Главная » 2014 » Июль » 22 » Скачать Новые аспекты в моделировании физических процессов в атомно-силовом микроскопе. Рехвиашвили, Серго Шотович бесплатно
9:42 PM
Скачать Новые аспекты в моделировании физических процессов в атомно-силовом микроскопе. Рехвиашвили, Серго Шотович бесплатно
Новые аспекты в моделировании физических процессов в атомно-силовом микроскопе
Диссертация
Автор: Рехвиашвили, Серго Шотович
Название: Новые аспекты в моделировании физических процессов в атомно-силовом микроскопе
Справка: Рехвиашвили, Серго Шотович. Новые аспекты в моделировании физических процессов в атомно-силовом микроскопе : диссертация доктора физико-математических наук : 01.04.01 / Рехвиашвили Серго Шотович; [Место защиты: Тольяттин. гос. ун-т] - Нальчик, 2009 - Количество страниц: 256 с. ил. Нальчик, 2009 256 c. :
Объем: 256 стр.
Информация: Нальчик, 2009
Содержание:
Введение
Глава 1 Кантилеверы и зонды для атомно-силового микроскопа
11 Перспективные разработки
12 Параметры консоли кантилевера
13 Физико-топологические параметры активных зондовых сенсоров
14 Ионное распыление зондов
15 Задача определения формы зонда
13 Выводы
Глава 2 Нормальные силовые взаимодействия в атомно-силовом микроскопе
21 Парные потенциалы взаимодействия
22 Взаимодействие зонд-образец с учетом геометрии зонда
221 Континуальное приближение
222 Приближение дискретных атомных плоскостей
223 Учет дальнодействующих сил
23 Взаимодействие нанотрубки-зонда и образца
24 Гидрофобное взаимодействие зонда с толстой жидкой пленкой
241 Сила взаимодействия
242 Флуктуации параметров
25 Гидрофильное взаимодействие зонда с тонкой жидкой пленкой с учетом размерного эффекта поверхностного натяжения
26 Субмонослойная адсорбция в системе зонд-образец 91 25 Выводы
Глава 3 Латеральные силовые взаимодействия в атомно-силовом микроскопе
31 Адгезионная модель трения в наноконтактах
32 Дислокационная модель трения в наноконтактах
33 Статистическая модель трения в наноконтактах
34 Оценка диссипативных сил в бесконтактном режиме
35 Выводы
Глава 4 Анализ режимов функционирования сканирующего зондового микроскопа
41 Туннельные режимы
42 Режимы регистрации нормальных сил
43 Модуляционные режимы
44 Режим регистрации латеральных сил
45 Акустические измерения в атомно-силовом микроскопе
46 Выводы
Глава 5 Моделирование и обработка сигналов в атомно-силовом микроскопе
51 Моделирование сигналов в атомно-силовом микроскопе
52 Применение двумерной статистической модели для моделирования силовой кривой
53 Искажения сигналов в сканирующем зондовом микроскопе
54 Применение вейвлет-преобразования для обработки сигналов в сканирующем зондовом микроскопе
55 Выводы
Глава 6 Применение атомно-силового микроскопа для исследования физических свойств поверхностей твердых тел
61 Спектроскопия в режиме регистрации нормальных сил
62 Спектроскопия в режиме регистрации латеральных сил
63 Контактная емкостная спектроскопия
64 Обратная задача в континуальном приближении
65 Интерпретация некоторых экспериментов по нанолитографии
66 Выводы
Введение:
Актуальность темы. Зондовая микроскопия постоянно развивается и в настоящее время находится на новом этапе своей эволюции. Прежде всего, это вызвано широкомасштабным внедрением нанотехнологии в таких областях, как электроника, микромеханика, биология и медицина [1]. Мультимодовые сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), изготовляемые многими коммерческими фирмами, насчитывают десятки модификаций - от простейших учебных приборов до сложных высоковакуумных нанотехнологических комплексов, содержащих молекулярно-лучевую эпитаксию, технику ионных и электронных пучков, прецизионную оптику и др. Развитие и новаторское применение СЗМ в России тесно связано с именами таких известных специалистов, как Р.З.Бахтизин, А.А.Бухараев, В.А.Быков, Ф.И.Далидчик, Д.А.Лапшин, Н.С.Маслова, В.Л.Миронов, В.К.Неволин, В.И.Панов, А.Н.Титков, В.С.Эдельман, И.В.Яминский и др.
