Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии

сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)
1986 год – изобретение атомно-силового микроскопа (АСМ)

в которых сканирование осуществляется образцом)

–
области спонтанной поляризации
(домены Вейса)
До обработки домены
ориентированы хаотически
При высокой температуре
в

Остаточная поляризация пьезокерамики

+

-

(поляризацию) во внешнем электромагнитном поле.
Термин поляризуемость также употребляется для обозначения

Электрическая поляризуемость среды
характеризуется величиной диэлектрической восприимчивости , являющейся коэффициентом линейной связи между поляризацией диэлектрика P и внешним электрическим полем E в достаточно малых полях:

изменяет свои продольные размеры. В этом случае продольная деформация под

- длина трубки в недеформированном состоянии.

Абсолютное удлинение пьезотрубки

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.

зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент

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.

цилиндра на четыре секции. При подаче противофазных напряжений на противоположные

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,

склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой

При подаче напряжение на электроды биморфа, как показано на рис., 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.

можно организовать движение зонда по оси Z и в плоскости

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

отрицательно влияющими на работу сканирующих элементов. Одним из таких недостатков

Для малых управляющих полей данная зависимость может быть представлена в следующем виде:

где dijk и αijkl -линейные и квадратичные модули пьезоэлектрического эффекта.
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*).

- ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющего электрического

от направления изменения электрического поля (гистерезис).
Это приводит к тому, что

пезокерамики при изменении температуры. Для контроля – термостатирование, помещение прибора

Методы устранения нелинейность:
Постобработка
– предварительная калибровка для определения параметров нелинейности с последующей компьютерной обработкой и вычитанием эффекта нелинейности.
Аппаратные
– использование интерференционных методов для определения положения зонда (точность до 0.1 нм.
использование линейных дифференциальных трансформаторов для контроля перемещения зонда (точность 1 нм)
использование 4-х секционного фотодиода для определения положения зонда.
Активные – включение перечисленных устройств в систему обратной связи.

отношение плеча L к плечу l, тем более точно
можно контролировать

Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца

редукция перемещений достигается за счет разницы коэффициентов жесткости двух последовательно

Из условия равновесия следует, что

где Δl и ΔL - смещения пружины и упругой балки. В этом случае коэффициент редукции равен отношению коэффициентов жесткости упругих элементов:

Таким образом, чем больше отношение жесткости балки к жесткости пружины, тем точнее можно контролировать смещение рабочего элемента микроскопа.

электрические импульсы в дискретные механические перемещения (дискретное вращение ротора). Важным

постоянные магниты. На рис. представлена упрощенная конструкция шагового электродвигателя. Чередующиеся

Шаговый двигатель с постоянными магнитами

высокая резонансная частота СЗМ-узла

с низким КТР

2D карты (А) или в виде 3D изображения с виртуальной

А

В

Артефакты СЗМ изображений

порядка неидеальность сканера
Усреднение по строкам
Фильтрация СЗМ изображений (например, медианная фильтрация) устранение

Методы устранения артефактов

Артефакты СЗМ изображений

функции методом поворота (для физического наклона) плоскости изображения на нужный

Постоянный наклон

не устранимым инструментально.
Для их удаления при обработке применяется аппроксимации

Вычитание поверхности второго порядка

До

После

изменений между строками изображения. Фильтрация этого эффекта проводиться путем усреднения

Усреднение по строкам

и максимальных значений и приписывание среднего значения центральной точке.
Фильтрация шумов

шумов для определенных частотных диапазонов. Фурье образ изображения позволяет также

Фурье фильтрация

ухудшение пространственного разрешения микроскопа
искажения при сканировании поверхностей с неровностями, сравнимыми

Влияние формы зонда

Качество АСМ изображения

«сканируется» инвертированным зондом
Форма зонда
определяется экспериментально сканированием тестовых структур или по

Метод численной деконволюции

Восстановление поверхности