7. Прямой и обратный пьезоэффект. Понятие пьезоэлектрического эффекта на примере кварца и принцип действия пьезоэлектрического двигателя.

Прямой эффект - появление под действием внешней силы на поверхности некоторых кристаллов электрических зарядов. Обратный эффект - те же кристаллы под действием электрического поля испытывают сжатие.

Свойствами пьезоэлектриков обладают более чем 1500 веществ. Модельное рассмотрение возникновения пьезоэлектрического эффекта можно сделать на примере кристаллов кварца. Благодаря своим свойствам (высокая механическая прочность, сохранение упругих свойств при больших механических напряжениях, высокой диэлектрической проницаемости) кварц является важнейшим пьезоэлектрическим кристаллом, нашедшим широкое научно-техническое применение. Кварц (химическая формула SiO2) при обычных температурах и давлениях встречается в так называемой a-модификации, относящейся к тригональной системе симметрии. Его кристаллическая решетка состоит из положительных ионов кремния и отрицательных ионов кислорода. В структуре кристалла каждый ион кремния тетраэдрически окружен четырьмя ионами кислорода, и каждый кислород связывает два иона кремния.

Модель кристаллической ячейки может быть представлена схемой рис. 1, a. Обозначения: 1, 2, 3 - ионы кремния; 4, 5, 6 - удвоенные ионы кислорода; Х1, Х2, Х3 - оси симметрии. Если подвергнуть такую ячейку сжатию вдоль полярной оси х1 (рис. 1, b), то ион кремния 3 и ион кислорода 4 вклинятся между окружающими их боковыми ионами. В результате на плоскости А пластинки кварца появятся отрицательный, а на плоскости В - положительный заряды (продольный пьезоэлектрический эффект). При сжатии в боковом направлении (рис. 1, c) ионы кремния 1 и 2 получают одинаковые противоположно направленные смещения внутрь ячейки. Так же ведут себя ионы кислорода 5 и 6. При этом сохраняется симметрия ячейки относительно плоскости проходящей посредине между плоскостями С и D, и на этих плоскостях не возникает никаких зарядов. Однако ион кремния 3 и ион кислорода 4 смещаются наружу, благодаря чему на плоскости А появляются положительный, а на плоскости В - отрицательный заряды (поперечный пьезоэлектрический эффект). Таким образом знаки зарядов в продольном и поперечном эффектах противоположны. Из рассмотренной модели следует, что замена сжатия растяжением приводит к изменению знаков электрических зарядов, и что поляризация (величина наведенного дипольного момента) пропорциональна деформации кристалла (когда деформации малы). При справедливости действия закона Гука это означает, что поляризация кристалла при пьезоэлектрическом эффекте должна быть пропорциональна также приложенной силе (напряжению). Пьезоэлектрическими микродвигателями (ПМД) называются двигатели, в которых механическое перемещение ротора осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта. Пьезоэлектрические двигатели основаны на применении одного из многих известных конструктивных принципов реализации процесса преобразования электрической энергии в механическую, по которому накоплен опыт теоретических и экспериментальных исследований, достаточный для промышленного освоения и серийного производства, для внедрения в технику. Статор двигателя содержит пьезокерамическое кольцо, на котором укреплены толкатели, упирающиеся на внутреннюю поверхность ротора, выполненного в виде цилиндрической чашки, закрепленной на валу. На торцевые поверхности пьезокерамического кольца нанесены электроды, подключаемые к генератору ультразвуковых колебаний. Частота генератора соответствует одной из частот собственных механических колебаний пьезокерамического кольца в радиальном направлении. Процесс преобразования колебаний пьезокерамического кольца в поступательное (вращательное) движение ротора (механическое детектирование) осуществляется следующим образом:

• при включении генератора механические колебания пьезокерамического кольца через толкатели передаются на ротор;

• в области фрикционного контакта толкателей с ротором векторы сил, передаваемых толкателями, раскладываются на составляющие — составляющую вдоль радиуса ротора и составляющую, направленную по касательной к окружности ротора;

• последняя составляющая приводит ротор во вращательное движение, скорость вращения ротора при этом пропорциональна амплитуде механических колебаний кольца.

8 Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — ScanningProbeMicroscope) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателемпросвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. Отличительной СЗМ особенностью является наличие:

• зонда,

• системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,

• регистрирующей системы.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образец. 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.

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:

• Сканирующий атомно-силовой микроскоп

• Сканирующий туннельный микроскоп

Создание туннельного микроскопа положило начало целой области исследований —сканирующей зондовой микроскопии.

Однако все методы построения сканирующих микроскопов подразумевали измерение какого-либо неоптического параметра поверхности образца. Оптические же микроскопы были ограничены дифракционным пределом. Использование оптических ближнепольных зондов расширило возможности сканирующей зондовой микроскопии.

• Ближнепольный оптический микроскоп

Создание туннельного микроскопа положило начало целой области исследований —сканирующей зондовой микроскопии.

Однако все методы построения сканирующих микроскопов подразумевали измерение какого-либо неоптического параметра поверхности образца. Оптические же микроскопы были ограничены дифракционным пределом. Использование оптических ближнепольных зондов расширило возможности сканирующей зондовой микроскопии.

9. Основные компоненты силовой туннельной микроскопии (СТМ) и их назначение. Принцип работы СТМ на примере туннельного контакта двух проводников. Устройство и принцип действия туннельного сенсора. Режим постоянного тока и постоянной высоты.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — 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.

В конструкцию СТМ входят зонд, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений.

Принцип работы: Зонд подводят по вертикали (ось Z) к поверхности образца до появления туннельного тока. Затем перемещают зонд над поверхностью по осям X, Y (сканирование), поддерживая ток постоянным посредством перемещения иглы зонда по нормали к поверхности. При сканировании зонд остаётся на одном и том же расстоянии L от поверхности образца. Вертикальное перемещение зонда для сохранения расстояния L прямо отражает рельеф поверхности образца.

При работе СТМ расстояние между объектом и зондом L   0,3…1 нм, поэтому вероятность нахождения между ними молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях очень мала, т.е. протекание туннельного тока происходит в “вакууме”. Окружающая среда влияет только на чистоту исследуемой поверхности, определяя химический состав адсорбционных слоёв и окисление её активными газами атмосферы. Отсюда вытекает важный для практического применения принцип работы СТМ: для работы сканирующего туннельного микроскопа вовсе не требуется высокий вакуум, как для электронных микроскопов других типов.

Г лавной частью микроскопа является сенсор с высоким пространственным разрешением, он измеряет ток, протекающий между металлическим острием и образцом.  Эти сенсоры обычно позволяют измерять расстояния с точностью 0,01 нм. Туннельный сенсор измеряет ток, протекающий между металлическим острием и образцом.  

Режимы постоянного тока и постоянной высоты.  Альтернативный метод регистрации, применимый при исследовании малых достаточно плоских участков - работа в режиме с очень большой постоянной времени цепи обратной связи, так что при сканировании поддерживается среднее расстояние острие – образец и регистрируются быстрые изменения туннельного тока («токовое изображение»). Этот способ позволяет максимально использовать быстродействие системы регистрации и получать изображения «в режиме настоящего времени».

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты. Зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности.

10 РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ - зависимость физ. характеристик твёрдого тела от его размеров и формы, когда один из его геом. размеров, напр. толщина d пластины, порядка (или меньше) длины волны де Брой-ля, либо длины свободного пробега l квазичастиц, реализующих энергетич. спектр твёрдого тела (электронов проводимости, фононов, магнонов и др.), или др. макроскопич. параметров, характеризующих движение квазичастиц (классический Р. э.).

Размерный эффект – это сокращение длины свободного пробега электронов вследствие отражения их от поверхности образца

В случае, если толщина пленка , поверхностное рассеяние электронов велико и её удельное электросопротивление значительно больше, чем у массивного металла – такие пленки называют тонкими

Увеличение толщины . Приближает материал к свойствам массивного – толстые пленки

Все размерные эффекты можно качественно разделитьна два типа:

«слабые» размерные эффекты (I рода),обусловленные вкладом поверхности без существенного изменения свойств вещества;

«сильные» эффекты (размерные эффекты II рода), в результате которых изменяются все фундаментальные характеристики вещества. Эти эффекты наблюдаются исключительно в наносистемах;

Размерные эффекты в гетерогенных системах при определенных условиях термодинамически стабильны; они обладают уникальными свойствами; эти свойства можно контролировать изменением состояния поверхности гетерогенного допанта. В результате размерных эффектов у веществ появляются новые ценные качества. Обычно размерные эффекты наблюдаются в материалах и системах, состоящих из частиц размером менее 100 нм. Такие материалы называют наноматериалами.

Классические характерные величины Отношение объема поверхностного слоя к объему

Средняя длина свободного пробега