Электрофизические основы контроля изображений наноструктуры поверхности в сканирующем туннельном микроскопе для изучения кластерных материалов

• Автор: Тюриков, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 05.11.14, 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 174 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ НАПРАВЛЕНИЙ

ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ КЛАСТЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ

1.1. Краткий обзор истории, основных принципов и методик

СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ.

1.2. АНАЛИЗ СТРОЕНИЯ И СОСТАВА КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.3. Обзор методов моделирования поверхностных явлений

1.4. Анализ существующих методик подготовки и

моделирования СТМисследоваяий.

1.5. Обзор методов создания зондирующих острий СТМ

1.6. Выводы И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СТМИЗОБРАЖЕИИЙ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
2.1. Электрофизическая . интерпретация параметров
НАНОСТРУКТУРЫ поверхности в СКАНИРУЮЩЕМ туннельном микроскопе.
2.2. Основы методов расчета электронной структуры
2.3. Полуэмпирические МЕТОДЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ плотности СОСТОЯНИЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ.
2.4. Использование первоприицишнтх методов, расчета электронной структуры
2.5. Первопринципные расчеты теоретических СТМизображений кластеров металлов, адсорбированных на поверхности пиролитического графита.
2.6. Анализ ошибок вычислений электронной структуры и теоретических СТМизображений .
2.6.1. Точность метода ХартриФока.
2.6.2. Ошибка, определяемая использованием неполных базисных наборов
2.6.3. Погрешность, обусловленная видом начального предположения в методе ХартриФока.
2.6.4. Суммарная оценка ошибок расчета электронной структуры методом ХартриФока
2.7. Выводы по ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСТРИЯ И СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ
АТОМАРПОГО ЗАОСТРЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ ДЛЯ
УЛУ ЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТМИЗОБРАЖЕНИЙ.
3.1. Факторы, влияющие на качество СТМизображений
3.2. Сравнительный анализ моделей игл для теоретических СТМисследований
3.3. Формирование моноатомного острия измерительной иглы
3.3.1. Модель системы для расчета электрического поля в процессе полевого испарения.
3.3.2. Адаптация конечноразностной сетки к условиям задачи
3.3.3. Дискретный аналог уравнений в частных производных для двухмерной задачи
3.3.4. Моделирование и расчет электростатического поля в межэлектродном пространстве
3.4. Обзор вопросов применения эмиссионного тока для оценки качества атомарной заточки зондирующего острия
3.5. Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТУННЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Анализ приближений для расчета туннельного тока
4.1.1. Приближение ВентцеляКрамерсаБриллюэна
4.1.2. Методика расчета туннельных спектров в приближении БардинаТерсоффаХаманна
4.2. Численные исследования туннельных спектров
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.3. Анализ ошибок расчета туннельных спектров, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ БТХ
4.3.1. Оценка адекватности модели БТХ.
4.3.2. Оценка погрешности использования численных методов интегрирования.
4.4. Выводы ПО ГЛАВЕ 4.
ГЛАВА 5. ПРОГРАММНОАППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ И ИПТЕРПРЕТ АЦИИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СТМИЗОБРАЖЕНИЙ
5.1. Особенности ашхаратурных средств СТМ для повышения ДОСТОВЕРНОСТИ измерительной информации при изучении УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
5.2. Программное обеспечение СТМ для изучения УДЧ КМ
5.3. Программные средства для работы с теоретическими СТМизображениями.
5.3.1. Подсистема построения и обработки теоретических СТМ
изображений.
5.3.2. Модуль совмещениятеоретических СТМизображеиий
5.4 Сравнение теоретических изображений с эксперимент а ль ньпуш ДАННЫМИ
5.5. Выводы по главе 5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Сканирующие зондовые микроскопы СЗМ 1 используются в настоящее время в различных областях науки и техники, включающих как фундаментальную науку о поверхности, так и традиционный анализ шероховатости поверхности. Не менее эффективно применение СЗМтехнологий для построения трехмерных изображений от атомов до микронных образований иа поверхности биологических объектов. СЗМ является многофункциональным инструментом. С его помощью можно строить реальные трехмерные изображения с широким динамическим диапазоном, охватывающим традиционные сферы деятельности оптических и электронных микроскопов. Он также является и профилометром с беспрецедентным разрешением. СЗМ может измерять такие физические свойства, как, например, проводимость поверхности, распределение статических зарядов, магнитных полей и модуля упругости, свойства смазочных пленок и др. Современные приложения СЗМ очень разнообразны . Изображения, получаемые с помощью СЗМ, относятся к разряду создаваемых микроскопическими методами образам, которые достаточно легко интерпретировать. В случае электронного или оптического микроскопа принцип получения изображения базируется на сложных электромагнитных дифракционных эффектах. В этом случае иногда могут возникать затруднения например, при определении, является ли некоторый элемент микрорельефа поверхности выступом или впадиной. На получаемых при помощи оптических или электронных микроскопов изображениях например, плоского образца состоящего из чередующихся отражающих и поглощающих участков, могут возникать искусственные изменения контрастности. Напротив, СЗМ регистрирует истинно трехмерные параметры. Атомносиловой микроскоп, в частности, практически безразличен к изменениям оптических или электронных свойств и дает информацию об истинной топографии поверхности. В настоящее время в мире в широком ассортименте выпускаются СЗМ и принадлежности к ним. Среди наиболее известных фирм можно назвать ii I, iii I, i, ix, i и др. Изготавливаются СЗМ также в России фирмы , НТЕ и Республике Беларусь ИММС НАНБ. Первой в России в области СТМ начала работу группа сотрудников М. С. Хайкина. Она разработала ряд новых конструкций СТМ в том числе, с большим полем сканирования, низкотемпературные и высоковакуумные СТМ 6,7. Впоследствии, во главе этой группы стал Эдельман, под руководством которого выполняются исследования в области низкотемпературных состояний поверхности металлов 8,9. Огромный вклад в развитие СЗМ в нашей стране внесли В. И. Панов , МГУ и ряд его последователей и учеников, в том числе И. В. Яминский, Н. С. Маслова, С. В. Савинов и др. В.И. Пановым и Н. С. Масловой был выполнен цикл теоретических работ по исследованию электронных состояний металлических и полупроводниковых УДЧ . В.К. Неволин и группа исследователей под его руководством достигли выдающихся результатов в разработке элементов наноэлектроники с применением СЗМ. Теоретические и экспериментальные работы В. К. Неволина внесли большой вклад в развитие наноэлектроники и нанотехнологии в России. Основополагающими для развития сканирующей туннельной микроскопии в нашей стране стали разработки лаборатории А. О. Голубка. Под его руководством был разработан целый ряд оригинальных конструкций СТМ в том числе воздушных и сверхвысоковакуумных . В развитие СЗМ неоценимый вклад внесен руководителем крупнейшей в России компании по производству СЗМ В. А. Быковым. На основе сканирующих микроскопов, созданных В. И. Пановым, А. СЗМ линии I. Новый метод СЗМ флуктуационная ближнепольная микроскопия был исследован И. А. Дорофеевым ,. Этот метод основывается на теории электромагнитного шума и прямого детектирования электромагнитных ближних полей вблизи исследуемой поверхности. Данный метод также является неразрушающим поверхность методом. Значительный вклад в исследования в области СЗМ внесен сотрудниками Института физики микроструктур РАН под руководством С. Большое число работ С. В. Гапонова, . I. Миронова, Д. Волгунова и др. Все СЗМ содержат компоненты, схематично представленные на рис. В конструкции каждого сканирующего зоядового микроскопа есть свои отличия. Рис 1. В
Зондирующее острие Образец
Рис.