Сетевая образовательная программа повышения квалификации «Исследование поверхностей с микро и наноразмерным разрешением методами сканирующей зондовой микроскопии»
1. Область применения.
Исследования в области физики твердых поверхностей и тонкопленочных технологий, исследований биологических и органических материалов с наноразмерным разрешением, фармацевтике, электрохимии, исследовании коррозии, электронике, фотохимии и др.
2. Целевая аудитория программы.
Требования к начальному уровню подготовки
Программа повышения квалификации ориентирована на научно-педагогических работников учреждений высшего, среднего и начального профессионального образования, направленного на подготовку специалистов в инновационных областях экономики и производства, в том числе наноиндустрии, специалистов в области метрологии и стандартизации, испытательных центров и лабораторий по направлению материаловедения и наноиндустрии. Также курс может быть модифицирован для подготовки специалистов в области исследований биологических и органических материалов с наноразмерным разрешением.
В случае применения сетевой образовательной программы «Исследование поверхностей с микро и наноразмерным разрешением методами сканирующей зондовой микроскопии» в качестве отдельной дисциплины, либо междисциплинарного курса, входящего в вариативную часть профессионального модуля в рамках освоения ОПОП, целевой аудиторией являются студенты, осваивающие компетенции в области наноизмерений, метрологии, стандартизации, сертификации.
Начальный уровень подготовки, как слушателей, так и студентов, предполагает знания в области общего курса физики из цикла общематематических и естественнонаучных дисциплин, а также достаточный уровень владения основными средствами вычислительной техники и автоматизированных систем.
Нормативный срок обучения – 72 часа
Цель курса
Ознакомление слушателей с основными методиками использования СЗМ, позволяющими исследовать структуры поверхностей с нанометровым разрешением различных тел, а также приобретение практических навыков работы в режиме туннельной и атомно-силовой сканирующей микроскопии в лабораторных условиях.
Задачи курса:
- Изучить особенности нанометрологии - метрологии в нанометровом диапазоне;
- Рассмотреть современные методы и средства измерения размеров, структуры, состава и свойств наноструктурированных материалов и изделий наноиндустрии;
- Изучить основные принципы работы и конструкции различных типов сканирующих зондовых микроскопов;
- Изучить теоретические основы работы сканирующей туннельной микроскопии и отработать навыки работы на микроскопе в режиме СТМ;
- Изучить теоретические основы работы атомно-силовой микроскопии и отработать навыки работы на микроскопе в режиме АСМ;
Требования к уровню освоения содержания курса:
В результате повышения квалификации в рамках курса «Исследование поверхностей с микро и наноразмерным разрешением методами методами туннельной и атомно-силовой сканирующей зондовой микроскопии» слушатели должны приобрести следующие компетенции:
1. Иметь представление о тенденциях и современных методах исследований в области наноиндустрии;
2. Умение свободно ориентироваться в основных методах СЗМ;
3. Понимание сути эффектов и процессов, лежащих в основе каждого из изучаемых методов;
4. Иметь представление о современной приборной базе и программном обеспечении в различных методах СЗМ;
5. Умение подготавливать нанообъекты к проведению исследований;
6. Умение самостоятельно разрабатывать методику и проводить исследования поверхностей методами туннельной и атомно-силовой микроскопии;
7. Владение навыками обработки полученных экспериментальных результатов с привлечением соответствующего математического и программно-алгоритмического аппарата и компьютерных средств
Требования к условиям реализации курса:
- Наличие учебно-лабораторной базы по направлению;
- Наличие УМК курса;
- Наличие электронного контента (электронный конспект лекций, презентации);
- Наличие методических рекомендаций к выполнению лабораторных работ;
- Индивидуальные автоматизированные рабочие места для слушателей (студентов);
- Обеспечение информационными и учебными изданиями.
Оборудование учебных кабинетов и рабочих мест должно включать учебно-наглядные пособия (макеты, плакаты, стенды) техническую документацию и учебную и справочную литературу, средства информации, современное востребованное на предприятиях отрасли ПО и компьютерную базу.
