Разработка и исследование технологического и аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения кластерных материалов

• Автор: Кизнерцев, Станислав Рафаилович
• Шифр специальности: 05.11.14, 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 161 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

к1 ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Изучение кластерных материалов с применением СТМ.

1.2. Пьезоэлектрические устройства туннельного микроскопа и технология их изготовления.

1.3. Измерительные иглы СТМ и методы их получения

1.3.1. Электрохимический процесс анодного растворения металлов

1.3.2. Обзор методов изготовления игл туннельного микроскопа.

1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ
2.1. Общая модель для анализа процесса химического травления широкой пластины.
2.2. Моделирование процесса химического травления измерительной иглы.
2.2.1. Модель травления зондирующего острия
2.2.2.0сновные положения и допущения.
2.2.3. Граничные и начальные условия задачи
травления цилиндра.
2.2.4. Дискретные аналоги уравнений в частных производных
для двухмерных задач
2.2.5. Расчет поля скоростей.
2.2.6. Вычисление поля концентраций
2.2.7. Адаптация конечноразностной сетки к условиям задачи
2.2.8. Результаты моделирования
2.3. Выводы по главе 2.
ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ
3.1. Общие положения.
3.1.1. Приготовление заготовок образцов
3.1.2. Выбор электролитов
3.2. Обоснование режима травления
3.3. Нахождение оптимального состава электролита.
3.4. Определение оптимальпых режимов травления на
переменном токе
3.5. Разработка установок для изготовления измерительных игл
3.5.1. Устройства для получения игл.
3.5.2. Формирование зондирующих острий в трехэлектродной электрохимической ячейке
3.5.3. Устройство для получения многоступенчатых заготовок измерительных игл.
3.6. Выводы по главе 3.
ГЛАВА 4. КОНСТРУКТОРСКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ СТМ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Отличительные характеристики измерительной головки
туннельного микроскопа для изучения металлических ультрадисперсных частиц
4.2. Технология изготовления систем защиты измерительной головки от внешних воздействий
4.2.1. Система защиты от внешних акустических и электромагнитных воздействий.
4.2.2. Система виброзащиты СТМ.
4.3. Технологические отличия создания пьезосканеров.
4.4. Технологические особенности изготовления иперционного
л привода.
4.5. Конструкция туннельного микроскопа и технологические особенности его сборки
4.6. Выводы по главе
ГЛАВА 5. ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОМЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТМ.
5.1. Общие положения
5.2. Аппаратура и методы технической и метрологической диагностики пьезоэлектрических устройств
5.3. Методы и средства настройки установки для травления игл
5.4. Особенности программноаппаратурного обеспечения универсальной измерительной головки.
5.5. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 5 наименований и приложения акты об использовании результатов работы. Работа содержит 1 стр. Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также новые научные результаты, предмет и методы исследований. В первой главе определены основные направления исследований, необходимых для достижения поставленной цели. Вторая глава посвящена разработке математической модели протекания процесса химического травления ИИ на основе уравнений гидродинамики и химической кинетики. Представлены результаты численного моделирования скорости травления на границе заготовки иглы посредством вычисления поля концентрации травящей жидкости, которое, в свою очередь, рассчитывается через поле гидродинамических скоростей. Представленные результаты позволили определить оптимальную форму шейки заготовки иглы в момент перехода от электрохимической к химической обработке заготовки. В третьей главе приводятся исследования, связанные с определением химических реактивов, их оптимального сочетания и режимов обработки, используемых в технологии изготовления игл СТМ комбинированным электрохимическимхимическим методом. На основе полученных результатов разработаны и описаны установки для травления игл. В четвертой главе рассмотрены вопросы изготовления универсальной измерительной головки СТМ для изучения КМ. Показано, что ее отличительной особенностью является применение многоступенчатой защиты от помех и вибраций, многосекционного пьезосканера и комбинированного пьезоэлектрического инерционного электродинамического привода сближения. Рассмотрены технологические особенности изготовления данных устройств. В пятой главе приведено описание конструкторскотехнологических средств для изготовления и диагностики следующих подсистем СТМ пьезосканера и привода образца, систем регулирования туннельного промежутка и др. В приложении приводятся Акты внедрения. Работа выполнена в Институте Прикладной Механики УрО РАН, г. Ижевск. Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю Липанову А. М. и научному консультанту Шелковникову Е. Ю. за моральную поддержку, содействие в работе и критические замечания, коллегам по работе, принявшим участие в обсуждении работы и оказавшим помощь во внедрении результатов исследований, а также сотрудникам предприятия НКТБ Пьезоприбор г. РосговнаДону за предоставленные образцы пьезокерамических изделий. ГЛАВА 1. В главе анализируются методы изучения кластерных материалов на основе металлических ультрадисиерсных частиц, рассмотрены пьезоэлектрические устройства туннельного микроскопа и технология их изготовления. Дан обзор методов изготовления измерительных игл СТМ описан электрохимический процесс растворения металлов, широко используемый для формирования острий игл. Выявлены проблемы и задачи, требующие своего решения при разработке технологического и программноаппаратурного обеспечения СТМ для изучения КМ. Кластерные материалы на основе ультрадисиерсных частиц благодаря новым механическим, магнитным, сверхпроводящим, каталитическим и другим физикохимическим свойствам находят широкое применение во всех областях науки и техники . У кластеров и УДЧ могут наблюдаться высокая степень активности, низкая температура плавления, аморфная структура, необычные электрические, магнитные, сверхпроводящие, радиопоглощающие свойства, а также сочетания традиционно несовместимых характеристик, таких как электропроводность и прозрачность, твердость и пластичность. Вопросам применения и исследования КМ на основе УДЧ посвящены работы многих авторов, в частности СЛХГубина, Ю. А.М. Липанова, И. В.Тананаева, Г. И.Лихтеиштейна, А. Н.В. Хохрякова, Г. М. Панченко и др. Переход к кластерному состоянию позволяет целенаправленно изменять физикохимические и физикомеханические свойства. В кластерном состоянии могут находиться любые металлы и сплавы, карбиды, нитриды, оксиды и другие соединения, в том числе керамические и композиционные 1.