Презентация на тему: Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на

Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на
1/20
Средняя оценка: 4.6/5 (всего оценок: 40)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (461 Кб)
1

Первый слайд презентации

Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на электродинамическом взаимодействии гармонически колеблющегося проводящего зонда с поверхностью образца. Рассмотрим систему, состоящую из зондового датчика, у которого зонд имеет проводящее покрытие, и образца, представляющего собой тонкий слой материала на хорошо проводящей подложке (рис.). Пусть между зондом и образцом подано постоянное напряжение U 0 и переменное напряжение U = U 1 sin ωt. Если тонкий слой на подложке представляет собой полупроводник или диэлектрик, то он может содержать поверхностный заряд, так что на поверхности образца существует распределение потенциала φ(x, y). Напряжение между зондом и поверхностью образца можно представить в виде

Изображение слайда
2

Слайд 2

Рис. Схема измерения в Кельвин-моде и бесконтактной емкостной моде.

Изображение слайда
3

Слайд 3

Колебания кантилевера в данном случае инициируются осцилляциями электрического поля в зазоре кантилевер – образец. Если электрическая емкость системы кантилевер − образец равна С, то электрическая энергия, запасенная в конденсаторе: Тогда электрическая сила взаимодействия зонда и образца F =− grad E. При этом Z-компонента силы, инициированная ∂С/∂Z, – электродинамическая сила, с которой будет притягиваться кантилевер к поверхности:

Изображение слайда
4

Слайд 4

Учитывая, что полное напряжение между образцом и кантилевером U = ( U 0 − φ(x, y) )+U 1 sinωt, где φ(x, y) – значение поверхностного потенциала в точке измерения, для электродинамической силы, действующей между образцом и кантилевером, можно записать: Таким образом, на кантилевер будет действовать электродинамическая сила: -на нулевой гармонике

Изображение слайда
5

Слайд 5

-на первой гармонике возбуждающего сигнала -на второй гармонике возбуждающего сигнала:

Изображение слайда
6

Слайд 6

Существует общая методика исследования периодических негармонических сигналов (входных воздействий и их реакций) в электрической цепи, которая основана на разложении сигналов в ряд Фурье. Данная методика состоит в том, что всегда можно подобрать ряд гармонических (т.е. синусоидальных) сигналов с такими амплитудами, частотами и начальными фазами, алгебраическая сумма ординат которых в любой момент времени равна ординате исследуемого несинусоидального сигнала. В электротехнике гармоническая составляющая, период которой равен периоду негармонического сигнала, называется первой или основной гармоникой сигнала. Все остальные составляющие называются высшими гармоническими составляющими. Гармоника, частота которой в k раз больше первой гармоники (а период, соответственно, в k раз меньше), называется k  - ой гармоникой. Выделяют также среднее значение функции за период, которое называют нулевой гармоникой. В общем случае ряд Фурье записывают в виде суммы бесконечного числа гармонических составляющих разных частот: где k - номер гармоники; ω k = k ω - угловая частота k - ой гармоники; ω 1 = ω =2π/T - угловая частота первой гармоники; U 0 - нулевая гармоника.

Изображение слайда
7

Слайд 7

Сканирующая емкостная микроскопия Сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ) предназначена для исследования распределения поверхностной емкости по образцу. Метод позволяет изучать локальные диэлектрические свойства поверхностных слоев образца (например, распределение легирующей примеси). Для получения информации о свойствах поверхности в данном режиме используют электростатическое взаимодействие между зондом и образцом.

Изображение слайда
8

Слайд 8

Рис. 2.27. Схема измерений при многопроходной методике

Изображение слайда
9

Слайд 9

На 1 проходе сканируемой строки регистрируется рельеф поверхности (рис.). На 2 проходе зондовый датчик отодвигается от поверхности на расстояние dZ. Между зондом и образцом подается напряжение смещения U 0 и переменное напряжение U 1 sin ωt. На втором проходе зонд движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца, при этом измеряется распределение емкости. Поскольку локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний зонда М на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд – образец.

Изображение слайда
10

Слайд 10

Для увеличения колебаний зонда на второй гармонике частота ω выбирается равной половине резонансной частоты зондового датчика. На втором проходе зонд движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца, при этом производится регистрация интересующего аналитического отклика. Значение силы на второй гармонике функции возбуждающего напряжения пропорционально производной ∂С/∂Z. Емкость системы кантилевер – образец С складывается из двух емкостей, включенных последовательно: емкости зазора, зависящей от расстояния кантилевер – образец С Z, и поверхностной емкости C X,Y :

Изображение слайда
11

Слайд 11

В приближении плоского конденсатора С Z ~ Z −1 амплитуда резонансных колебаний кантилевера, инициированная переменным электрическим полем с частотой, равной половине резонансной частоты кантилевера, будет пропорциональна:

Изображение слайда
12

Слайд 12

Приближение плоского конденсатора достаточно точно отражает зависимость емкости от расстояния. В приближении конденсатора в виде полусферы емкость выражается достаточно сложным образом: где r – радиус полусферы; z – кратчайшее расстояние от поверхности полусферы до плоскости.