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) входит в состав современных СЗМ. Принцип работы АСМ основан на зондировании поверхности исследуемого образца (в контактном или бесконтактном режиме) специальным чувствительным элементом - кантилевером (от англ. cantilever - консоль), состоящим из держателя и упругой консоли с маленькой иглой на конце. Силы, возникающие между иглой и поверхностью образца, вызывают деформацию консоли, которая в процессе сканирования детектируется различными электрическими или оптическими методами. Атомно-силовая микроскопия уже стала одним из приоритетных методов исследования поверхности твердых тел на атомарном уровне разрешения. Актуальность задач, связанных с атомно-силовой микроскопией, кроме того, обусловлена развитием комплексных методов диагностики поверхности твердого тела, использующих ЭМР, ЭПР, ионные и электронные пучки, ближнепольную оптику и др. (библиография [2] и обзорные монографии и статьи [3-7]).
Другой важной областью является применение АСМ для исследований, направленных на разработку научных основ зондовой технологии записи, считывания и хранения информации [8]. Так, в настоящее время в этом направлении активно работают фирмы IBM, Hewlett-Packard и Samsung Electronics, которые реально планируют создание запоминающих устройств с плотностью хранения данных примерно в 100 раз выше, чем у современных жестких дисков персональных ЭВМ. Уже имеется опытной образец схемы суперкомпактной памяти под названием MILLIPEDE [9], который использует набор из 1024 микромеханических датчиков для записи, считывания и хранения информации. Одному информационному биту соответствует маленькое углубление размером 30-40 нанометров на поверхности специальной полимерной матрицы. Как отмечает один из авторов данного проекта П.Веттигер, в скором времени станет возможным создание устройств памяти сверхвысокой емкости размером "с булавочную головку", и такие устройства будут незаменимы в мобильных вычислительных устройствах, в сотовых телефонах или часах. По его словам, если добиться достаточно эффективного функционирования технологии, то "плотность записи можно будет довести до 400 Гбайт на квадратный дюйм". Сам же принцип сохранения информации, основанный на использовании нанозондов, допускает и дальнейшую миниатюризацию вплоть до молекулярных размеров [4]. Отметим, что лидером Российского зондового приборостроения является фирма NT-MDT (Москва, Зеленоград), которая также активно занимается разработками новых конструкционных и технологических решений (www.ntmdt.ru, www.nanoworld.org).
В качестве наглядной иллюстрации ниже на рисунках показаны конструкции микроскопа со сверхвысоким разрешением и запоминающего устройства с зондовым принципом действия. о-Ь
Устройство сверхвысоковакуумного АСМ. (Лаборатория под руководством проф. Р. Ирландссона, г. Линчепинг, Швеция)
Полимерный слой
Мультиплексор
Матрице иголок.
Устройство для записи, считывания и хранения информации MILLIPEDE, (г. Цюрих, Швейцарское отделение фирмы IBM, 1999 г.)
Полностью удовлетворительные теория и математические модели атом-но-силового микроскопа до сих пор отсутствуют. В частности, не всегда представляется возможным точно описать аналитически выходной сигнал АСМ. Сложность этой задачи обусловлена невозможностью учесть все силы, действующие между отдельными атомами, плохо контролируемой формой зонда и неизвестным атомным рельефом поверхности. Эксперименты с АСМ, а также численное моделирование изображений свидетельствуют о том, что структура и форма зонда могут оказывать существенное влияние на контраст изображения, продольное разрешение, а также на силу при зондировании образца в вертикальном направлении. Очевидно, что все эти факторы затрудняют применение АСМ как точного инструмента для диагностики материалов. Для решения этих и других подобных задач требуются математические модели, которые бы учитывали основные особенности силовых взаимодействий в системе зонд-образец и последующее преобразование этих сил в электрический сигнал в различных режимах работы. На основе таких моделей можно осуществлять выбор оптимального режима функционирования, что позволит значительно улучшить эксплуатационные характеристики АСМ.
Известно, что силовые взаимодействия в системе зонд-образец приводят к возникновению всевозможных необратимых процессов и являются главной причиной износа зондов. Выявление физических механизмов таких процессов и расчет диссипативных сил взаимодействия также представляют значительный интерес.
Наконец, очень важной практической задачей является разработка и моделирование новых методов и технологий изготовления и тестирование кан-тилеверов для АСМ. В настоящее время наиболее перспективным является метод, основанный на технологиях микроэлектроники. Методы ионного распыления, анизотропного травления и фотолитография позволяют изготавливать универсальные диэлектрические и проводящие зондовые микросенсоры, способные измерять малые нормальные и латеральные силы.
