1.Цель и задачи дисциплины
1.1 Краткое содержание дисциплины
Цели и задачи дисциплины
Атомно-силовая и туннельная зондовая микроскопия – предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов; атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический микроскопы были разработаны позднее. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов зондовой микроскопии.
1.2. Цели преподавания дисциплины
Целью преподавания данной дисциплины является изучение атомно-силовых и туннельно зондовых микроскопов и применение в исследование низкоразмерных систем.
Рассматриваются методы зондовой микроскопии являющиеся основой для развития новых методов в нанотехнологии - технологии создания структур с нанометровыми масштабами. Наряду с повторением основного материала соответствующих курсов «Бакалавриата», и «Магистратуры», докторант более подробно изучают разделы этих курсов, которые необходимы им для освоения данного курса в области исследования.
1.3 Задачи преподавания дисциплины
Сформировать умения и навыки проведения экспериментальных исследований на современной измерительной аппаратуре и обработки их результатов.
Сформировать у докторантов знания и умение использования фундаментальных законов нанотехнологии и наноэлектроники.
Развитие у докторантов более глубоких знаний об исследлование свойств поверхности нанометровых материалов.
1.4 Пререквизиты: Высшая математика, векторный анализ, физика конденсированного состояния, основы квантовой механики, физика полупроводников, микроэлектроника.
1.5 Постреквизиты: Общепрофессиональные и специальные дисциплины.
2. Система оценки знаний студентов.
2.1. Распределение рейтинговых процентов по видам контроля
Таблица 1
Вид итогового контроля | Виды контроля | % |
Экзамен | Итоговый контроль | 100 |
Рубежный контроль | 100 | |
Текущий контроль | 100 |
2.2 Календарный график сдачи всех видов контроля
Таблица 2
Недели | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
Виды контроля | - | ПР | ПР СР | ПР СР | СР | К | ПР | РК | ПР | ПР СР | ПР СР | СР | К | ПР СР | РК |
Недель. количес.. контр. | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 2 | 1 | |
Виды контроля: ПР –Практические занятие, К – контрольная работа, СР - самостоятельная работа, РК – рубежный контроль |
Итоговая оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 3 ).
2.3 Оценка знаний студентов
Таблица 3
Оценка | Буквенный эквивалент | Рейтинговый балл (в процентах %) | В баллах |
Отлично | А | 95 - 100 | 4 |
А- | 90 - 94 | 3,67 | |
Хорошо | В+ | 85 - 89 | 3,33 |
В | 80 - 84 | 3,0 | |
В- | 75 - 79 | 2,67 | |
Удовлетворительно | С+ | 70 - 74 | 2,33 |
С | 65 - 69 | 2,0 | |
С- | 60 -64 | 1,67 | |
D+ | 55 - 59 | 1,33 | |
D | 50 - 54 | 1,0 | |
Неудовлетворительно | F | 0 - 49 | 0 |
3. Содержание дисциплины
3.1. Тематический план курса.
