Наноматериалы для радиоэлектронных средств. Часть 1. Подготовка сканирующего туннельного микроскопа к диагностике и модификации наноматериалов

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