Программно-аппаратные средства и алгоритмическая коррекция погрешностей измерений геометрических параметров наночастиц сканирующим туннельным микроскопом

• Автор: Шелковников, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 389 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ

КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1 Л. Кластерные материалы на основе ультрадисперсных частиц

1.2. Обзор методов и измерительных средств для изучения УДЧ КМ

1.2 Л. Экспериментальные методы исследования поверхности твёрдых тел

1.2.2. Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия

1.2.3. Обзор исследований, проведённых с использованием СТМ

1.2.4. Методы моделирования электронной структуры УДЧ КМ
1.3. Анализ особенностей работы и требования, предъявляемые
к СТМ для изучения УДЧ КМ
1.4. Выводы, постановка цели и задач исследований
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ
ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТОВ В ТУННЕЛЬНОМ МИКРОСКОПЕ
2.1. Анализ расчётных моделей для плотности
тока туннельных переходов металл-изолятор-металл
2.1.1 Обзор известных моделей ВАХ туннельных переходов
2.1.2 Модель ВАХ на основе приближения Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна
2.1.3 Обобщённая формула Симмонса квантово-механического туннелирования со средним потенциальным барьером
2.1.4 Численные исследования параметров туннельного
перехода для разных моделей ВАХ
2.1.5 Исследования параметров туннельного перехода в режиме постоянной плотности туннельного тока
2.1.6 Сравнительный анализ погрешностей аппроксимации
известных моделей ВАХ
2.2. Численные исследования параметров сканирующего
туннельного микроскопа
2.2.1. Обоснование расчётных моделей острия с использованием его эмиссионных картин
2.2.2. Формирование туннельного тока между конусообразным остриём и подложкой
2.2.3. Определение туннельного тока между подложкой и конусообразным остриём со сферическим закруглением
2.2.4. Численное моделирование структуры токов в системе
остриё-подложка с применением метода Монте-Карло
2.2.5. Методика построения СТМ-изображения нанообъектов для изучения пространственного разрешения микроскопа
2.3. Электрофизическая интерпретация параметров наноструктуры поверхности в сканирующем туннельном микроскопе
2.4. Основы методов расчета электронной структуры поверхности
2.5. Методика построения теоретических СТМ-изображений ультрадисперсных частиц кластерных материалов
2.5.1 Расчет данных теоретического СТМ-изображения
2.5.2. Обработка полученной информации для нахождения топографических данных
2.5.3. Первопринципные расчеты теоретических СТМ-изображений кластеров металлов, адсорбированных на поверхности пиролитического графита
2.6. Выводы по главе
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
НАНООБЪЕКТОВ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАНОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ПО ЕЕ СТМ-ИЗОБРАЖЕНИЮ
3.1. Нахождение результирующей погрешности СТМ-измерений по образующим её частным погрешностям и меры по их уменьшению
3.2. Количественное определение пространственного разрешения туннельного микроскопа
3.3. Двумерное распределение плотности тока в зондирующем пятне
и эквивалентная площадь туннельного контакта
3.4. Восстановление нанорельефа поверхностей по их СТМ-изображениям
3.4.1. Формирование искажений СТМ-изображений поверхности
в туннельном микроскопе
3.4.2. Восстановление поверхностей по их топографическим СТМ-изображениям
3.4.3. Комплексная методика восстановления СТМ-изображений
с учетом растекания туннельного тока и конкретных
3.4.3. Метод исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом с использованием ее реплики
3.5. Выводы по главе
ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОГО
ТРАВЛЕНИЯ АТОМАРНО ОСТРЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
4.1. Общая модель для анализа процесса химического травления широкой пластины
4.2. Моделирование процесса химического травления
измерительной иглы
4.2.1. Модель травления зондирующего острия
4.2.2. Основные положения и допущения
4.2.3. Граничные и начальные условия задачи
травления цилиндра
4.2.4. Дискретные аналоги уравнений в частных производных
для двухмерных задач
4.2.5. Расчет поля скоростей
4.2.6. Вычисление поля концентраций
4.2.7. Адаптация конечно-разностной сетки к условиям задачи
4.2.8. Результаты моделирования
4.3. Актуальность изучения характера микротопологии
зондирующего острия СТМ
4.4. Моделирование разрыва «шейки» заготовки зондирующей иглы СТМ
4.4.1. Параметры моделирования
4.4.2. Исследование влияния веса нижней части заготовки на
процесс разрыва ее «шейки»

стабильных углеродных наноструктур, фуллеренов (1985) и нанотрубок (1991), расширившее возможности применения уникальных свойств наноматериалов.
В 1985 г. Харольдом Крото и Ричардом Смоли были открыты фуллерены - (ГО форма, состоящая из 60 атомов углерода. Это открытие было удостоено в 1996 г. Нобелевской премии по химии. В 1991 г. Иижима [33] обнаружил новую ГО форму углерода - продолговатые трубчатые углеродные образования, названные «нанотрубками».
Среди наноматериалов, интенсивное изучение которых ведется в течение последних 10 лет, можно выделить три класса - ультрадисперсные порошки и компактные нанокристаллические материалы; нанокластеры и структуры на их основе; фуллерены, нанотрубки и их производные. Для изучения состава и структуры нанообъектов применяют следующие методы - различные виды спектроскопии, электронную микроскопию высокого разрешения, рентгеноструктурный анализ, туннельно-зондовую микроскопию, в том числе сканирующую, атомно-силовую и др. Для изучения физико-химических свойств наноматериалов используют калориметрию, микроиндентирование, объемное деформирование сжатием и изгибом, измерение скорости прохождения звука, газовую хроматографию и др. Анализируя развитие методов физических и физико-химических исследований, связанных с изучением микроскопических объектов, можно проследить за изменением их характера, ярко проявившимся в последнее десятилетие. Если раньше в качестве основного рассматриваемого объекта выступали атомные частицы природного происхождения, то теперь на первый план выходят искусственно созданные образования субмикронных и нанометровых размеров — ультрадисперсные порошки, фуллерены, нанотрубки. Такие наноструктуры демонстрируют принципиально новые свойства (механические, физические, химические, биологические), которые дают возможность их широкого использования в современных отраслях высоких технологий — электронике, оптоэлектронике, наномеханике и т.д.
При механическом измельчении (диспергировании) исходного материала (этот метод широко применяется в порошковой металлургии) затруднено