Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Тюриков Александр Валерьевич. Электрофизические основы контроля изображений наноструктуры поверхности в сканирующем туннельном микроскопе для изучения кластерных материалов : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 05.11.14, 05.11.13 : Ижевск, 2004 174 c. РГБ ОД, 61:05-1/439

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ .. 6

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ НАПРАВЛЕНИЙ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ КЛАСТЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ 12

  1. Краткий обзор истории, основных принципов и методик СКАНИРУЮЩЕЙ зондовой микроскопии 12

  2. Анализ строения и состава кластерных материалов 19

  3. Обзор методов моделирования поверхностных явлений 20

  4. Анализ существующих методик подготовки и моделирования стм-исследований 24

  5. Обзор методов создания зондирующих острий СТМ 31

1.6. Выводы И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 33

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СТМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ... 34

  1. электрофизическая интерпретация параметров наноструктуры поверхности в сканирующем туннельном микроскопе ; 34

  2. основы методов расчета электронной структуры 37

  3. полуэмпирические методы вычислений плотности состояний и энергетических спектров 39

  4. Использование, первопришщпных методов расчета электронной структуры 48

  5. Первогошпхипные расчеты теоретических СТМ-ИЗОВРАЖЕНИЙ кластеров металлов, адсорбированных на поверхности гшролитического графита 55

  6. Анализ ошибок вычислений электронной структуры и теоретических стм-изображений 63

2.6.1. Точность метода Хартри-Фока..... 63

  1. Ошибка, определяемая использованием неполных базисных наборов . 68

  2. Погрешность, обусловленная видом начального предположения в методе Хартри-Фока 69

  3. Суммарная оценка ошибок расчета электронной структуры методом Хартри-Фока .....69

2.7. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 72

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСТРИЯ И СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ
АТОМАРНОГО ЗАОСТРЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ ДЛЯ
УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ 75

  1. Факторы, влияющие на качество СТМ-изображений 75

  2. Сравнительной анализ моделей игл для теоретических CTM-исследований 76

  3. Формирование моноатомного острия измерительной иглы 78

  1. Модель системы для расчета электрического поля в процессе полевого испарения „ 83

  2. Адаптация конечно-разностной сетки к условиям задачи.... 85

  3. Дискретный аналог уравнений в частных производных для двухмерной задачи , 86

  4. Моделирование и расчет электростатического поля в межэлектродном пространстве 89

  1. Обзор вопросов применения эмиссионного тока для оценки качества атомарной заточки зондирующего острия 92

  2. Выводы по главе 3,. * 98

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ТУННЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ
КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 100

4.1, Анализ приближений для расчета туннельного тока 100

  1. Приближение Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна 101

  2. Методика расчета туннельных спектров в приближении Бардина-Терсоффа-Хаманна 110

4.2. Численные исследования туннельных спектров
ультрадисперсных частиц кластерных материалов 113

4.3. Анализ ошибок расчета туннельных спектров,
обусловленных использованием теории БТХ - 120

4.3.1. Оценка адекватности модели БТХ 125

* 4.3.2. Оценка погрешности использования численных методов

интегрирования і 130

4.4. Выводы по главе 4 , 134

ГЛАВА 5. ПРОГРАММНО-АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ
ПОСТРОЕНИЯ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СТМ-
ИЗОБРАЖЕНИЙ. 135

5.1. Особенности аппаратурных средств СТМ для повышения
достоверности измерительной информации при изучении

щ ультрадисперсньгх частиц кластерных материалов 135

5.2. Программное обеспечение СТМ для изучения УДЧ КМ 138

5.3. Программные средства для работы с теоретическими СТМ-
изображениями 142

5.3.1. Подсистема построения и обработки теоретических СТМ-

изображеыий 142

5.3.2. Модуль совмещения теоретических СТМ-изображений 143

5.4 Сравнение теоретических изображений с экспериментальными
данными 152

5.5. Выводы по главе 5 , 156

* ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 159

ПРИЛОЖЕНИЕ 172

*

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И

ОБОЗНАЧЕНИЙ

СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия

СТС - сканирующая туннельная спектроскопия

АСМ - атомно-силовая микроскопия

СТМ - сканирующий туннельный микроскоп '