Изображение слайда
13

Слайд 13

Расстояние dZ подбирается таким образом, чтобы между колеблющимся зондом и образцом оставалось достаточное расстояние, исключающее влияние рельефа на результат измерений. Однако расстояние dZ не должно быть очень большим, так как в этом случае уменьшается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение (по плоскости). В некоторых случаях может быть необходим третий проход для исключения влияния не только рельефа, но и поверхностного электрического поля. Многопроходные методики, помимо сканирующей емкостной микроскопии, используются при исследовании поверхностных потенциалов (Кельвин-мода), электрических сил, магнитных полей и т. д. На рис. представлены зависимости от 1/z для значений радиусов кривизны от 0,1 нм (нижняя прямая) до 50 нм (верхняя прямая) с шагом 5 нм, которые показывают высокую точность приближения плоского конденсатора.

Изображение слайда
14

Слайд 14

Рис. 2.28. Зависимость емкости полусферический зонд – плоская поверхность от расстояния для различных радиусов кривизны острия

Изображение слайда
15

Слайд 15

Кельвин-мода Регистрация силы на первой гармонике возбуждающего сигнала дает возможность получить карту распределения поверхностного потенциала φ(x, y). Для этого в процессе сканирования при подаче переменного напряжения на кантилевер на резонансной частоте балки требуется поддерживать измеряемый переменный сигнал, обусловленный возбуждением кантилевера под действием силы (*), равным нулю изменением постоянного напряжения U 0. (*) В соответствии с (*) F Z (ω) ≡ 0 в случае, если U 0 = φ(x, y) при любых значениях возбуждающего потенциала U 1 и любых значениях производной поверхностной емкости. При работе в Кельвин-моде U 1 выбирается максимальным, а частота переменного электрического поля выбирается равной резонансной частоте кантилевера.

Изображение слайда
16

Слайд 16

Измерять поверхностный потенциал методом Кельвина можно в произвольном режиме сканирования, но так как ∂С/∂Z значительно возрастает с уменьшением расстояния (приблизительно как Z –2 при Z < R), то оптимальные условия измерения достигаются в случае, если Z < R, где R – радиус кривизны зонда. Такие условия измерений можно обеспечить в двухпроходном режиме сканирования, в котором во время первого прохода зонда измеряется топография, а при втором проходе зонд скользит над поверхностью по уже измеренной траектории. Во время второго прохода на зонд подается переменное напряжение, а изменением значения постоянного напряжения U 0 с помощью цепи обратной связи поддерживается равной нулю амплитуда колебания кантилевера. Это происходит в том случае, если U 0 = ϕ( x,y ) в данной точке поверхности. На рис. в качестве примера приведены АСМ изображение рельефа поверхности и распределение поверхностного потенциала для композитной пленки, содержащей азобензол. На изображении поверхностного потенциала выделяются молекулы азобензола, имеющие сильный дипольный момент.

Изображение слайда
17

Слайд 17

Рис. 86. Рельеф поверхности (а) и распределение поверхностного потенциала (б) пленки азобензола. Полученная таким образом карта изменения напряжения интерпретируется в соответствии с (*) как распределение поверхностного потенциала или работы выхода.

Изображение слайда
18

Слайд 18

Кельвин-мода − исключительно важная мода СЗМ, позволяющая делать количественные заключения о свойствах поверхности объекта. Для СЗМ это в некотором смысле абсолютный метод, не требующий дополнительной коррекции на некие другие взаимодействия. Это метод, позволяющий нейтрализовать влияние электродинамических сил как на полуконтактную, так и на бесконтактную топографию. Возможность измерения распределения потенциала позволяет реализовать многопроходные методики измерений, в которых постоянная сила может быть компенсирована в процессе третьего прохода, что позволяет производить корректные измерения топографии химически неоднородных поверхностей как в полуконтактной, так и магнитной модах.

Изображение слайда
19

Слайд 19

Электростатическая силовая микроскопия Электростатическая силовая микроскопия – эффективный метод исследования распределения электрического поля и зарядов по поверхности образца с субмикронным разрешением. Данная методика также является многопроходной. На первом проходе получают профиль рельефа поверхности. Далее зонд отводится на расстояние dZ и с помощью пьезодрайвера приводится в колебательное состояние на резонансной частоте. Между зондом и образцом подается постоянное напряжение смещения U 0, и осуществляется повторное сканирование. Аналитическим сигналом является фаза колебаний зонда Ψ (рис.) на втором проходе. По изменению фазы колебаний зонда определяют пространственное распределение z-составляющей градиента электростатического поля по поверхности образца.

Изображение слайда
20

Последний слайд презентации: Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на

Рис. 2.29. Схема измерений на двух проходах в электростатической силовой микроскопии

Изображение слайда