Таблица 4
№ п/п | Наименование темы | Количество | |||
Лекц. | Прак..заня. | СРДП | СРД | ||
1 | Введение. История создания сканирующего туннельного микроскопа | 2 | 1 | 3 | 3 |
2 | Физические основы работы СТМ. Функция состояния системы, уравнение Шредингера. Туннельный эффект | 2 | 1 | 3 | 3 |
3 | Туннельный эффект в квазиклассическом приближении | 2 | 1 | 3 | 3 |
4 | Зонная структура металлов, энергетическое распределение электронов в металле | 2 | 1 | 3 | 3 |
5 | Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ) | 2 | 1 | 3 | 3 |
6 | Вольт амперная характеристика туннельных контактов. | 2 | 1 | 3 | 3 |
7 | Устройство сканирующего туннельного микроскопа | 2 | 1 | 3 | 3 |
8 | Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа | 2 | 1 | 3 | 3 |
9 | Растровый электронный микроскоп | 2 | 1 | 3 | 3 |
10 | Изучение графена в сканирующим туннельным микроскопом | 2 | 1 | 3 | 3 |
11 | Сверхвысоковакуумный низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп | 2 | 1 | 3 | 3 |
12 | Сканирующий туннельный микроскоп-измерительное средство наноэлектроники | 2 | 1 | 3 | 3 |
13 | Фотонный сканирующий туннельный микроскоп с нерезонансным атомно-силовым режимом | 2 | 1 | 3 | 3 |
14 | Сканирующий туннельный микроскоп для внутриреакторных исследований | 2 | 1 | 3 | 3 |
15 | Формирования наноразмерных структур с помощью проводящего зонда | 2 | 1 | 3 | 3 |
30 | 15 | 45 | 45 |
3.2. Содержание лекционных занятий
Таблица 5
Наименование тем лекции | Содержания лекции | Литература | Объем, час. |
Введение. История создания сканирующего туннельного микроскопа | Понятие микроскопы. История создания микроскопов. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов. | 1 [3-16], 2 [6-20] | 2 |
Физические основы работы СТМ. | Функция состояния системы, уравнение Шредингера. Туннельный эффект | 1 [17-21], 2 [20-36] | 2 |
Туннельный эффект в квазиклассическом приближении | Туннельный эффект. квазиклассическая приближения. | 1 [22-25], 3 [3-16] | 2 |
Зонная структура металлов, энергетическое распределение электронов в металле | Структура металлов. Распределение электронов в металле | 1 [27-38], 3 [25-46] | 2 |
Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ) | Основы сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Факторы, вляющие на качество изображения ПЭМ | 1 [40-55], 2 [30-56] | 2 |
Вольт амперная характеристика туннельных контактов. | ВАХ контакта метал-метал. ВАХ контакта металл-полупроводник. ВАХ контакта металл-сверхпроводник. | 1 [56-60], 3 [36-66] | 2 |
Устройство сканирующего туннельного микроскопа | Зондовые датчики АСМ. Контактная атомно-силовая микроскопия. Зависимость силы от расстояния между зондовым датчиком и образцом. | 1 [62-71], 2 [46-74] | 2 |
Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа | Вынужденные колебания кантилевра. Бесконтактный режим колебаний кантилевра АСМ. | 1 [73-86], 4 [16-36] | 2 |
Растровый электронный микроскоп | Двухпроходная методика ЭСМ. | 1[87-90], 5 [23-46] | 2 |
Изучение графена в сканирующим туннельным микроскопом | Графен. Структура графена. Влияние туннельного тока на структуру графена. | 1 [91-93], 3 [56-86] | 2 |
Сверхвысоковакуумный низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп | Низкотемпературный вакуум. Применение. Достоинство и не достатки. | 1 [94-98], 4 [36-78] | 2 |
Сканирующий туннельный микроскоп - измерительное средство наноэлектроники | Получения оптических изображений объектов. Применение СТМ в наноэлектронике. | 1 [98-101], 3 [103-126] | 2 |
Фотонный сканирующий туннельный микроскоп с нерезонансным атомно-силовым режимом | Резонансные и нерезонансные атомные режимы. Фотонный сканирующий тунельный микроскоп. | 1 [103-108], 2 [115-130] | 2 |
