Наноматериалы для радиоэлектронных средств. Часть 1. Подготовка сканирующего туннельного микроскопа к диагностике и модификации наноматериалов
Наноматериалы для радиоэлектронных средств: руководство по работе со сканирующим туннельным микроскопом
Эта методичка, разработанная для студентов приборостроительных специальностей, представляет собой руководство по лабораторным работам, посвященным исследованию и модификации наноматериалов с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Книга состоит из четырех лабораторных работ, каждая из которых направлена на освоение конкретных аспектов работы с СТМ и закрепление теоретических знаний о наноматериалах.
Измерение частотной характеристики предусилителя СТМ
Первая работа посвящена изучению методики измерения малых токов звуковых частот, характерных для работы СТМ. Студенты знакомятся с принципом работы СТМ, основанном на измерении туннельного тока между иглой и подложкой. Рассматривается влияние паразитных емкостей в предусилителе на его амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). В лабораторной работе студенты проводят калибровку генератора и источника тока, измеряют АЧХ предусилителя, анализируют источники шумов и погрешностей.
Измерение частотной характеристики высоковольтного усилителя СТМ
Вторая работа посвящена изучению высоковольтного усилителя (ВВУ), необходимого для управления пьезокерамическими нанодвигателями СТМ. Студенты изучают принцип работы ВВУ, его роль в перемещении зонда по осям X, Y, Z, а также влияние АЧХ ВВУ на точность позиционирования. В лабораторной работе проводится калибровка генератора, измерение АЧХ ВВУ при различных амплитудах входного сигнала, анализ источников шумов и погрешностей.
Измерение временных характеристик инерциального нанодвигателя СТМ
Третья работа посвящена изучению инерциального нанодвигателя, обеспечивающего перемещение зонда на макроскопические расстояния. Студенты знакомятся с принципом работы инерциального двигателя, его управлением и регулировкой. В лабораторной работе студенты собирают схему измерения, проводят подготовку нанодвигателя, измеряют временные характеристики параболического напряжения, анализируют воспроизводимость наименьшей длины шага.
Измерение нанорельефа поверхностей наноматериалов с помощью СТМ
Четвертая работа посвящена измерению нанорельефа поверхности наноматериалов. Студенты изучают методику измерения рельефа, роль системы обратной связи (ОС) в поддержании постоянного тока между иглой и подложкой. Рассматриваются аналоговая и цифровая ОС, их преимущества и недостатки. В лабораторной работе студенты подготавливают иглу и подложку, сближают иглу с подложкой, измеряют нанорельеф, оценивают скорость дрейфа и погрешности измерения.
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана К.В. Малышев, Е.А. Скороходов, В.М. Башков НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ Часть 1 ПОДГОТОВКА СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА К ДИАГНОСТИКЕ И МОДИФИКАЦИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ Методические указания к лабораторным работам по курсу «Наноматериалы для радиоэлектронных средств» М о с к в а Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2 0 0 7
УДК 621.28
ББК 32.85
М 217
Рецензент В.В. Маркелов
М 217
Малышев К.В., Скороходов Е.А., Башков В.М.
Наноматериалы для радиоэлектронных средств. — Ч. 1:
Подготовка сканирующего туннельного микроскопа к диагностике и модификации наноматериалов: Методические указания
к лабораторным работам по курсу «Наноматериалы для радиоэлектронных средств». — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,
2007. — 44 с.: ил.
В данные методические указания включены лабораторные работы,
посвященные экспериментальным исследованиям с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) характеристик наноматериалов, перспективных для радиоэлектронных средств. В первой части изучается подготовка СТМ к модификации (диагностике) наноматериалов с
помощью СТМ.
Для студентов 6-го курса приборостроительных специальностей.
Ил. 37. Табл. 2.
УДК 621.28
ББК 32.85
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007
2
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее издание методических указаний соответствует учебной программе курса «Наноматериалы для радиоэлектронных средств». При выполнении цикла лабораторных работ студенты должны закрепить теоретические сведения о способах исследования и модификации электрических и механических свойств наноматериалов с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Все работы выполняются на зондовом наносборщике на основе лабораторного СТМ. Экспериментальные исследования основных характеристик наноматериалов позволят студентам глубже уяснить специфику применения и создания наноматериалов для радиоэлектронных средств (РЭС). По каждой лабораторной работе студент должен подготовить отчет, в котором следует привести результаты измерений, осциллограммы, применяемые структурные и принципиальные схемы, оценки точности измеряемых величин. После предварительной подготовки и при наличии конспекта проработанного подготовительного материала студент получает допуск преподавателя к выполнению лабораторной работы. Контрольные вопросы в конце каждой работы помогут студенту подготовиться к защите, которая осуществляется непосредственно на лабораторном оборудовании. 3
Работа № 1. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДУСИЛИТЕЛЯ СТМ Цель работы — изучение методики экспериментального измерения малых токов звуковых частот в наноматериалах с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и закрепление теоретических знаний о переносе заряда в наноматериалах. 1.1. Теоретическая часть Для исследования процессов переноса заряда в наноматериалах можно применять СТМ. Действие СТМ основано на измерении малых (около 1 нА) токов I, протекающих через нанометровый зазор Z (порядка 1 нм) между зондом (иглой) и подложкой (рис. 1.1), при напряжении «игла — подложка» U порядка 1 В. Исследуемый или модифицируемый наноматериал наносят на проводящую подложку в виде нанослоя или наночастиц. Ток I(Z) между иглой и подложкой экспоненциально сильно зависит от размера зазора Z: 0 ( ) z I Z I e−α = . (*) Значение коэффициента α в этой формуле таково, что при увеличении Z на 0,1 нм ток I(Z) падает в 10 раз. По этой причине, перемещая зонд вдоль подложки при одновременном измерении тока между ними, можно различать неоднородности токопереноса размером d < 0,1 нм вдоль поверхности подложки. Для измерения тока I(Z) порядка 1 нА применяют предварительный усилитель (пред- усилитель), преобразующий ток в напряжение (обозначен I → U на рис. 1.1). Ток I выходит из источника напряжения U, проходит через иглу, наноматериал, подложку, предусилитель и по общему 4
Двигатель ПЭВМ Зонд (игла) U Интерфейс Z I(Z) Осциллограф Ток Подложка I → U U = k I Рис. 1.1 проводу зазамления возвращается к источнику напряжения U. На выходе предусилителя создается напряжение U = k I, пропорциональное втекающему току I. Далее это напряжение поступает через интерфейс в компьютер (ПЭВМ) для обработки. Для идеального предусилителя пропорциональность между выходным напряжением U и входным током I должна сохраняться при любой форме измеряемого тока I(t) (рис. 1.2). Для удобства дальнейшей обработки измеренного тока порядка 1 нА выходное напряжение U предусилителя составляет примерно 1 В. Поэтому коэффициент k преобразования тока I в напряжение k = U / I равен примерно 109 В/А, т. е. имеет физический смысл эффективного сопротивления 1 ГОм. I U U= kI ≈ 1 В t t Предусилитель I(t) U(t) k ≈ 109 В/А = 1 ГОм Рис. 1.2 5
Похожие