Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) — вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1—1000 пА при расстояниях около 1 Е. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов, атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический были разработаны позднее.
В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности.
Таким образом сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:
- зонд (иглу),
- систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
- регистрирующую систему.
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор. Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/смІ), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.
Рисунок 1 - Схема работы сканирующего туннельного микроскопа.
Вопросы для самоконтроля
1 Какие микроскопы вы знаете?
2 Как устроен сканирующий туннельный микроскоп?
3 Принцип работы СТМ.
Рекомендуемые источники
Основные
, Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [, Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.
Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.
, Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Дополнительные
, тр., с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.
Лекция 6
(1 час; 7 неделя)
Тема. Атомная инженерия.
Вопросы
1 История развития атомной инженерии.
2 Тенденции и развитие.
В конце тысячелетия, когда общество все дальше продвигается по пути техногенного развития, развиваются уже существующие и зарождаются новые производственные отрасли, когда «высокие технологии» вошли практически в каждый современный дом, и многие люди не могут представить жизни без них, мы более отчетливо видим, неограниченность человеческих потребностей. Чем больше человечество создает, тем большем оно потребляет. В том числе такого важного ресурса, как энергии.
Человечество с древних времен искало новые источники энергии. К середине XX столетия были освоены почти все ее природные источник, причем использование их в промышленных масштабах привело к значительному загрязнению отходами производства окружающей среды, особенно в крупных, промышленно развитых городах.
Овладение же ядерной энергией – величайшее, ни с чем не соизмеримое достижение науки и техники XX в. Высвобождение внутриядерной энергии атома, проникновение в природные кладовые тайн вещества, атома превосходит все, что когда-либо ранее удавалось сделать людям. Новый источник энергии огромной мощности сулил богатейшие неоценимые возможности.
Для открытия такого вида энергии, как внутриядерная энергия атома, понадобились долгие годы упорной и самоотверженной работы ученых многих поколений и разных стран. Высвобождение внутриядерной энергии атома потребовало такого уровня развития науки, такого научно-технического оборудования, таких аппаратуры, химических материалов, такой высокой культуры и техники производства, которые смогли сложиться в мире только к середине XX столетия. Однако человечество должно было пройти долгий путь поисков, преодолеть множество препятствий, отвергнуть прежние представления о природе вещей.
Итак, к концу XX века человечество в полной мере освоило использование запасов энергии атомных ядер урана-235. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана, хватит лишь на 50–60 лет.
Безусловно существует возможность использования, в целях получения энергии, природного газа, угля и нефти. Но такой путь развития энергетики неприемлем. Причин множество: это и экологическая проблема – заражение окружающей среды токсичными химическими продуктами сгорания органического топлива, создание парникового эффекта, и постоянной возрастающей ценой на органическое топливо. В случае с нефтью и газом, можно сказать, что их использование в качестве источника энергии по меньшей мере неразумно. Здесь возникает проблема: из какого материала и какими методами, в будущем человечество должно получать энергию? На сегодня существует несколько основных концепций решения проблемы:
1. Расширение сети станций на урановом топливе.
2. Переход к использованию в качестве ядерного топлива тория-232, который в природе более распространен, нежели уран.
3. Переход к атомным реакторам на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное топливо, которое могло бы обеспечить воспроизводство ядерного топлива более, чем на 3000 лет, в настоящее время является сложной инженерной проблемой и несет в себе огромную экологическую опасность, в связи с чем испытывает серьезное противодействие со стороны мировой экологической общественности, по причине чего имеет низкую перспективу на внедрение
4. Освоение термоядерных реакций. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах. Сейчас перед наукой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива.
В настоящее время наиболее разумным представляется следующая схема развития энергетики: расширение сети урановых и уран-ториевых атомных станций в период решения проблемы управления термоядерной реакцией.
Вопросы для самоконтроля
1 Как развивалась атомная инженерия в послевоенные годы?
2 Какая схема развития энергетики представляется на сегодняшний день?
Рекомендуемые источники
Основные
, Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [, Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.
Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.
, Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Дополнительные
, тр., с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.
Лекция 7
(2 часа; 8, 9 недели)
Тема. Зондовые методы формирования наноструктур.
Вопросы
1 Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности.
2 Сканирующие зондовые микроскопы
В современной науке сформировалась новая область - нанотехнология, представляющая собой междисциплинарное направление, простирающееся от молекулярной биологии и генной инженерии до физики поверхности твердого тела, электрохимии и микроэлектроники. Получены уникальные результаты по изучению структуры поверхностей, строения кластеров, природы каталитических центров, строения вирусов, полимеров, отдельных молекул.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