Сканирующий туннельный микроскоп для внутриреакторных исследований | Внутриреакторное исследования. Применение СТМ в реакорах. | 2 [23-36], 4 [84-96] | 2 |
Формирования наноразмерных структур с помощью проводящего зонда | Физико-химические эффекты в зондовой нанотехнологии. Концепция зондовой нанотехнологии в газовых и жидких средах. Контактное и бесконтактное формирование нанорельфа поверхности подложек. | 2 [44-50], 4 [205-236] | 2 |
Всего | 30 |
3.3. Содержание практических занятий
Таблица 6
Наименование тем практических занятий | Содержания практических занятий | Объем, час. |
Исследование электронных состояний в квантовых ямах и квантовых точках. | Теория формирования размерных-квантовых электронных состояний в квантоворазмерных полупроводниковых гетероструктурах. | 2 |
Визуализация квантовых состояний в квазиодномерном канале методом атомной-силовой микроскопии. | Квантования кондактанса баллистического канала. | 2 |
Магнитная обменно-силовая микроскопия. | Определение ориентации спина отдельных атомов. | 2 |
Общая конструкция сканирующего зондового микроскопа. | Виды сенсоров. Сканеры. Пьезоэлектрический двигатель. Система обратной связи. Способы обработки. | 2 |
Универсальный датчик туннельного тока и силового взаимодействия. | Пьезовибратор. Пьезоэлектрическая трубка в качестве датчика силового взаимодействия. | 2 |
Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии. | Схема сканирующего туннельного микроскопа. Режимы постоянного тока и постоянный высоты. | 2 |
Основы сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. | Туннельная микроскопия. Факторы, влияющие на качество изображения СТМ. | 2 |
Основы сканирующей атомно-силовой микроскопии. | Получение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца. | 2 |
Определение основных параметров датчика силового взаимодействия. | Резонансная частота зонда, добротность зондового датчика. Измерение зависимости силы взаимодействия от расстояния зонд-образец. | 2 |
Режимы работы АСМ. | Контактный режим АСМ. Неконтактный режим АСМ. Фазовый контраст. | 2 |
Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии. | Изучение источников артефактов в сканирующей зондовой микроскопии. | 2 |
Изучение основных характеристик пьезоэлектрических керамик и СЗМ сканера. | Пьезоэлектрическая керамика. Механическая деформация пьезокерамики. Гистерезис пьезокерамики. Ползучесть. | 2 |
Определение формы зонда и разрешение СЗМ. | СЗМ камеры. Методы линеаризации характеристик сканеров. Резонансные частоты сканеров. | 2 |
Применение углеродных нанотрубок. | Электрические свойства углеродных наноотрубок. Химические свойства углеродных нанотрубок. | 2 |
Дальнейшее развитие методов зондовой микроскопии. | Проблемы и перспективы. | 2 |
30 |
3.4. Планы занятий в рамках самостоятельной работы докторантов под руководством преподавателя (СРДП)
Таблица 7
№ п/п | Задание | Форма проведение | Методические рекомендации | Литература |
1 | Зондовая технология и наноэлектроника | Дискуссия. | Зондовые микроскопы для технологических приложений | Осн. 1[8-15], 5 [17-25] |
2 | Оцените разрешение электронного микроскопа, если ускоряющее напряжение составляет 100кВ. | Тренинг решение задач. | Максимальная разрешение электронного микроскопа из-за наличия аберраций не достигает рэлеевского минимума и составляет величину порядка 100 длин волн элеирона. | Осн. 1 [50-88], 6 [41-60], |
3 | Расчет туннельного тока. | Тренинг. Решение задач. | Локальная плотность состояний. | Осн. 1 [65-83], 2 [45-63], Доп.2 [12-27] |
4 | Формирования наноразмерных структур с помощью проводящего зонда | Тренинг. Решение задач. | Пьезокирамика ЦТС-19 имеет сравнительно небольшой температурный коэффициент линейного расширения, примерно 6-10*6 см/К. Однако изменение температуры на 1 К при длине пьезоэлемента 1 см приводит к его удлинению. Насколько изменится длина пьезоэлемента. | Осн. 1 [6-21], 4 [32-62]. |
