Программа курса «Современные методы диагностики в наноматериалах. Часть 2» (стр. 5 )

2)  Разработать модель учета формы кончика зонда при сканировании для произвольной аналитически задаваемой формы кончика зонда и сферической частицы на поверхности.

3)  Применить полученные модели к экспериментальным данным, оценить вклад конволюции в измеряемые значения полуширин объектов и определить оптимальную форму зонда при расчетах.

4)  Теоретически определить силу электростатического взаимодействия зонда, смещенного потенциалом U и изолированной проводящей частицы.

5)  Учесть вклад кулоновского взаимодействия конуса зонда и балки кантилевера.

6)  Учесть колебания зонда при измерении в режиме ЭСМ.

7)  Провести сравнение полученной зависимости силы от напряжения с экспериментальными данными.

8)  Модернизировать модель и определить величину фазового контраста для каждой величины силы кулоновского взаимодействия.

Выводы

Выводы работы должны содержать:

1.  Выводы о соответствии измеренных параметров частиц и их распределения заявленным производителям, необходимости калибровки прибора.

2.  Выводы о влиянии времени выдержки подложки под коллоидным раствором золота на концентрацию частиц золота (при изготовлении нескольких образцов).

3.  Выводы о влиянии эффекта конволюции и определении истинных латеральных размеров объектов на поверхности.

4.  Выводы о природе и свойствах электростатического взаимодействия зонда и образца.

5.  Заключение о соответствии разработанной теоретической модели экспериментальным результатам.

6.  Предложения для дальнейшего развития работы.

При обработке результатов и разработке теоретических моделей существенную помощь может оказать прочтение некоторых глав книги [9].

Требования к отчету

Отчёт должен содержать:

1.  Титульный лист, содержащий:

а.  Название.

б.  Фамилии исполнителей.

в.  Фамилию руководителя.

г.  Название ВУЗа, факультета, кафедры, номер группы.

д.  Даты выполнения работы и сдачи отчёта.

2.  Цель работы.

3.  Задачи – этапы выполнения работы.

4.  Параметры/условия экспериментов с обоснованием.

5.  Результаты.

Результаты должны соответствовать задачам работы. В этом разделе могут приводиться графики и рисунки.

6.  Выводы.

Выводы должны соответствовать цели работы. В этом разделе приводятся результаты работы в краткой форме.

Отчёт должен быть сдан перед защитой работы в бумажном и электронном виде.

Важно! Кроме отчёта необходимо подготовить презентацию, рассчитанную на устный доклад в течение 10 минут.

Литература

1)  Technical notes for PELCO Atomic Force Microscopy Gold Calibration Kit – изготовление образцов Ted Pella.

2)  «Colloidal Gold Particles as an Incompressible Atomic Force Microscope Imaging Standard for Assessing the Compressibility of Biomolecules», James Vesenka, Srinivas Manne, Richard Giberson, Thomas Marsh and Eric Henderson, Biophysical Journal, Vol. 65, pp. 992-997 (1993).

3)  «Gold Nanoparticles on Modified Glass Surface as Height Calibration Standard for Atomic Force Microscopy Operating in Contact and Tapping Mode», Beatrice Bonanni and Salvatore Cannistraro, AZojono Journal of Nanotechnology online, http://www. /details. asp? ArticleID=1436.

4)  «Electric force microscopy of individually charged nanoparticles on conductors: An analytical model for quantitative charge imaging», T. Mélin, H. Diesinger, D. Deresmes, and D. Stiévenard, Phys. Rev. B, Vol. 69(3), 035321 (2004).

5)  «Algorithms for Scanned Probe Microscope Image Simulation, Surface Reconstruction, and Tip Estimation», J. S. Villarrubia, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 1997. V. 102. P. 425.

6)  «Tapping Mode Atomic Force Microscopy for Nanoparticle Sizing», Ebenstein Y., Nahum E., Banin U., Nano Letters, 2 (9), 945-50, 2002.

7)  «Height Anomalies in Tapping Mode Atomic Force Microscopy in Air Caused by Adhesion», Van Noort S. J.T., Van der Werf K. O., De Grooth B. G., Van Hulst N. F., Greve J., Ultramicroscopy, 69 (2), 117-27, 1997.

8)  «Field gradient imaging of nanoparticle systems: analysis of geometry and surface coating effect», J Pacifico, Y M van Leeuwen, M Spuch-Calvar, A Sánchez-Iglesias, L Rodríguez-Lorenzo, J Pérez-Juste, I Pastoriza-Santos, L M Liz-Marzán, Nanotechnology 20(9).

9)  «Основы сканирующей зондовой микроскопии», Учебное пособие для студентов старших курсов ВУЗов, , ИФМ РАН, 2004

Российская Академия наук

Учреждение Российской академии наук

Санкт-Петербургский Академический университет –
научно-образовательный центр нанотехнологий РАН

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по высшему образованию

д. ф.-м. н., чл.-корр. РАН

_____________________

Программа лабораторно-практической работы

«Исследование сверхрешеток CaF2-CdF2»

образовательной программы опережающей профессиональной подготовки (уровень – магистратура), ориентированной на потребности проектных компаний , реализующих инвестиционные проекты в области твердотельной светотехники

Кафедра Физики и технологии наногетероструктур

Санкт-Петербург

2011

Программа составлена:

Программа курса рассмотрена и утверждена на заседании Президиума Ученого совета СПб АУ НОЦНТ РАН, протокол № ПР-9/2011 от «14» апреля 2011 г.

Ректор СПб АУ НОЦНТ РАН академик РАН

Начальник учебного управления

Цель работы

Целью работы является изучение структурного совершенства, особенностей интерфейсов и механизмов люминесценции сверхрешеток CaF2:Eu - CdF2, выращенных на Si(111)

Задачи

·  Определить структурные параметры сверхрешеток:

- период повторения

- толщина структуры

- толщина покрывающего слоя (“сар” слоя)

- соотношение толщин слоев

- средняя деформация

- степень релаксации

- среднеквадратичная амплитуда шероховатости интерфейсов

- электронная плотность приповерхностных слоев

·  Изучить механизмы люминесценции:

- собственная люминесценция слоев CaF2 иCdF2

- переходы в ионах Eu2+ и Eu3+

·  Провести сравнительный анализ сверхрешеток с различным периодом.

Описание образцов

Сверхрешетки CaF2:Eu - CdF2, выращенные на подложке Si(111) со следующими технологическими данными:

• Длиннопериодная: (32+32 ml)x5

• Среднепериодная: (16+16 ml)x10

• Короткопериодные: (2+4 ml)x42, (3+3.5 ml)x40, (4+2 ml)x50

(ml – монослой). (Исследуемые образцы помимо СР содержат буферные и «cap»-слои, более подробно технологические данные приведены в приложении 1).

Методы исследования

·  Метод рентгеновской дифрактометрии.

·  Метод рентгеновской рефлектометрии.

·  Катодолюминесценция (КЛ).

·  Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).

Сверхрешетки на основе фторидов кальция и кадмия

Фториды кальция (CaF2) и кадмия (CdF2) являются широкозонными материалами с ширинами запрещенной зоны 12.1 eV и 8.0 eV соответственно и имеют одинаковую кубическую гранецентрированную структуру флюорита, которая близка к структуре, реализуемой в Si. Они прозрачны в широкой области оптического диапазона: от 0.2 мкм в ультрафиолетовой области до 12 мкм в инфракрасной, что в значительной мере определяет их широкое применение в технике.

Несмотря на сходство кристаллических структур фторидов кальция и кадмия их электронные свойства сильно отличаются. Так, в результате легирования некоторыми трехвалентными примесями фторид кадмия обнаруживает полупроводниковые свойства. При этом концентрация свободных электронов при комнатной температуре достигает 4×1018 см-3.

Противоположные знаки несоответствия параметров решеток по отношению к постоянной решетки кремния Si (0.6% для CaF2 и -0.8% для CdF2) обеспечивают возможность выращивания псевдоморфных сверхрешеток (СР) на Si подложках, т. к. напряжения, возникающие из-за этого несоответствия, в значительной мере компенсируются [1]. При этом наиболее подходящей ориентацией подложки является ориентация (111). Действительно, при данной ориентации подложки фториду навязывается направление роста [111], что, с учетом низкой свободной энергии плоскости (111) в решетке фторида, обосновывает тенденцию роста в виде слоев. Высокая энергия связи в этих фторидах обуславливает молекулярный характер их сублимации и позволяет, таким образом, существенно упростить технологические аспекты роста.

Оба фторида могут выступать в роли матрицы для внедрения редкоземельных примесей. При этом наблюдается эффективная люминесценция, в которой проявляются необычные нестационарные эффекты, представляющие интерес для создания систем записи оптической информации [2].

Рентгеновская дифрактометрия, рентгеновская рефлектометрия

На рисунке 1 приведены характерные кривые дифракции (образец 1879, 16х16 ml) в симметричной геометрии (111) и (222).

а)

б)

Рис.1. Кривые дифракции для образца 1879: а) плоскости (111) б) плоскости (222)

На кривых виден узкий интенсивный пик от подложки Si, пик среднего состава сверхрешетки (SL0), по положению которого можно определить соотношение толщин слоев, и несколько пиков – сателлитов, расположенных по обе стороны от пика среднего состава. Между сателлитами видны мелкие осцилляции, отвечающие толщине всей структуры.

Для расчета периода решетки для каждого сателлита считается выражение:

(1)

Здесь λ – длина волны рентгеновского излучения (в нашем случае Cu Kα1 линия, λ = 1.5405 А). График значений (1) для образца 1879 приведен на рисунке 2: