WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ДЕДКОВА ЕЛЕНА ГЕОРГИЕВНА

кОНТАКТНАЯ АТОМНО – СИЛОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

Нальчик – 2008 г.

Работа выполнена на кафедре физики конденсированного состояния физического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М.Бербекова,

г.Нальчик

Научный руководитель

доктор физико -математических наук, профессор

Хоконов Хазретали Бесланович,

КБГУ, г. Нальчик

Официальные оппоненты

доктор физико –математических наук, профессор

Хапачев Юрий Пшиканович,

КБГУ, г. Нальчик

доктор технических наук

Агеев Олег Алексеевич,

ТТИ ЮФУ, г. Таганрог

Ведущая организация

Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН, г. Москва

Защита состоится 23 декабря 2008 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета

Д 212.076.02 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Кабардино –Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова” по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского 175, физический факультет КБГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино–Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова

Автореферат разослан «12» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.А. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Сканирующая атомно – силовая микроскопия (АСМ), начиная от момента своего рождения в 1986 году [1, 2], наряду со сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), изобретенной несколькими годами раньше [3], прошла интенсивный путь развития и прочно вошла в арсенал современной экспериментальной физики. В настоящее время оба этих метода, а также родственные им объединяются под общим названием «сканирующая зондовая микроскопия» (СЗМ). Новые поколения СЗМ и коммерческие микроскопы ведущих компаний – производителей, как правило, совмещают методики АСМ, СТМ и множество других [4]. Ряд важнейших применений СЗМ связан с диагностикой и модификацией материалов для микро- и наноэлектроники, диагностикой и производством микроэлектромеханических систем и, более широко, -с нанотехнологиями.

В последнее десятилетие в приложениях СЗМ в различных областях науки наметился переход от качественных исследований, связанных с применением изображающих методик, к точному количественному определению свойств исследуемых наноскопических тел. Экспериментальные работы в этом направлении стимулируются теоретическими исследованиями. Быстро растущее многообразие методов СЗМ, изучаемых объектов и условий их диагностики делают актуальными совершенствование методик зондирования с целью получения более полной информации, а также разработки и проверки теоретических моделей физических явлений и взаимодействий в наноструктурах. Например, проектирование микроэлектромеханических систем предполагает наличие адекватной информации о свойствах материалов в наномасштабах (механических, электрических, магнитных и т. д.), которые могут значительно отличаться от своих макроскопических аналогов. Кроме электростатических сил, в функционировании таких систем значительную, а часто определяющую роль играют силы Ван –дер –Ваальса и Казимира, адгезионно –капиллярные и сольватационные. Эти силы весьма чувствительны к изменениям геометрии контактирующих тел, материальных характеристик, температуры, окружающей среды и т. д., а их измерение является приоритетной задачей физики поверхности и нанофизики. Высокий научный и практический интерес связан с применением АСМ для химического распознавания отдельных молекул и атомов. В свою очередь, исследование контактных взаимодействий зондов АСМ с образцами позволяет глубже понять природу механических свойств материалов и определить с наноразрешением модули упругости, твердость, пластические и другие характеристики. Наконец, важнейшую практическую задачу представляет развитие in situ методов контроля параметров зонда непосредственно методами АСМ в рабочих режимах конкретных приборов.

Цель работы

Цель настоящей работы состоит в развитии экспериментальных методов контактной силовой спектроскопии с помощью АСМ и определении механических и физических характеристик металлических и диэлектрических материалов в атмосферных условиях.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

  • разработать методики проведения контактной силовой спектроскопии образцов на микроскопе Solver Pro (компания «НТ-МДТ»), калибровки и статистической обработки экспериментальных зависимостей «подвода –отвода» («деформация –перемещение») на бесконтактном и контактном участках взаимодействия;
  • провести измерения зависимостей «деформация –перемещение» на опытных образцах металлических пленок и диэлектрических материалов в атмосферных условиях и в водной среде;
  • исследовать геометрические характеристики серийных зондов методами АСМ и просвечивающей электронной микроскопии;
  • разработать методы теоретической интерпретации силовых кривых «подвода –отвода» с целью получения количественной информации о геометрических параметрах зондов и физических характеристиках образцов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые с помощью зондового микроскопа Solver Pro экспериментально продемонстрирована возможность надежного количественного определения характеристик Ван –дер –Ваальсовых и электростатических сил в режиме контактной силовой спектроскопии в атмосферных условиях; определены константы Гамакера некоторых сочетаний металлических и диэлектрических материалов.

2. Разработаны и экспериментально апробированы метод определения геометрических характеристик зонда АСМ и электрической емкости контакта зонд –поверхность in situ на основе данных контактной силовой спектроскопии металлических пленок, а также новые методы калибровки силовых кривых «подвода –отвода» на бесконтактном и контактном участках, позволяющие трансформировать зависимости «деформация –перемещение» в зависимости «сила –расстояние».

3. Разработан метод определения модулей упругости и контактных жесткостей материалов путем сравнительного анализа контактных линий подвода исследуемых образцов и эталонных материалов.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Результаты работы расширяют возможности количественного анализа характеристик наноматериалов с помощью контактно –силовой спектроскопии АСМ с высоким уровнем локального разрешения. Полученные экспериментальные данные по контактным, Ван –дер –Ваальсовым, электростатическим и адгезионным силам могут быть использованы для уточнения теории силовых взаимодействий нанозондов с поверхностями металлических и диэлектрических материалов. Разработанные методы и методики могут войти в спецкурсы по магистерской программе «Физика наносистем».

На защиту выносятся следующие научные положения:

1.Показано, что для получения количественной информации о контактных и бесконтактных силах взаимодействия зондов АСМ с образцами необходима раздельная статистическая обработка данных силовой спектроскопии на бесконтактном участке линии подвода, на контактной линии и на участке адгезионно –капиллярного гистерезиса. Это достигается усреднением измеренных значений тока фотодетектора для идентичных положений зонда АСМ после приведения серии линий «подвода –отвода» к совпадающим контрольным позициям сканера.

2. Установлено, что геометрические характеристики проводящего зонда АСМ, его электрическая емкость в контакте с проводящим образцом и константы Гамакера Ван –дер –Ваальсова взаимодействия определяются из анализа экспериментальных зависимостей «фототок –перемещение», получаемых в сеансах контактной электросиловой спектроскопии с применением мягких кантилеверов, имеющих жесткости. Это достигается минимизацией суммы квадратов отклонений вычисленных и измеренных значений сил взаимодействия по параметрам зонда.

3. Показано, что модули упругости материалов определяются из сравнительного анализа коэффициентов наклона контактных линий подвода, получаемых в серии последовательных спектроскопических измерений эталонных и исследуемых образцов одинаковыми зондами, при этом точность измерений возрастает с применением кантилеверов с жесткостями более и с небольшими радиусами кривизны зондов порядка.

Личный вклад автора

Постановка задач осуществлена совместно с научным руководителем. Автором лично выполнены все спектроскопические измерения силовых кривых подвода –отвода и сопутствующие исследования топографических и других характеристик образцов в изображающих методиках контактной и полуконтактной АСМ. Разработаны программы статистического анализа и обработки данных силовой спектроскопии на бесконтактном и контактном участках взаимодействия зондов с образцами. Интерпретация экспериментальных зависимостей «деформация –перемещение» и расчеты контактных, Ван –дер –Ваальсовых и электростатических сил выполнены совместно с научным руководителем и соавторами.

Апробация результатов.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

  1. Семинар: "Нанотехнология и атомная силовая микроскопия как инструментарий для нанонехнологий". ЗАО «НТ-МДТ». 12-16 декабря 2005г. Зеленоград.
  2. X Ежегодный Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника", Институт физики микроструктур РАН, Нижний  Новгород,  13-17 марта 2006г.
  3. X международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" ПЭМ-2006, пос. Дивноморское, Краснодарский край 24 - 29 сентября 2006г.
  4. Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые – науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике», «МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ – 2006», МИРЭА, Москва,14 - 18 ноября 2006г.
  5. Баксанская  Молодежная Школа экспериментальной  и теоретической физики БМШ - ЭТФ 2007. КБГУ. пос. Эльбрус. 15 - 22 апреля 2007г.
  6. XV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам  исследования твердых тел (РЭМ- 2007). Институт Проблем Технологии Микроэлектроники и Особочистых  Материалов РАН. г. Черноголовка. 5-7 июня 2007г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, входящих в список ВАК

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, и двух приложений. Общий объем работы составляет 166 страниц машинописного текста, включая 75 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 142 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, формулируется цель, определяется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся основные положения, выносящиеся на защиту.

В первой главе дана общая характеристика методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования силовых взаимодействий в контактах зонд-поверхность в атмосферных условиях и рассмотрены приложения АСМ в исследованиях Ван –дер –Ваальсовых и адгезионно –капиллярных сил, а также механических свойств материалов. Основное внимание уделено контактным модам сканирования. Рассмотрены основные механизмы силовых взаимодействий в наноконтактах. Отмечается, что систематического изучения бесконтактных, контактных и адгезионно – капиллярных сил, исходя из результатов измерений силовых кривых, полученных на коммерчески доступном АСМ, для технологически важных материалов до сих пор не проводилось. Отсутствуют количественные измерения констант Гамакера в воздушных условиях для металлических пленок, недостаточно ясно, какие типы зондов, с какими характеристиками и для какого класса материалов наиболее предпочтительны при измерении упругих и других свойств, имеются проблемы калибровки и интерпретации силовых кривых: определении точек вхождения и выхода из контакта, линий нулевой силы, участков капиллярного гистерезиса и т. д. Констатируется, что общепринятой теоретической интерпретации всех участков силовых кривых до сих пор не существует.

Во второй главе рассмотрены методики и блок –схемы основных режимов АСМ, применявшихся в работе : квазистатические режимы постоянной силы и постоянной высоты, режим контактной силовой спектроскопии, динамический режим теппинг –моды и динамические многопроходные режимы электросиловой микроскопии. Обсуждаются основные физические принципы, лежащие в основе формирования и регистрации соответствующих сигналов. Рассмотрены основные типы кантилеверов и приведены выражения для их механических и геометрических параметров. Описаны применявшиеся в работе методы приготовления образцов и контроля характеристик кантилеверов средствами АСМ и просвечивающей электронной микроскопии.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»