5 | Получение СЗМ изображения. | Дискуссия | Обработка и предоставление результатов эксперимента. | Осн. 3 [62-96], Доп. 3 [28-45] |
6 | Фурье фильтрация СЗМ изображений. | Дискуссия | Определение g-фактора 2D –системы методом совпадений. Эффект локализации и их роль в КЭХ. | Осн. 5 [21-38], 6 [35-52]. |
7 | Исследование спиновых состояний. | Дискуссия | Определение орентации спина отдельного атома методом магнитной силовой микроскопия. Магнитная обменно-силовая микроскопия. | Осн. 1[53-64], 2[71-80] |
8 | Определите минимальный площадьфотоприемной матрицы ИК диапазона спектра для передачи изображения телевизионного стандарта. | Тренинг. Решение задач. | Чувствительным элементом матрицы является многослойная наногетероструктура, содержащая n=50 слоев квантовых ям и два контактных слоя общей толщиной hk=2,67 мкм. Разделение фотоматрицы на элементы проводится с помощью изотропного травления. | Осн. 3[26-51]. Доп. 1 [36-43], 3[18-26] |
9 | Конфигурация БОМ. | Дискуссия. | Прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой. Зонды для БОМ. | осн. 2[67-89], Доп. 2[13-30] |
10 | СЗМ зонды. | Тренинг. Решение задач | Основные этапы изготовления кремниевых АСМ зондов. Загрязнение зонда. Разрушение зонда. | осн. 2[79-89], Доп. 2[30-40] |
11 | Методы восстановления формы поверхности по ее СЗМ изображению. | Тренинг. Решение задач | Метод численной деконволюции. Методы восстановления затупившегося зонда. | осн. 2[75-100], Доп. 1[35-45] |
12 | Структуры на основе углерода. | Дискуссия. | Получение углеродных нанотрубок. Механические свойства углеродных нанотрубок. | Осн. 7[36-62]. Доп. 4[81-92] |
13 | Исследование характеристик макетов нанотранзистора и инвертора на основе углеродных нанотрубок. | Дискуссия. | ВАХ транзистора. Проходная характеристика. | Осн. 6[50-75]. Доп. 3[85-92] |
14 | Углеродная наноэлектроника. | Дискуссия. | Рельефы углеродных нанотрубок. Разрушение сформированной сетки нанотрубок на контактах. | Осн. 6[50-90]. Доп. 3[81-95] |
15 | Локально анодное окисление пиролитического графита. | Дискуссия. | Методика модификации поверхности (метод ЛАО). Анодирование графита в относительной влажности. | Осн. 7[75-110]. Доп. 2[88-105] |
3.5. Содержание самостоятельной работы докторантов (СРД)
Таблица 8
№ | Задание | Методические рекомендации | Литература |
1 | Зондовая нанотехнология: взгляд на развития | Формирование нанометровых объектов с помощью зондывых микроскопов. | Осн. 1[19-26], 2[5-12] |
2 | Шаговые двигатели. | Определение удлинении или сжатие трубок в зависимости от напряжения. | Осн. 2[5-12], 4[13-20]. Доп.4[3-15] |
3 | Виброизолирующие системы. | Определение амплитуды колебания платформы. Воздействие акустических волн на элементы конструкции головки СЗМ. | Осн. 2[15-23], 3[8-17] |
4 | Получение схематического изображения процесса сканирования. | Вычитание постоянной составляющей. Вычитание поверхности 2-го порядка из АСМ изображения поверхности. | Осн. 1[66-77], 2[15-22] |
5 | Фильтрация СЗМ изображений | Выравнивание кадров по строкам. Фурье фильтрация СЗМ изображений. | Осн. 4[48-63]. Доп. 1[24-33] |
6 | Вольт-амперная характеристика туннельных контактов. | Формула Фаулера-Нордгейма. Определить положение краев зоны проводимости и валентной зоны относительно уровня Ферми. | Осн.1[68-76]. |
7 | Потенциальный барьер Леннарда- Джонса. | Вычислить силу, действующую на зонд со стороны поверхности. Определения разностных токов с различных секций фотодиода. | Осн. 2[126-139], 4[39-54]. |
