезокерамики обладают некоторыми недостатками, отрицательно влияющими на работу сканирующих элементов. Одним из таких недостатков является нелинейность пьезоэлектрических свойств. В общем случае (особенно при больших управляющих полях) пьезокерамики характеризуются нелинейной зависимостью деформации от поля (или от управляющего напряжения). Таким образом, деформация пьезокерамики является сложной функцией внешнего электрического поля . Типичные значения полей E*, при которых начинают сказываться нелинейные эффекты, составляют порядка 100 В/мм. Поэтому для корректной работы сканирующих элементов обычно используются управляющие поля в области линейности керамики (E < E*).
Другим недостатком пьезокерамики является так называемый крип (creep - ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющего электрического поля. Крип приводит к тому, что в СЗМ изображениях наблюдаются геометрические искажения, связанные с этим эффектом. Особенно сильно крип сказывается при выводе сканера в заданную точку для проведения локальных измерений и на начальных этапах процесса сканирования. Для уменьшения влияния крипа керамики применяются временные задержки в указанных процессах, позволяющие частично скомпенсировать запаздывание сканера.
Еще одним недостатком пьезокерамик является неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения электрического поля (гистерезис). Это приводит к тому, что при одних и тех же управляющих напряжениях пьезокерамика оказывается в различных точках траектории в зависимости от направления движения. Для исключения искажений СЗМ изображений, обусловленных гистерезисом пьезокерамики, регистрацию информации при сканировании образцов производят только на одной из ветвей зависимости.
3. Задание:
Общие методические основы определения зависимости деформации пьезокерамики ΔL / L от величины напряженности электрического поля E представлены на рис 8, где L начальная длина пьезосканера при E = 0. Под воздействием электрического поля линейный размер L увеличивается (или уменьшается в зависимости от направления вектора напряженности электрического поля E) на величину ΔL. Зная величину напряженности электрического поля и относительного удлинения пьезокерамики можно определить значение параметра S – коэффициент пьезочувствительности конструкционного материала пьезосканера. Типичный порядок величины ΔL приведен на рис.8 (для случая кварца, обладающего слабой пьезочувствительностью, и в этой связи не используемого на практике в качестве конструкционного материала для создания пьезосканеров).
Рис.8 Схематическое представление деформации пьезочувствительного материала в электрическом поле
Схема экспериментального стенда для определения параметров пьезоэлектрического сканера приведена на рис. 9.
Рис.9 Оптико-механическая схема экспериментального стенда для определения параметров пьезоэлектрического сканера
Для визуализации величины удлинения образца пьезокерамики ΔL использована комплексная оптико-механическая система для увеличения параметра ΔL. Расширение (сжатие) пьезоэлемента ΔL с помощью рычага и шестеренчатой пары приводит к повороту отражателя №1. В качестве индикатора угла поворота отражателя №1 используется величина отклонения положения луча лазера на экране. Луч полупроводникового лазера попадает на подвижный отражатель №1, затем на неподвижный отражатель №2 и далее на полупрозрачный экран с мерной сеткой.
При определении оптико-механической передаточной функции лабораторного стенда и электромеханических параметров однокоординатного пьезосканера использовать следующие исходные данные:
Электрическая блок-схема экспериментального стенда представлена на рис.10.
Рис.10 Электрическая блок-схема экспериментального стенда
Внимание: при проведении измерений с помощью экрана с мерной сеткой избегать прямого попадания луча лазера на сетчатку глаза!
Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности:
Список литературы
Блок питания:
ьезоэлемент