По окончании изучения курса, при условии успешного прохождения итоговой аттестации слушателям выдается Удостоверение установленного образца о прохождении курсов повышения квалификации в объеме 72 часов по программе «Исследование поверхностей с микро и наноразмерным разрешением методами туннельной и атомно-силовой сканирующей зондовой микроскопии».
Учебный курс по данному направлению, включенный в профессиональную подготовку ОПОП, соответственно входит в общий перечень дисциплин, отраженный в Приложении к Диплому о получении среднего профессионального образования.
Модульная структура программы
Программа «Исследование поверхностей с микро и наноразмерным разрешением методами туннельной и атомно-силовой сканирующей зондовой микроскопии» предусматривает изучение следующих разделов:
1. «Современные методы и средства измерений размеров, структур, состава и свойств наноразмерных объектов»;
2. «Общие сведения о наноразмерных структурах и объектах»;
3. «Основные принципы работы, типы и методы сканирующей зондовой микроскопии»;
4. «Конструкции и техника сканирующих зондовых микроскопов»;
5. «Сканирующая туннельная микроскопия»;
6. «Атомно-силовая сканирующая микроскопия»
№ п/п | Название раздела | Кол-во часов | В том числе: | |
Лекций | Лабораторные | |||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
1. | Раздел 1. «Общие сведения о наноразмерных структурах. Современные методы и средства измерений размеров, структур, состава и свойств наноразмерных объектов» | 4 | 4 | |
2. | Раздел 2. «Основные принципы работы, типы и методы сканирующей зондовой микроскопии» | 4 | 4 | |
3. | Раздел 3. «Конструкции и техника сканирующих зондовых микроскопов» | 14 | 4 | 10 |
4. | Раздел 4. «Сканирующая туннельная микроскопия» | 24 | 5 | 19 |
5. | Раздел 5. «Атомно-силовая сканирующая микроскопия» | 26 | 6 | 20 |
Итоговая аттестация | ||||
ИТОГО (часов) | 72 | 23 | 49 |
3. УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ План ПО УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ «ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ С МИКРО И НАНОРАЗМЕРНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ МЕТОДАМИ ТУННЕЛЬНОЙ И АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ»
№ п/п | Наименование модулей, разделов, тем | Содержание учебного материала, лабораторных и практических работ | Кол-во часов | В том числе: | |
Лекций | Лабораторные и практические работы | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
1. | Раздел 1. «Общие сведения о наноразмерных структурах. Современные методы и средства измерений размеров, структур, состава и свойств наноразмерных объектов» | 4 | 4 | ||
1.1 | Тема 1. Наноразмерные структуры. Общие определения нанообъектов. Разновидности наноматериалов | Наноматериалы. Наноструктуры различной размерности. Пространственные масштабы современных наносистем. Консолидированные материалы, классификация консолидированных наноматериалов. Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы. Фуллерены и нанотрубки. Наночастицы и нанопорошки. Супрамолекулярные структуры. Нанокомпозиты. Нанокерамика. Нанопористые материалы. Сверхпроводники. Наноэлектромеханические системы. Особенности свойств наноструктур. | 2 | 2 | |
1.2 | Тема 2. Понятие нанометрологии и стандартизации. Основные понятия, определения, специфика и тенденции развития | Понятие метрологии. Моделирование наносистем. Нанометрология. Междисциплинарный характер нанотехнологий. Стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур нанотехнологии. Продвижение линейной шкалы в наноразмерный диапазон. Нанометрология линейных измерений. | 2 | 2 | |
2. | Раздел 2. «Основные принципы работы, типы и методы сканирующей зондовой микроскопии» | 4 | 4 | ||
2.1 | Тема 1 Типы сканирующих микроскопов, основные производители сканирующих зондовых микроскопов | Основные типы сканирующих зондовых микроскопов (Сканирующий атомно-силовой микроскоп, Сканирующий туннельный микроскоп, Ближнепольный оптический микроскоп). Основные производители СЗМ в мире и России (-НТ», Скан Технология», МДТ», «Центр перспективных технологий») | 1 | 1 | |
2.2 | Тема 2 Характеристики основных методов и методик микроскопии | Характеристики основных методов и методик микроскопии. СТМ-метод (СТМ-метода постоянной высоты, СТМ-отображение работы выхода, СТМ-отображение плотности состояний, СТМ–I(z)-спектроскопия, СТМ–I(V)-cпектроскопия). АСМ – атомная силовая микроскопия (АСМ-метода постоянной силы, АСМ-контактный метод рассогласования, АСМ-метод латеральных сил, АСМ-отображение сопротивления растекания, АСМ-контактная ёмкостная микроскопия, АСМ-метод модуляции силы, АСМ-полуконтактные методы, АСМ-метод отображения фазы, прерывисто-контактный (полуконтактный) метод, АСМ-бесконтактные методы). Электросиловая микроскопия. Магнитно-силовая микроскопия. Метод зонда Кельвина. Режим спектроскопии. Ближнепольная оптическая микроскопия. | 3 | 3 | |
3. | Раздел 3. «Конструкции и техника сканирующих зондовых микроскопов» | 14 | 4 | 10 | |
3.1 | Тема 1 Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов | Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов. Понятие «обратной связи». Схема организации системы обратной связи зондового микроскопа. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов. Нелинейность пьезоэлектрических свойств. Крип пьезокерамики. Гистерезис пьезокерамики. Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца. Шаговые электродвигатели. Шаговые пьезодвигатели. | 2 | 2 | |
3.2 | Тема 2 Защита зондовых микроскопов от внешних воздействий | Защита зондовых микроскопов от внешних воздействий. Защита от вибраций. Защита от акустических шумов. Стабилизация термодрейфа положения зонда над поверхностью. Формирование и обработка СЗМ изображений. Вычитание постоянной составляющей. Вычитание постоянного наклона. Устранение искажений, связанных с неидеальностью сканера. Фильтрация СЗМ изображений. Медианная фильтрация. Усреднение по строкам Фурье. Методы восстановления поверхности по ее СЗМ изображению | 2 | 2 | |
3.3 | Лабораторные (практические) работы Принцип работы и конструкция сканирующих зондовых микроскопов на примере работы СЗМ NanoEducator | 10 | 10 | ||
3.3.1 | Лаб. работа № 1 Принцип работы и конструкция сканирующих зондовых микроскопов на примере работы СЗМ NanoEducator | 1.Конструкция СЗМ NanoEducator: 1.1.Зондовый датчик силового взаимодействия 1.2 Зондовый датчик туннельного тока 1.3 Механизм подвода зонда к образцу 1.4 Работа системы обратной связи 1.5 Подвод зонда 1.6 Техническая спецификация прибора 2. Подключение прибора 2.1 Установка ПО NanoEducator 2.2 Установка образца, выбор участка для исследования 2.3 Установка зондового датчика 2.4 Включение прибора 3. Интерфейс программы NanoEducator 3.1 Главное окно 3.2 Главное меню 3.3 Панель сессии 3.4 Панель параметров измерений 3.5 Панель состояния 3.6 Настройка интерфейса области измерений | 10 | ||
4. | Раздел 4. «Сканирующая туннельная микроскопия» | 24 | 5 | 19 | |
4.1 | Тема 1 Принцип работы и устройство сканирующего туннельного микроскопа | Понятие туннельного тока. Принцип работы и устройство сканирующего туннельного микроскопа. Явление туннелирования. Обеспечение направленного движения электронов. Схема протекания туннельного тока между зондом и объектом. Перемещение зонда над поверхностью объекта. Блок-схема СТМ. Электронные устройства, используемые в СТМ. Основы работы на микроскопе, на примере СММ-2000Т. | 2 | 2 | |
4.2 | Тема 2 Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа, требования к объектам исследования и область использования сканирующей туннельной микроскопии. | Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа, требования к объектам исследования и область использования сканирующей туннельной микроскопии. Разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта. Разрешение в плоскости XY. Максимальный размер поля сканирования. Диапазон задаваемого напряжения U между зондом и поверхностью образца. Шероховатость поверхности. Проводимость материала. Конструкциями головки СТМ. Различные области использования сканирующей туннельной микроскопии | 3 | 3 | |
4.3 | Лабораторные (практические) работы Работа в режиме сканирующей туннельной микроскопии | 19 | 19 | ||