8 | Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе. | Определение силу взаимодействия зонда с поверхностью. Вычислить частоту изгибных колебаний. Определение добротности кантилеверов. | Осн. 2[39-50], Доп. 2[15-25] |
9 | Зависимость силы от расстояния между зондовым датчиком и образцом. | Вычислить уравнение движения упругого кантилевера вблизи поверхности. Исследовать локальную жесткость в различных точках образца. | Осн. 4[41-63] |
10 | Изменение АЧХ и ФЧХ в системе с диссипацией. | Определить сдвиг резонансной частоты для диссипативной системы. Вычислить резонансную частоту в присутствии внешней силы. | Осн. 2[119-128], 4[47-54] |
11 | Взаимодействие МСМ зонда с магнитным полем образца. | Определить магнитный момент зонда МСМ. Вычислить силу взаимодействия зонда с образцом. | Осн. 2[12-37], 4[51-63] |
12 | МСМ исследования поверхности магнитного диска. | Определить фазовых измерений максимумов чувствительности. Вычислит сдвига фазы. | Осн. 2[87-99], 4[24-43] |
13 | Прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой. | Вычислить мощность излучения за субволновой диафрагмой в дальней зоне. Определить контрастность на БОМ изображениях. | Осн. 2[119-128], 4[39-47]. |
14 | Углеродные нанотрубки. | Определение диаметра трубки. Вычислить ширину поперечного изображения трубки. | Осн. 2[103-121] Доп. 4[105-115] |
15 | Исследование формирования процессов наноразмерных структур с помощью проводящего зонда. | Определить плотность тока электронной эмиссии. Вычислить изменение температуры по радиусу вдоль поверхности от оси пучка для изотропных подложек. | Осн. 3[32-49], 5[115-130]. |
3.6. График проведения занятий
Таблица 9
№ | Дата | Время | Наименование тем |
Лекции | |||
1 | Введение. История создания сканирующего туннельного микроскопа | ||
2 | Физические основы работы СТМ. Функция состояния системы, уравнение Шредингера. Туннельный эффект | ||
3 | Туннельный эффект в квазиклассическом приближении | ||
4 | Зонная структура металлов, энергетическое распределение электронов в металле | ||
5 | Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ) | ||
6 | Вольт амперная характеристика туннельных контактов. | ||
7 | Устройство сканирующего туннельного микроскопа | ||
8 | Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа | ||
9 | Растровый электронный микроскоп | ||
10 | Изучение графена в сканирующим туннельным микроскопом | ||
11 | Сверхвысоковакуумный низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп | ||
12 | Сканирующий туннельный микроскоп-измерительное средство наноэлектроники | ||
13 | Фотонный сканирующий туннельный микроскоп с нерезонансным атомно-силовым режимом | ||
14 | Сканирующий туннельный микроскоп для внутриреакторных исследований | ||
15 | Формирования наноразмерных структур с помощью проводящего зонда | ||
Практические занятия | |||
1 | Исследование электронных состояний в квантовых ямах и квантовых точках. | ||
2 | Визуализация квантовых состояний в квазиодномерном канале методом атомной-силовой микроскопии. | ||
3 | Магнитная обменно-силовая микроскопия. | ||
4 | Общая конструкция сканирующего зондового микроскопа. | ||
5 | Универсальный датчик туннельного тока и силового взаимодействия. | ||
6 | Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии. | ||
7 | Основы сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. | ||
8 | Основы сканирующей атомно-силовой микроскопии. | ||
9 | Определение основных параметров датчика силового взаимодействия. | ||
10 | Режимы работы АСМ. | ||
11 | Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии. | ||
12 | Изучение основных характеристик пьезоэлектрических керамик и СЗМ сканера. | ||
13 | Определение формы зонда и разрешение СЗМ. | ||
14 | Применение углеродных нанотрубок. | ||
15 | Дальнейшее развитие методов зондовой микроскопии. |
