Исследование механизмов температурной нестабильности и разработка специализированных интегральных схем высокоточной термостабилизации для сканирующей зондовой микроскопии

• Автор: Пьянков, Евгений Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 175 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Современные методы уменьшения воздействия искажающих факторов,

влияющих на точность позиционирования зонда в СЗМ

1.1Структура сканирующего зондового микроскопа и основные методики измерении

1.2 Искажения СЗМ изображений.

1.3 Методики снижения величины искажений, вносимых пьезоэлекгрнческнм сканером

1.4 Уменьшение влияния температурного дрейфа

1.5 Уменьшение влияния акустических и механических вибраций.

1.6 Уменьшение влияния шумов

1.7 Выводы.
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МИКРОСХЕМ
ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ВЫСОКОТОЧНОГО ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
2.1 Анализ возможных решений и разработка блоксхемы высокоточного поддержании температуры на поверхности образца
2.2 Моделирование и разработка функциональнологической схемы центральной логики
2.3 Моделирование и разработка функциональнологических схем контроллера шины иБВ и контроллера вводавывода.
2.4 Разработка программы управления вычислителем
2.5 Выводы
ГЛАВА 3. УМЕНЬШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ДРЕЙФА, СВЯЗАННОГО С ВЛИЯНИЕМ ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ ВНУТРИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
БЛОКА .
3.1 Исследование влияния градиента температуры внутри измерительного блока на величину температурного дрейфа.
3.2 Структурные схемы модифицированного термоконтроллера с повышением точностью измерения температуры.
3.3 Выводы
ГЛАВА 4. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПОЛУЧАЕМЫХ ДАННЫХ И РАЗРАБОТКА
МЕТОДИКИ КАЛИБРОВКИ ТЕРМОКОНТРОЛЛЕРА
4.1 Методика определения температуры в ВТС1ЧТЕ
4.2 Методика определения температуры в модифицированном термоконтроллере.
Разработка методики калибровки модифицированного термоконтроллера
4.4 Выводы.
ГЛАВА 5. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
5.1 Конструктивные особенности модифицированного тсрмоконтроллсра
5.2 Исследование работы модифицированного термоконтроллера в составе
прибора ИНТЕГРА Терма
Выводы
Заключение .
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


Эта сила возрастает до тех пор, пока расстояние между ними не уменьшится настолько, что электронные облака атомов начнут отталкиваться иод воздействием электростатических сил. При уменьшении расстояния до нескольких ангстрем электростатическое отталкивание уравновешивает притяжение, и результирующая сила падает до нулевого значения. В реальных условиях (в условиях окружающей атмосферы) в воздухе всегда присутствует некоторая влажность [], на поверхности образца и кантилевера всегда абсорбируется тонкая пленка воды. Когда кантилевер подходит к поверхности, возникают капиллярные силы, которые удерживают его в контакте. Режим работы сканирующего зондового микроскопа, в котором расстояние между острием кантилевера и поверхностью образца не превышает несколько ангстремов, а результирующая сила является отталкивающей, называется контактным режимом [2, -]. Сила отталкивания вызывает вертикальное отклонение балки кантилевера величиной порядка ' - ‘8 Н. Это отклонение фиксируется чагырсхсскционным фотодиодом по отраженному лазерному лучу и используется для поддержания обратной связи. Наиболее распространенные контакгные методики: метод постоянной силы, метод постоянной высоты, метод латеральных сил. Бесконтактные методы. Методики работы сканирующего зондового микроскопа, в котором кантилевер находится на расстоянии от десятков до сотен ангстрем от поверхности образца, а результирующая сила, действующая между атомами острия и поверхности образца, является силой притяжения, называется бесконтактным режимом [2, -, , , 1. В этой методике на балку кантилевера передаются вибрации от иьезодрайвера, которые возбуждают гармонические колебания кантилевера на первой резонансной частоте. Если возбуждающая частота колебаний кантилевера больше резонансной >1о), то сдвиг резонансной частоты в сторону меньших значений приводит к уменьшению амплитуды колебаний ^ кантилевера с частотой ? СС при приближении к образцу []. Система обратной связи отслеживает изменения амплитуды А. И при движении поддерживает среднее расстояние между образцом и кантилевером постоянным. При сканировании этим методом зонд не контактирует с образцом и поэтому не разрушает его и не искажает изображение. Полуконтактные ” методы. Возможность сканирования поверхности образца не только в притягивающих, но и в отталкивающих силах была продемонстрирована в []. Относительно слабый сдвиг частоты колебаний под влиянием отталкивающих сил означает, что контакт зонда с поверхностью образца в процессе колебаний не является постоянным. Только в течение короткой части периода колебаний зонд «ощущает» контактные отталкивающие силы. Особенно это касается колебаний с большой амплитудой. Сканирование поверхности образца с колеблющимся таким образом кантилевером является не бесконтактным, а скорее прерывисто-контактным. Этот метод сканирующей зондовой микроскопии довольно часто используется на практике. Один из самых распространенных полуконтактных методов - метод фазового контраста. Формирование изображения фазового контраста основано на регистрации изменения разности фаз сигнала, вызывающего колебания кантилевера, и сигнала, поступающего с фотодетектора [2, -, , , ]. Изменение в разности фаз происходит при прохождении острием химически неоднородных участков поверхности (рис. Рисунок 1. Формирование изображения методом фазового контраста: а) разность фаз сигналов при прохождении химически не однородных участков поверхности; б) разность фаз сигналов при прохождении перепадов рельефа поверхности. Изображение фазового контраста формируется в то же время, что и топографическое изображение поверхности. Это позволяет получать информацию о рельефе и фазовой неоднородности одного и того же участка поверхности образца. Прерывисто-контактный метод обладает определенными преимуществами по сравнению с контактными методами. Прежде всего, при использовании этого метода давление кантилевера на поверхность образца существенно меньше, что позволяег работать с более мягкими и легко разрушающимися материалами, такими как полимеры и биоматериалы.