4.3.1 | Лаб. работа № 2 Работа в режиме сканирующей туннельной микроскопии на микроскопе NanoEducator | 1. Подготовка к измерениям 2. Настройка параметров 3. Выбор контроллера 4. Выбор конфигурации прибора 5. Подвод зонда к образцу 6. Настройка параметров подвода 7. Сканирование 8. Индикация параметров и визуализация данных во время сканирования 9. Туннельная спектроскопия 10. Сохранение результатов измерений 11. Завершение работы программы NanoEducator | 12 | ||
4.3.2 | Лаб. работа № 3 Работа в режиме сканирующей туннельной микроскопии на микроскопе СММ-2000 | 1. Конструкция микроскопа СММ-2000 1.1 Конструкция головки микроскопа 1.2 Программное обеспечение микроскопа «Scan Master» 2. Режим сканирующей туннельной микроскопии 2.1 Закрепление и обновление СТМ – иглы 2.2 Крепление образца в СТМ-режиме 2.3 Установка СТМ – столика. 2.4 Включение и настройка СТМ-режима 2.5 Выбор области сканирования 2.6 Выбор параметров сканирования 2.7 Подвод иглы к образцу 2.8 Сканирование образца и настройка параметров 2.9 Сканирование с перезапуском и вторым кадром 2.10 Выход из режима сканирования и выключение | 7 | ||
5 | Раздел 5. «Атомно-силовая канирующая микроскопия» | 26 | 6 | 20 | |
5.1 | Тема 1 Принцип работы атомно-силовых микроскопов. | Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов. Дипольное взаимодействие атомов оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде. Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе. Кантилеверы. Коэффициенты жесткости кантилеверов. Основные моды изгибных колебаний консоли. Основные этапы процесса изготовления зондовых датчиков | 2 | 2 | |
5.2 | Тема 2 Контактная, бесконтактная и «полуконтактная» атомно-силовая микроскопия | Контактная, бесконтактная и «полуконтактная» атомно-силовая микроскопия. Формирование АСМ изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом. Формирование АСМ изображения при постоянном расстоянии между зондовым датчиком и образцом. Недостатки контактных АСМ методик. Зависимость силы от расстояния между зондовым датчиком и образцом. Система управления АСМ при работе кантилевера в контактном режиме. Колебательные методики АСМ. Бесконтактный режим колебаний кантилевера АСМ. "Полуконтактный" режим колебаний кантилевера АСМ. Выбор рабочей точки при "полуконтактном" режиме колебаний кантилевера. | 4 | 4 | |
5.3 | Лабораторные (практические) работы | Работа на микроскопе в режиме атомно-силовой микроскопии. | 20 | 20 | |
5.3.1 | Лаб. работа № 4 Работа на микроскопе NanoEducator в режиме атомно-силовой микроскопии | Подготовка к измерениям Настройка параметров Выбор контроллера Выбор конфигурации прибора Подвод зонда к образцу Настройка параметров подвода Сканирование Индикация параметров и визуализация данных во время сканирования Атомно-силовая спектроскопия Литография | 12 | ||
5.3.2 | Лаб. работа № 5 Работа на микроскопе СММ-2000 в режиме атомно-силовой микроскопии. | Установка кантилевера в АСМ-столик Установка образца для АСМ-режима Установка и настройка АСМ-столика Включение и настройка АСМ-режима Подвод и сканирование в АСМ-режиме | 8 | ||
ИТОГО | 72 | 23 | 49 |
4. Примерный перечень вопросов для самоконтроля*
1. Основные понятия и определения: нанонаука, нанотехнология, наноматериалы, нано-инженерия, наноструктурированные материалы.
2. Классификация нанообъектов по величине пространственной размерности. Общие закономерности поведения нанообъектов.
3. Сравнительные характеристики различных микроскопических методов (оптическая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микро-скопия, сканирующая зондовая микроскопия).
4. История развития сканирующей зондовой микроскопии. Классификация методов сканирующей зондовой микроскопии.
5. Общее устройство и принципы работы сканирующих зондовых микроскопов: зондовые датчики, сканирующие элементы, типы взаимодействия, роль обратной связи.
6. Основные типы сканирующих элементов и механизмов подвода и перемещения зонда относительно поверхности образца. Методы защиты сканирующих зондовых микроскопов от механических вибраций, акустического воздействия и термических дрейфов.
7. Физические основы сканирующей туннельной микроскопии. Туннельный эффект в квази-классическом приближении. Туннельный ток в системах металл-диэлектрик-металл и металл-диэлектрик-полупроводник.
8. Ограничения сканирующей туннельной микроскопии.
9. Устройство и принцип работы сканирующего туннельного микроскопа. Режимы постоянного тока и постоянной высоты, реализация атомарного разрешения, методы изготовления зондов.
10. Кантилеверы – зондовые датчики для атомно-силовой микроскопии: основные типы, технология изготовления, геометрические и механические свойства.
11. Потенциал взаимодействия зонда с образцом в атомно-силовой микроскопии.
12. Зависимость силы взаимодействия от расстояния между зондом и образцом – контактный, полуконтактный и бесконтактный режимы атомно-силовой микроскопии.
13. Основные типы взаимодействия зонда с поверхностью.
14. Устройство и принцип работы сканирующего зондового микроскопа в режиме контактной атомно-силовой микроскопии. Режимы постоянной высоты и постоянной силы, реализация атомарного разрешения. Ограничения методики контактной атомно-силовой микроскопии.
15. Теория механических колебаний кантилевера. Зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний кантилевера от расстояния между зондом и образцом. Бесконтактный и полуконтактный режимы колебаний кантилевера.
16. Параметры, влияющие на качество и пространственное разрешение изображений, получаемых с помощью сканирующей зондовой микроскопии, источники искажений и артефактов. Искажения, обусловленные несовершенством сканирующих элементов, и методы их компенсации. Влияние формы зондов на качество изображений, эффект конволюции.
17. Обработка результатов сканирующей зондовой микроскопии. Основные типы данных, получаемых при измерениях с помощью сканирующей зондовой микроскопии и варианты их представления.
18. Методы коррекции изображений на примере обработки результатов измерения топографии поверхности.
19. Устройство и физические принципы работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).
20. Сканирующая туннельная спектроскопия. Спектроскопия свободных и заполненных состояний. V-модуляция.
21. Эффект кулоновской блокады туннелирования в СТМ.
22. Эффект резонансного туннелирования в СТМ.
23. Контраст работы выхода в СТМ. Z-модуляция.
24. Устройство и физические основы работы оптико-механического атомно-силового сенсора в контактном режиме.
25. Микроскопия латеральных сил.
26. Устройство и физические основы работы тензоэлектрического атомно-силового сенсора в контактном режиме.
27. Сила Ван-дер-Ваальса.
28. F/S спектроскопия. Z-модуляция.
29. Капиллярные силы в атомно-силовой микроскопии.
30. Силы адгезии между зондом и образцом. Адгезионная мода
31. Контактное взаимодействие зонда с поверхностью. Задача Герца. Измерение упругого модуля поверхности твердых тел.
32. АСМ моды. Классификация АСМ мод.
33. Устройство и физические основы работы оптико-механического атомно-силового сенсора в неконтактном режиме. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики кантилевера как колебательной системы..
34. Устройство и физические основы работы тензоэлектрического атомно-силового сенсора в неконтактном режиме.
35. Устройство и физические основы работы пъезотрубчатого атомно-силового сенсора в неконтактном режиме.
36. Разновидности неконтактных АСМ мод. Истинная неконтактная мода (True Non-Contact), периодический контакт (Tapping Mode).
37. Режим контраста материала в неконтактной АСМ моде (Phase Imaging Mode).
38. ЧМ детектирование в неконтактной АСМ. Истинное атомное разрешение в АСМ.
39. Зависимость амплитуды, частоты и фазы колебаний кантилевера в неконтактной АСМ от расстояния зонд-образец (Кривая подвода).
40. Подъемная мода АСМ.
41. Методы визуализации СЗМ изображений.
42. Методы выравнивания СЗМ изображений.
43. Статистический анализ СЗМ данных. Построение и обработка гистограмм распределения высот
5. Форма итогового контроля и оценочные средства
Устный зачет по теоретическим вопросам и выполнение практического задания. Фонды оценочных средств по дисциплине представляют собой перечень вопросов для рейтинговых и контрольных мероприятий.
