МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ. Методы исследования материалов и процессов
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
2.5. Сканирующая туннельная микроскопия Сканирующий туннельный микроскоп был предложен Г. Биннигом и Х. Рорером в 1981 г. (эта работа в 1986 г. была удостоена Нобелевской премии). Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе, который обеспечивает перемещения по Х, Y, Z, служит зондом для исследования участков поверхности образца (рис. 2.13, а). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние ≤ 1 нм, то при приложении между острием и образцом небольшого напряжения смещения V (от 0,01 до 10 В), через вакуумный промежуток δ z , начинает протекать туннельный ток I порядка 10 -9 А. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении Х и/или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние δ z от острия до поверхности образца или измеряя 127 изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще). Все это делает СТМуникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций). Энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (т. е. меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов. Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, разработка и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками: 1) изоляция от акустических и механических вибраций; 2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне; 3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом; 4) изготовление зондов в виде острия с атомногладкой поверхностью. Проблему вибрации удалось решить, используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий 128 узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние, равное нескольким нанометрам, и сканирования вдоль поверхности использовался двигатель на основе пьезоэлектриков – материалов, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 2.13,а). Рис. 2.13. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ): а – принцип действия СТМ; р х , р y , р z – пьезоэлементы; δ z – туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; I – туннельный ток; б – схема, иллюстрирующая работу СТМ а б 129 Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис. 2.13,б. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения V, поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента р z . Запись осциллограммы напряжения V z в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей х и у образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца. На пьезоэлемент р z подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. Применение СТМ позволило изучать реальную структуру поверхности твердых тел. Очевидно, что расположение атомов в поверхностном слое, вообще говоря, не такое, как внутри кристалла. В объеме идеального кристалла все валентные связи насыщенны, но в процессе образования поверхности, например при раскалывании кристалла, связи между атомами разрываются, а создававшие их электронные пары распадаются на независимые электроны, готовые образовать новые связи — их называют оборванными связями. Такая ситуация энергетически очень невыгодна, поэтому, стремясь к равновесию, поверхностные электроны будут образовывать дополнительные связи между атомами на самой поверхности с тем, чтобы число оборванных связей существенно сократилось. В частности, соседние атомы, образуя дополнительные связи между собой, объединяются в пары – димеры, вследствие чего атомы каждого димера сближаются друг с другом, удаляясь от соседних атомов. В результате на поверхности в одном атомном слое изменяется порядок кристаллической решетки и образуется новая сверхструктура (в физике поверхности принят термин «происходит реконструкция»). 130 Одной из наиболее важных проблем в физике поверхности более 30 лет была структура поверхности Si (111). Этот материал является основой современной электроники. До применения СТМ было установлено, что эта реконструкция характеризуется периодом, превышающим период объемной решетки в 7 раз, и элементарной ячейкой, содержащей 49 атомов, однако детальное расположение этих атомов в ячейке оставалось неопределенным, а многочисленные (свыше двух десятков) модели этой структуры зачастую противоречили друг другу. На рис. 2.14приведена модель Такаянаги поверхности Si (111), построенная на основе туннельного изображения в прямом (а не обратном) пространстве: показана ячейка, содержащая 12 выступов (так называемые адатомы, обозначенные крупными кружочками) и 9 димеров. Угловая ямка и 12 адатомов являются характерными особенностями ромбической элементарной ячейки поверхности Si. Рис. 2.14.Модель Такаянаги поверхности кремния Si (111): А – вид сверху; В – вид сбоку 131 Впоследствии изображение поверхности Si (111) стало использоваться в качестве своего рода эталона для проверки работоспособности СТМ. Заметим, что СТМ позволяет наблюдать не сами атомы, а распределение плотности электронов различной энергии в пространстве вокруг атомов и дает не саму топографию, а скорее изображение электронной структуры поверхности в окрестности уровня Ферми. Это обстоятельство, с одной стороны, существенно повышает информативность метода, с другой — затрудняет расшифровку истинных поверхностных атомных структур. С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно не только осуществлять собственно микроскопические исследования с подробной аттестацией поверхностной структуры. Зондом можно перемещать отдельные атомы по поверхности, т.е. проводить модификацию поверхности. Например, в 1990 г. в рекламных целях на грани (110) никелевого монокристалла сотрудниками фирмы IBM был выложен логотип фирмы из 35 атомов ксенона, что демонстрировало осуществимость сборки изделий на атомном уровне. В настоящее время все острее встает проблема миниатюризации различных устройств. Например, в настоящее время уже имеются опытные образцы микродвигателей с размером ротора около 1 мм, развивающие 40 тыс. об/мин. Многочисленные исследования проводятся в области создания электромеханических систем размером менее 100 нм. Это могли бы быть суперминиатюрные сенсоры, электромоторы, датчики, вентили, клапаны, преобразователи, конденсаторы, резонаторы. Существуют, по крайней мере, два подхода к конструированию наноустройств. Это, с одной стороны, создание сверхмалых копий известных макрообъектов и, с другой, разработка принципиально новых образцов, не имеющих традиционных аналогов. Более 40 лет назад в известном докладе, посвященном миниатюризации, Р. Фейнман обращал внимание на трудности, возникающие при попытках микрокопирования механических устройств. Эту проблему иллюстрирует следующий пример. Допустим, при общем размере 132 микроавтомобиля 1 мм чистота обработки поверхностей должна быть атомного уровня, потребуются детали, размер которых соответствует 10 атомам. Возникает также проблема смазки в нанозазорах, необходимость создания электропривода из нанопроводов и др., не говоря уже о проблемах сборки автомобиля как целого. Такого рода построения перестают быть областью чистой теории, поскольку в руках исследователя появились приборы, позволяющие осуществлять манипуляции в наноструктурных масштабах. Туннельные сканирующие микроскопы – это один из примеров реализации нанотехнологических операций макроустановками. 133 Библиографический список 1. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: уч. пособие для вузов. Изд. 4-е доп. и перераб.. ⁄ С.С. Горелик, Ю.А. Скаков, Л.Н. Расторгуев. – М.: МИСИС, 2002. – 360 С. 2. Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы: уч. пособие для студентов вузов ⁄ Андриевский Р.А., Рагуля А.В. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с. 3. Тушинский Л.И. Методы исследования материалов: структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий: уч. пособие для вузов ⁄ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О.Токарев, В.И. Синдеев. – М.: Мир, 2004.– 384 с. 4. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии: уч. пособие для вузов ⁄ В.Л. Миронов. – Н.Новгород: Институт физики наноструктур РАН, 2004. – 110 с. 5. Бахтизин Р.З. Сканирующая туннельная микроскопия – новый метод изучения поверхности твердых тел ⁄⁄ Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6, № 11. – С. 1-7. 134 Оглавление Предисловие…………………………………………………………….. Раздел I. Методы исследования в материаловедении ………………... 1.1. Статистическая обработка результатов наблюдений ……………. 1.1.1. Основные статистические характеристики ………………… 1.1.2. Графическое представление распределений случайных величин и взаимосвязи между ними ……………………… 1.1.3. Доверительный интервал и доверительная вероятность … 1.1.4. Регрессионный анализ……………………………………… 1.2. Металлография ……………………………………………………… 1.2.1. Систематизация структуры с геометрической точки зрения 1.2.2. Основные методы количественной металлографии ……….. 1.2.3. Фрактальный анализ в металловедении 1.3. Механические испытания материалов ……………………………… 1.3.1. Испытания на растяжение ……………………………………. 1.3.2. Практическая работа: Расчет характеристик прочности и пластичности при испытаниях на растяжение ………………. 1.3.3. Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом ….. 1.3.4. Измерение твердости ………………………………………….. 1.3.5. Первичная рекристаллизация ………………………………… 1.3.6. Практическая работа. Определение температуры рекристаллизации иридия, рафинированного различными методами 1.4. Рентгеноструктурный анализ ………………………………………………… 1.4.1. Рентгеновский дифрактометр ………………………………… 1.4.2. Практическая работа. Применение метода Лауэ для ориентирования монокристаллов …………………………….. 1.4.3. Практическая работа. Определение коэффициента линейного расширения ………………………………………… 1.4.4. Рентгеновская топография. Метод. Шульца ………………… 1.5. Электронная микроскопия ……………………………………………. 1.5.1. Растровая (сканирующая) электронная микроскопия ………. 1.5.2. Практическая работа. Рентгеновский микроанализ состава образца …………………………………………………………. 1.5.3. Просвечивающая электронная микроскопия ……………….. 1.5.4. Практическая работа: Индицирование электронограммы …. 1.6. Анализ химического состава поверхности методом Оже- электронной спектроскопии …………………………………………… 1.7. Термопары ……………………………………………………………. 1.8. Дифференциальный термический анализ (ДТА) ………………….. 4 5 5 6 7 9 10 11 14 16 23 28 28 31 35 40 41 42 45 48 53 58 50 61 61 63 66 70 75 80 85 135 Раздел II. Перспективные материалы и технологии ……………………… 2.1. Порошковая металлургия ……………………………………………. 2.2. Композиционные материалы ………………………………………... 2.3. Субмикрокристаллические материалы. Сверхпластичность ……… 2.4. Нанотехнология ………………………………………………………. 2.4.1. Методы получения наноструктурного состояния материалов 2.4.2. Технология пленок и покрытий ………………………………. 2.4.3. Магнитные характеристики наноструктурных материалов ... 2.4.4. Механические свойства наноструктурных материалов ...... 2.4.5. Перспективы применения наноструктурных материалов …. 2.5. Сканирующая туннельная микроскопия ……………………………. Литература ………………………………………………………………….. Оглавление ………………………………………………………………….. 90 91 98 109 111 112 115 119 121 124 126 133 134 136 Учебное издание Наталья Николаевна Степанова Методы исследования материалов и процессов Редактор О.С. Смирнова Подписано в печать 28.09.06 Формат 60х84 1/16 Бумага типографская Плоская печать Усл. печ. л. 7,73 Уч.-изд. л. 6,7 Тираж 50 Заказ Цена «С» Редакционно-издательский отдел ГОУ ВПО УГТУ–УПИ Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ–УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 |