ПИМ - полевой ионный микроскоп

РЭМ - растровый электронный микроскоп

ПБ - потенциальный барьер

КМ - кластерные материалы

ПР - пространственное разрешение-

АЭМ — автоэлектронный микроскоп

УДЧ - ультрадисперсные частицы

ВКБ-приближение - приближение Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна

БТХ-приближение - приближение Бардина-Терсоффа-Хаманна

МО - молекулярная орбиталь

ЛЛПВ - линейная присоединенная плоская волна

ЛКАО - линейная комбинация атомных орбиталей

RHF - restricted Hartree-Fock - ограниченный метод Хартри-Фока

UHF- unrestricted Hartree-Fock - неограниченный метод Хартри-Фока

ПО — программное обеспечение

МИЛ - массово-инерционный привод сближения

ІШ - программный пакет

БПФ - быстрое преобразование Фурье

ПСВ - подсистема визуализации

ВАХ - вольтамперная характеристика

HOPG - highly oriented pyrolitic graphite (высоко ориентированный лироли-

тический графит)

ИИЛС - индуцированные иглой локализованные состояния

Введение к работе:

Объектом исследования является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для изучения кластерных материалов (КМ), включающий зондирующее острие (30) измерительной головки для бесконтактного исследования наноструктуры поверхности образцов и технические средства для выделения, обработки и визуализации измерительной информации.

Предметом исследования являются модели наноструктуры поверхности, методики получения и обработки СТМ-изображений, пакет квантово-химических расчетов GAMESS, программно-аппаратурное обеспечение СТМ.

Актуальность темы связана с необходимостью более точного определения геометрических параметров моноядерных и малых ультрадисперсных частиц (УДЧ) КМ при исследованиях в области сканирующей туннельной микроскопии.

Туннельный ток, измеряемый СТМ, является электрофизическим параметром, имеющим принципиально квантовый смысл. Ток электронов через потенциальный барьер между двумя проводниками, обусловлен их корпускулярно-волновой природой, а также разностью уровней Ферми двух электродов. 30 СТМ (в идеальном случае являющееся атомарно острым) сканирует поверхность и регистрирует изменения высоты микрорельефа образца (топографический режим) или обеспечивает контроль зависимости тока от приложенного напряжения (спектроскопический режим). И в том, и в другом случае результат определяется электронно-квантовым строением как исследуемой поверхности, так и 30 СТМ. При известной электронной структуре 30 нанотопография образца определяется областью локализации электронных состояний поверхности, участвующих в электрофизическом процессе туннелирования. Зависимость туннельного тока от напряжения формируется электронными состояниями, подключающимися к туннелированию при увеличении разности уровней Ферми. Эта информация является исключительно важной при производстве и изучении геометрических, магнитных, каталитических и др. свойств УДЧ КМ; кроме того, она может быть использована для контроля чистоты материалов, применяемых при производстве приборов и их элементной базы.

Таким образом, разработка и исследование электрофизических основ контроля изображений наноструктуры поверхности УДЧ КМ (построенных на основе уже доказавших свою применимость методов численных расчетов электронной структуры) является актуальной задачей. Для ее решения необходимы исследование и анализ наиболее распространенных способов теоретического расчета электронного строения поверхности, создание программных средств, позволяющих применить численные методы для целей увеличения информативности СТМ-эксперимента.

Целью работы является разработка и научное обоснование физико-математических, алгоритмических, программных и методических средств для построения теоретических изображений наноструктуры поверхности образцов, а также программно-аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения КМ, внедрение которых имеет существенное значение для создания новых перспективных кластерных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов расчета электронной структуры

поверхности образцов и туннельного тока;

разработать модель нанотопографии поверхности СТМ-образцов, создать методику вычисления их туннельных спектров;

рассчитать СТМ-изображения и туннельные спектры для ряда наиболее используемых УДЧ КМ, определить погрешность расчетов;

создать методику атомного заострения зондирующих острий для сближения результатов моделирования и экспериментальных данных;

разработать программно-аппаратурные средства, позволяющие на основе численных расчетов поверхностной электронной структуры и туннельных спектров УДЧ КМ, а также улучшения метрологических характеристик СТМ, обеспечивать более достоверную интерпретацию результатов экспериментальных данных.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические исследования и экспериментальную проверку полученных результатов. Работа выполнялась с применением математического и физического моделирования, в теоретических исследованиях использовались: методы расчета атом-но-электронной структуры поверхности, численные методы, теоретические основы информатики и программирования, методы обработки графической информации. В экспериментальных исследованиях применялись: теория измерений электрических и механических величин, статистические методы обработки результатов исследований, теория точности измерительных систем.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах:

выполнены обоснование, выбор и анализ расчетной физико-математической модели для электронной структуры поверхности и тока туннельных переходов;

проведены численные электрофизические исследования туннельных токов системы измерительная игла - подложка;

получен ряд теоретических СТМ-изображений для контроля экспериментальных изображений наноструктуры поверхности УДЧ, наиболее часто используемых в областях каталитической химии, физикохимии ультрадисперсных систем, материаловедения, а также применяемых при производстве приборов и их элементной базы;

дан анализ погрешностей численных исследований ультрадисперсных частиц;

обоснован способ атомарного заострения 30 СТМ с помощью процесса полевого испарения для улучшения экспериментальных СТМ-изображений;

предложена методика контроля заострения 30 туннельного микроскопа в процессе полевого испарения путем регистрации зависимости эмиссионного тока от радиуса кривизны острия;

разработаны алгоритмы совмещения теоретических и экспериментальных СТМ-изображений с использованием метода наименьших квадратов;

создан программно-методический комплекс для построения и визуализации теоретических СТМ-изображений в программном пакете STM-W3.

Практическая ценность и внедрение результатов работы Проведенные исследования позволили решить задачу более достоверной интерпретации СТМ-исследований УДЧ КМ.

Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР, проводимых ИПМ УрО РАН:

«Разработка программно-аппаратных средств и методика изучения КМ на базе СТМ», выполненная в рамках постановления ГКНТ №811 от 28.8.90 (1990-2000г.);

«Исследование закономерностей формирования кластеров и мезокомпози-тов»(2000-2005г.).

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании программно-аппаратурных средств для построения, обработки и визуализации теоретических и экспериментальных СТМ-изображений УДЧ КМ, а также в учебном процессе ИжГТУ.

Апробация и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 2001), международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002), международной конференции «Синер-гетические системы» (Улан-Удэ, 2002), научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2003), двух международных конференциях «Зондовая микроскопия-2003,2004» (Нижний Новгород).

Основной материал диссертации отражен в18 научных трудах, включая два патента на изобретения, а также патент и положительное решение о выдаче патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 172 наименований и приложения. Работа содержит 174 стр. машинописного текста, включая 65 рис., 4 табл. и приложение.

Подобные работы
Кизнерцев Станислав Рафаилович
Разработка и исследование технологического и аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения кластерных материалов
Черных Сергей Петрович
Разработка технологии послеростовой обработки приборов на основе широкозонных полупроводниковых материалов
Алиакберов Рамиль Джавидович
Широкополосные спектроделители на основе широкозонных полупроводниковых материалов
Дронов Алексей Николаевич
Технологическое обеспечение качества пьезоэлектрических преобразователей на основе применения разрабатываемых функционально-композиционных материалов
Гуляев Павел Валентинович
Разработка и исследование пьезоэлектрических устройств и методов управления ими в сканирующем туннельном микроскопе для изучения кластерных материалов
Гудцов Денис Вячеславович
Разработка и исследование интеллектуального цифрового туннельного микроскопа для изучения кластерных материалов
Авдеев Виктор Петрович
Научные и инженерные основы метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля
Матросов Александр Евгеньевич
Повышение точности автоматизированного неразрушающего контроля физико-механических свойств пористых материалов на основе выявления взаимосвязей между их параметрами и пористостью
Крапивин Александр Михайлович
Автоматизированный контроль и управление уровнем жидких и сыпучих материалов на основе диэлькометрического метода измерения
Куличенко Анатолий Васильевич
Разработка моделей и экспериментальных методов изучения воздухопроницаемости текстильных материалов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net