С единой позиции все перечисленные выше проблемы в научной литературе до настоящего времени обсуждались очень мало, несмотря на важность их прикладного значения. Их решение позволит глубже понять особенности физических процессов, происходящих в АСМ, выявить новые закономерности и установить условия для их практического применения. По этой причине исследования в данной области являются актуальными, а их результаты имеют большое фундаментальное и прикладное значение.
Цель работы. Теоретическое исследование механизмов физических процессов, протекающих в атомно-силовом микроскопе при взаимодействии зонда с поверхностью исследуемого твердого тела, с целью разработки фундаментальных основ моделирования этих процессов, в том числе интерпретации наблюдаемых электрических и оптических сигналов.
Основные задачи. Достижение указанной цели достигается решением следующих задач.
1. Расчет конструктивных и физико-топологических параметров канти-леверов и активных тензорезистивных датчиков для АСМ, включая моделирование процесса ионного распыления зондов.
2. Моделирование силовых взаимодействий (нормальных и латеральных) между зондом АСМ и образцом с учетом влияния геометрии зонда и образца и внешней атмосферы. Разработка теории зондирования поверхности зондом в виде однослойной и многослойной открытой нанотрубки.
3. Разработка, анализ и применение новых физических моделей различных режимов работы АСМ, а также эффективных алгоритмов обработки сигналов в приборе.
4. Повышение информативности АСМ-методов для диагностики поверхности твердого тела.
Научная новизна. Получены следующие новые результаты.
1. С помощью численного эксперимента определены оптимальные режимы ионного распыления в целях получения ультраострых выступов на кончике зонда с радиусом кривизны вершинной части менее 10 нм. Предложены методы контроля формы зонда, основанные на применении обратного рассеяния ионов и зондовой нанолитографии на поверхности полимерного образца.
2. Развиты континуальная модель и модель дискретных атомных плоскостей для расчета нормальных сил взаимодействия для зондов различной формы (параболоид вращения, полусфера, конус, цилиндр, четырехугольная пирамида) с поверхностью твердого тела в вакууме. Разработана теоретическая модель зондирования поверхности твердого тела полыми углеродными нанотрубками. Проведен расчет капиллярной силы, возникающей между зондом и адсорбированной на поверхности образца жидкой пленкой, с учетом размерной зависимости поверхностного натяжения, а также найдены флуктуации основных термодинамических параметров. Гистерезис, наблюдаемый при зондировании образца в вертикальном направлении, описывается термодинамическим циклом "поверхностная энергия - работа перемещения".
3. Разработана статистическая модель трения нанозонда о поверхность твердого тела. Для характеристики контактной зоны, состоящей из взаимодействующих атомов зонда и образца, используется понятие фрактала. Показано, что для анализа физических процессов в наноконтактах может быть применен аппарат дробного интегро-дифференцирования - математический аппарат, широко используемый в теории фракталов.
4. На основе полученных выражений для сил взаимодействия построены математические модели различных режимов (модуляционного и фрикционного) функционирования АСМ в приближении эффективной массы осциллятора. Аналитически показано, что в модуляционном режиме работы АСМ происходит увеличение силы взаимодействия. Предложено новое уравнение движения зонда вдоль поверхности с учетом эффекта "прилипания-скольжения" и получено его решение. Предложена математическая модель АСМ, учитывающая основные особенности формирования сигнала в системе зонд-образец и блоке электроники. Вычисление парных потенциалов для атомов в системе зонд-образец проведено в приближении электронного газа.
5. Предложена качественно новая модель термоэлектронной эмиссии в АСМ с проводящим кантилевером при нагреве зонда, учитывающая произвольную размерность для электронного газа.
6. Впервые предложено применить алгоритмы вейвлет-преобразования для обработки сигналов в СЗМ. С помощью численного моделирования показана высокая эффективность данного метода для выделения мелкомасштабных деталей на СЗМ-изображении.
7. Показано, что применение разработанных новых физических моделей к экспериментальным результатам дает возможность определять такие важные физические параметры, как поверхностная энергия и энергия Гиббса образца. Дана новая интерпретация акустическим измерениям в АСМ: контактный режим; режим боковых сил; полуконтактный режим. В рамках континуальной модели аналитически решена задача о восстановлении парного потенциала взаимодействия атомов по измеренной в системе зонд-образец силе.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты работы служат развитию теории зондовых микроскопов и методов моделирования в области нанотехнологии.
1. Полученные в работе результаты могут использоваться для расчета силовых взаимодействий в различных режимах функционирования АСМ, калибровки при определении формы зонда и интерпретации различных экспериментов с АСМ.
2. На основе предложенных моделей в сочетании с реальными экспериментами можно определять такие важные физические характеристики, как константа ван-дер-ваальсовского взаимодействия, модуль упругости, теплота сублимации, поверхностное натяжение, коэффициент трения и др.