Основные критерии диагностики компетенций №№ 1-4 заключаются в уровне освоения указанных компетенций: «компетенция освоена» либо «компетенция не освоена»
Критерием оценки практической деятельности (компетенции №№ 5-7) служит соответствие усвоенных алгоритмов деятельности заданному. Критерии оценки, при этом, основываются на поэтапном контроле процесса выполнения задания (соответствия технологическим требованиям, соответствие этапов, соблюдение технологической последовательности (маршрута, алгоритма), выполнение требований, использование технологий (или их элементов и пр.
Итоговая оценка заполняется в разработанных аттестационных карточках.
Итог освоения всей учебной программы - определение готовности к выполнению соответствующего вида деятельности - самостоятельно разрабатывать методику и проводить исследования поверхностей методами туннельной и атомно-силовой микроскопии («готов» или «не готов»).
Примерный перечень вопросов к зачету
1. Что такое наноматериалы?
2. Каково место объектов наномира на общей шкале размеров?
3. Классификация нанообъектов по величине пространственной размерности.
4. Каковы типичные размеры наиболее известных наноматериалов: углеродных фуллеренов и нанотрубок, графенов, ДНК?
5. Что такое наноструктурированные материалы?
6. Приведите сравнительные характеристики различных микроскопических методов по рабочей среде, типу изображения и повреждающему воздействию.
7. Расскажите общее устройство и принципы работы, присущие любому сканирующему зондовому микроскопу.
8. Приведите общую классификацию методик сканирующей зондовой микроскопии.
9. Каковы основные типы сканеров, применяемых в сканирующей зондовой микроскопии?
10. Какие устройства используются в сканирующей зондовой микроскопии для грубого подвода и перемещения зонда относительно исследуемой поверхности?
11. Какие методы и технические решения используются для защиты сканирующих зондовых микроскопов от механических вибраций, акустического воздействия и термодрейфов?
12. Какое основное физическое явление лежит в основе сканирующей туннельной микроскопии?
13. Охарактеризуйте кратко характеристики протекания туннельного тока в системах металл-диэлектрик-металл и металл-диэлектрик-полупроводник.
14. Перечислите и кратко опишите основные методы изготовления зондов для сканирующей туннельной микроскопии.
15. Каким образом реализуется режим постоянной высоты сканирующего туннельного микроскопа?
16. Каким образом реализуется режим постоянного тока сканирующего туннельного микроскопа?
17. В каком режиме сканирующей туннельной микроскопии возможно получение атомарного разрешения?
18. Какой измеряемый сигнал используется в режиме сканирующего туннельного микроскопа при построении изображений с атомарным разрешением?
19. В каком режиме сканирующей туннельной микроскопии возможно получение изображения рельефа поверхности?
20. В каком режиме сканирующей туннельной микроскопии используется обратная связь по вертикальным перемещениям и какова ее роль?
21. Какие ограничения на свойства исследуемых материалов накладывает сканирующая туннельная микроскопия?
22. Какие дополнительные характеристики позволяет измерять сканирующая туннельная микроскопия?
23. Каким образом с помощью сканирующего туннельного микроскопа производится измерение локальной работы выхода?
24. Каким образом реализуется режим сканирующей туннельной спектроскопии?
25. Какую дополнительную информацию позволяет получить сканирующая туннельная спектроскопия?
26. Как называется принцип сборки наноструктур с помощью сканирующего зондового микроскопа?
27. Приведите примеры использования сканирующей туннельной микроскопии при исследовании наноматериалов.
28. Как называются зондовые датчики, используемые в атомно-силовой микроскопии?
29. Какова геометрия зондовых датчиков, используемых в атомно-силовой микроскопии? Назовите два основных типа.
30. Какова технология изготовления зондовых датчиков для атомно-силовой микроскопии?
31. Какими основными характеристиками отличаются кантилеверы, используемые в контактной, бесконтактной и полуконтактной атомно-силовой микроскопии?
32. Какие взаимодействия зонда с поверхностью могут давать вклад в изгиб кантилевера?
33. Изобразите силовую кривую, характеризующую взаимодействие между зондом и поверхностью. Какие участки кривой каким основным режимам атомно-силовой микроскопии соответствуют?
34. Какую роль выполняет оптический силовой сенсор в атомно-силовом микроскопе?
35. Каким образом реализуется режим постоянной высоты в контактной атомно-силовой микроскопии?
36. Каким образом реализуется режим постоянной силы в контактной атомно-силовой микроскопии?
37. Каков смысл сигнала ошибки при работе в контактной атомно-силовой моде в режиме постоянной силы?
38. В каком режиме контактной атомно-силовой микроскопии возможно получение атомарного разрешения?
39. Какой измеряемый сигнал используется в режиме контактной атомно-силовой микроскопии при построении изображений с атомарным разрешением?
40. В каком режиме контактной атомно-силовой микроскопии возможно получение изображения рельефа поверхности?
41. В каком режиме контактной атомно-силовой микроскопии используется обратная связь по вертикальным перемещениям и какова ее роль?
42. С помощью какой методики контактной атомно-силовой микроскопии можно исследовать пространственное распределение коэффициента трения?
43. Возможно ли получение атомарного разрешения с использованием атомно-силового микроскопа?
44. Возможно ли получение атомарного разрешения поверхности диэлектрика с использованием сканирующего туннельного микроскопа?
45. Назовите основные моды и режимы механических колебаний кантилеверов.
46. Каким образом выбирается частота колебаний кантилевера при работе в режимах бесконтактной и полуконтактной атомно-силовой микроскопии?
47. Изобразите зависимость амплитуды и фазы вынужденных колебаний кантилевера от расстояния между зондом и поверхностью. Каким образом можно определить расстояния, на которых реализуется режим притяжения и режим отталкивания между зондом и поверхностью?
48. Каким образом, с помощью подбора параметров сканирования, выбирается режим бесконтактной или полуконтактной атомно-силовой микроскопии?
49. Каким образом реализуется режим отображения фазы в бесконтактной или полуконтактной атомно-силовой микроскопии? Какие дополнительные свойства материалов могут быть исследованы в этом режиме?
50. Приведите примеры использования бесконтактной или полуконтактной атомно-силовой микроскопии при исследовании наноматериалов.
51. Какие основные типы артефактов могут наблюдаться на изображениях сканирующей зондовой микроскопии?
52. Какие основные негативные свойства пьезокерамики, используемой в сканирующих элементах, могут приводить к искажениям изображений сканирующего зондового микроскопа?
53. Какие существуют программные и аппаратные методы устранения искажений, вносимых несовершенством сканирующих элементов при измерении с помощью сканирующих зондовых микроскопов?
54. В чем смысл эффекта конволюции при измерении рельефа поверхности с помощью сканирующей зондовой микроскопии?
55. В чем заключается метод деконволюции результатов измерения рельефа поверхности с помощью сканирующей зондовой микроскопии?
56. В чем сущность двухпроходных методик сканирующей зондовой микроскопии?
57. Каким образом реализовано измерение поверхностного электростатического потенциала в методе зонда Кельвина?
58. Какими факторами определяется пространственное разрешение, достижимое в двух-проходных электрических методиках сканирующей зондовой микроскопии?
59. Какие существуют методы статистического анализа изображений сканирующей зондовой микроскопии? Какие объекты являются предметом анализа?
6. Применяемые современные образовательные технологии
В процессе изучения программы «Исследование поверхностей с микро и наноразмерным разрешением методами туннельной и атомно-силовой сканирующей зондовой микроскопии» предполагается модульная система обучения, при которой каждый модуль имеет законченную, вполне автономную тематику. Каждый отдельный модуль, при полной самостоятельности, дает целостное представление об определенной предметной области и находится в логической взаимосвязи с другими модулями».
Программа курса построена на принципе простого укрупнения материала в рамках одного направления: первоначальное поверхностное ознакомление с методами сканирующей зондовой микроскопии переходит в более подробное изучения отдельных методов (туннельной и атомно-силовой микроскопии) с дальнейшим углублением в практическое использование данных методик.
Основой изучения курса является интерактивная составляющая образовательного процесса.
Реализую программу в сетевом формате предполагаются самостоятельное изучение теоретического материала, с параллельными консультациями преподавателей в режиме «on-line», либо «off-line».
Изучение программы курса предполагает, помимо предоставления электронного курса лекций, использование дополнительного электронного контента (ссылки на справочные материалы, презентации по определенным тематикам, ссылки на архивы видеолекций)
Практические занятия строятся на исследовательском методе в обучении с использованием элементов такого принципа образовательного ресурса как «метод проектов», включающий в себя поисковый этап, конструкторский этап, технологический этап и заключительный этап.
Перечень используемого оборудования и технических средств обучения
- сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator
- сканирующий зондовый микроском (СММ-2000)*
- образцы для исследований
Для демонстрации на лекциях используются следующие пособия:
1. Плакаты с изображением функциональных диаграмм методов сканирующей зондовой микроскопии, методик проведения измерительных экспериментов.
2. Комплект мультимедийных презентаций по темам лекций и лабораторных работ.
3. Проведение всех практических занятий осуществляется в компьютерном классе с использованием учебных и демонстрационных версий прикладного ПО.
Список используемых источников
Основная литература
1. , Основы сканирующей зондовой микроскопии, Нижний Новгород: РАН, Институт физики микроструктур, 2004 г, 114 с.
2. , , Сканирующая зондовая микроскопия: основные принципы, анализ искажающих эффектов. –М.: 2001.
3. «Справочник по микроскопии для нанотехнологии», ред. Нан Яо, Жонг Лин Ванг, перевод с англ. — коллектив переводчиков, науч. ред. — , 2011, 712 с.
4. Сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator, Руководство пользователя, -МДТ», 2008
5. Сканирующая туннельная микроскопия. Аппаратура, принцип работы, применение. Учебное пособие. МГТУ им . http://lab. *****/stm/index. html. 2009 г.
6. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия: пособие по работе на микроскопе СММ-2000 / . Москва, ГОУ МИФИ (ГУ), 2006, 92 стр.
7. , Метрология в нанотехнологии // Метрология, стандартизация и контроль нанотехнологий. «оссийские нанотехнологии», № 1-2, - М.: 2007. (Интернет-источник: http://phys. *****/docs/msc/todua. pdf)
8. NanoEducator, модель СЗМУ-Л5. Базовый прибор для научно-образовательного процесса в области нанотехнологии. Учебное пособие, -МДТ», 2008
Дополнительная литература
1. , Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхностей, Диссертация на соискание ученой степени д. т.н., Специальность 05.27.01., Государственный научный центр Государственный НИИ физических проблем им , - М.: 2000
2. Власов А. И. Методы микроскопии : учеб. пособие / А. И. Власов, К. А. Елсуков, Ю. В. Панфилов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 280 с.
3. , Сканирующая зондовая микроскопия нуклеиновых кислот и тонких органических пленок, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, специальность 01.04.07 «Физика твердого тела», - М.: 1999
4. , C., , Исследование поверхности наноматериалов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Отрасли наноиндустрии. Области применения наноматериалов», - Томский политехнический университет: 2001
5. Гусев А. И., Ремпель А. А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2000. – 224 с.
6. Козлов и стандартизация: СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2001.
7. , , Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии, Руководство к лабораторным и практическим занятиям, Екатеринбург, 2008
Интернет-источники
1. Интернет-сайт компании «НТ-МДТ»: http://www. *****
2. Интернет-сайт «Нанометр»: http://www. *****
3. Интернет-сайт «Центра перспективных технологий»: http://www.
4. Интернет-сайт объединенной группы МГУ «Сканирующая зондовая микроскопия»: http://www. spm. genebee. *****
5. Интернет-сайт компании - Carl Zeiss: http://www.optec. *****
6. Интернет-сайт Академии метрологии, стандартизации и сертификации: www. *****
7. Лаборатория измерений параметров и свойств нано - и микрообъектов: http://*****/
* Так как курс «Исследование поверхностей с микро и наноразмерным разрешением методами туннельной и атомно-силовой сканирующей зондовой микроскопии» изначально является программой ДПО, самостоятельная работа в общую учебную нагрузку не включается, не является обязательной и не подлежит контролю.
* либо иной сканирующий зондовой микроскоп, позволяющий закрепить навыки работы, полученные на учебном оборудовании NanoEducator/