4. Перечень экзаменационных вопросов по пройденному курсу
1. Сканирующие элементы зондовых микроскопов
2. Атомно-силовая микроскопия
3. Принципы работы сканирующих микроскопов
4. Формирование и обработка СЗМ изображений
5. Вычитание постоянного наклона
6. Устранение искажений, связанных с неидеальностью сканера
7. Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца
8. Шаговые электродвигатели
9. Полуконтактный режим колебаний контилевра АСМ
10. Электросиловая микроскопия
11. Магнитно-силовая микроскопия
12. Колебательные методики МСМ
13. Защита зондовых микроскопов от вибраций
14. Защита зондовых микроскопов от акустических шумов
15. Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов
16. Зависимость силы от расстояния между зондовым датчиком и образцом
17. Система управления АСМ при работе кантилевра в контактном режиме
18. Вынужденные колебания кантилевра
19. Стабилизация термодрейфа положения зонда над поверхностью
20. Фильтрация СЗМ изображений
21. Усреднение по строкам
22. Фурье –фильтрация СЗМ изображений
23. ВАХ контакта металл-полупроводник
24. ВАХ контакта металл-сверхпроводник
25. Бесконтактный режим колебаний кантилевра АСМ
26. Ближнепольная оптическая микроскопия
27. Основные этапы развития сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).
28. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов.
29. Сканирующие элементы (сканеры).
30. Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца. Шаговые электродвигатели. Шаговые пьезодвигатели.
31. Формирование и обработка СЗМ изображений.
32. Метод восстановления поверхности по ее СЗМ изображению.
33. Сканирующая туннельная микроскрпия (СТМ).
34. Зонды БОМ на основе оптического волокна
35. Методы контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольном оптическом микроскопе
36. ВАХ контакта металл-сверхпроводник
37. Наноматериалы для ядерной энергетики.
38. Наноматериалы для медицины и биологии.
39. Микро- и наноэлектромеханические системы: создание сверхмалых копий известных макрообъектов; разработка принципиально новых образцов, не имеющих традиционных аналогов.
5. Список литературы
Список основной литературы
1 Неволин нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2005.-152 с.
2 . Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие.: г. Нижний Новгород. 2004г. 110c.
3 Щука .-М.: Физматкнига, 2007.-464 с
4 , . Физика низкоразмерных систем. Учебное пособие.: Екатеринбург. 2008, 232.
5 Нанотехнология в электронике. /Под ред. .-М: Техносфера, 2005.-448 с.
6 Нанотехнологии.-М.: Техносфера, 2004.-328 с.
7 Миронов сканирующей зондовой микроскопии.-М.: Техносфера, 2004.-144 с.
Материал для дополнительного чтения
1 Е., , Шалыгин явления в полупроводниковых квантово-размерных структурах.- Изд-во СПбГТУ, 2000.-156 с.
2 Микроструктуры новых функциональных материалов (под ред. Акад. ), в.1. Наноструктурированные материалы. М., ФНМ МГУ, 2006.
3 Эдельман сканирующей туннельной и силовой микроскопии. Приборы и техника эксперимента, №1. 1991. С 24-42.
4 Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века.-М.: Техносфера, 2003.-336 с.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цели и задачи дисциплины………………………………………………….. | 3 |
2. Система оценки знаний студентов………………………………………….. | 3 |
3. Содержание дисциплины, распределение часов по видам занятий………. | 4 |
4. Содержание лекционных занятий…………………………………………... | 5 |
5. Содержание практических занятий ………………………………………… | 6 |
6. Содержание СРДП…………………………………………………………… | 7 |
7. Содержание СРД……………………………………………………………... | 8 |
8. График проведения занятий…………………………………………………. | 10 |
9. Перечень экзаменационных вопросов по пройденному курсу……… | 11 |
10. Список основной и дополнительной литературы………………………… | 13 |