Личный вклад автора. Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающей полученные им результаты, а также в соавторстве с коллегами. В работах, выполненных в соавторстве, научные вклады авторов приблизительно равноценны. В опубликованных в соавторстве работах автору лично принадлежат выбор направлений и методов решения задач, трактовка и обобщение полученных результатов. Все сделанные в диссертации выводы принадлежат автору.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийских научно-технических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, МЭИ, 1997-2002 г.), на Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электроника и информатика-97" (Москва, МИЭТ, 1997 г.), на Всероссийских научных конференциях "Зондовая микроскопия" и "Нанофизика и наноэлектроника" (Н.Новогород, ИФМ РАН, 1999-2008 г.), на Четвертом Всероссийском симпозиуме "Математическое моделирование и компьютерные технологии" (Кисловодск, 2000 г.), на Международной научно-практической конференции "Elbrus-97" (Нальчик, п. Эльбрус, 1997), на Всероссийской научной конференции "Материаловедение-96" (Нальчик, КБГУ, 1996 г.), на Пятнадцатой Международной конференции "Воздействие потоков энергии на вещество" (Нальчик, п. Терскол, 2000 г.), на Межведомственном семинаре по проблемам современного анализа, информатики и физики "Наль-чик-2000" (Нальчик, НИИ ПМА КБНЦ РАН, 2001 г.), на Второй и Третьей международных конференциях "Нелокальные краевые задачи и родственные проблемы математической биологии, информатики и физики" (Нальчик, НИИ ПМА КБНЦ РАН, 2001 и 2006 г.), на заседаниях научного семинара, проводимого в НИИ ПМА КБНЦ РАН (Нальчик, 1999-2007 г.), на Пятнадцатой Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2008 г.), на Двадцатом международном симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2008 г.).
Положения, выносимые на защиту.
1. Моделирование процесса ионного распыления зонда, позволяющего получать атомарно острые выступы.
2. Моделирование силовых взаимодействий в системе зонд-образец АСМ: континуальная приближение; приближение дискретных атомных плоскостей; учет дальнодействующих сил; зонд в виде открытой нанотрубки; модель взаимодействия зонда с адсорбированной на поверхности образца тонкой жидкой пленкой; размерный эффект поверхностного натяжения; адсорбционная зависимость силы отрыва зонда от образца. Применение результатов моделирования позволяет более корректно интерпретировать АСМ-эксперименты по измерению силовых кривых в вакууме и во внешней атмосфере, получать новую физическую информацию об исследуемом образце.
3. Статистическая модель трения в наноконтактах, основанная на понятии фрактала, и применение дробного интегро-дифференцирования для расчета взаимодействия между зондом и образцом. Показатель степени зависимости трение-нагрузка изменяется от 1/3 до 1 при изменении фрактальной размерности наноконтакта зонда с образцом от 1 до 3, что объясняет практически все имеющиеся в литературе экспериментальные результаты по исследованию трения с помощью АСМ.
4. Новые аналитические математические модели режимов регистрации нормальных и тангенциальных сил с учетом влияния блока электроники АСМ. В модуляционном бесконтактном режиме АСМ происходит увеличение средней действующей на зонд силы и сигнала обратной связи. В полуконтактном режиме АСМ (тэйппинг-мода) имеет место акустическая эмиссия, которая определяется упругими свойствами системы зонд-образец. При движении зонда в режиме прилипания-скольжения суммарная энергия, затрачиваемая на прорисовку изображения, равна сумме энергий отдельных скачков консоли кан-тилевера.
5. Обработка СЗМ-изображений с помощью вейвлет-преобразования обеспечивает глубокое подавление шума при сохранении исходной структуры изображения и эффективное выделение мелкомасштабных или крупномасштабных деталей на изображениях для дальнейшего их анализа. СЗМ-изображения могут обладать периодической структурой в различных пространственных масштабах, что связано с влиянием конечного размера контактной зоны.
6. Применение разработанных математических моделей в сочетании с экспериментами для диагностики поверхности твердого тела: оценка по результатам измерения сил константы Гамакера, предельной прочности образца, коэффициента трения, поверхностной энергии. Математическая модель контактной емкостной моды (режима регистрации диэлектрических свойств поверхности). Решение обратной задачи о восстановлении парного межатомного потенциала по измеренной между зондом и образцом силе. Новая интерпретация экспериментов по нанолитографии для оценки локального модуля упругости поверхности образца. Метод определения размера кончика зонда в режиме нанолитографии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ, в том числе 25 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций.