Наноматериалы для радиоэлектронных средств. Ч. 1. Подготовка сканирующего туннельного микроскопа к диагностике и модификации наноматериалов (96

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

К.В. Малышев, Е.А. Скороходов, В.М. Башков

НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Часть 1

ПОДГОТОВКА СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА К ДИАГНОСТИКЕ И МОДИФИКАЦИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Наноматериалы для радиоэлектронных средств»

М о с к в а Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2 0 0 7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее издание методических указаний соответствует учебной программе курса «Наноматериалы для радиоэлектронных средств».

При выполнении цикла лабораторных работ студенты должны закрепить теоретические сведения о способах исследования и модификации электрических и механических свойств наноматериалов с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Все работы выполняются на зондовом наносборщике на основе лабораторного СТМ. Экспериментальные исследования основных характеристик наноматериалов позволят студентам глубже уяснить специфику применения и создания наноматериалов для радиоэлектронных средств (РЭС).

По каждой лабораторной работе студент должен подготовить отчет, в котором следует привести результаты измерений, осциллограммы, применяемые структурные и принципиальные схемы, оценки точности измеряемых величин.

После предварительной подготовки и при наличии конспекта проработанного подготовительного материала студент получает допуск преподавателя к выполнению лабораторной работы. Контрольные вопросы в конце каждой работы помогут студенту подготовиться к защите, которая осуществляется непосредственно на лабораторном оборудовании.

3

Работа № 1. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДУСИЛИТЕЛЯ СТМ

Цель работы — изучение методики экспериментального измерения малых токов звуковых частот в наноматериалах с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и закрепление теоретических знаний о переносе заряда в наноматериалах.

1.1. Теоретическая часть

Для исследования процессов переноса заряда в наноматериалах можно применять СТМ. Действие СТМ основано на измерении малых (около 1 нА) токов I, протекающих через нанометровый зазор Z (порядка 1 нм) между зондом (иглой) и подложкой (рис. 1.1), при напряжении «игла — подложка» U порядка 1 В. Исследуемый или модифицируемый наноматериал наносят на проводящую подложку в виде нанослоя или наночастиц.

Ток I(Z) между иглой и подложкой экспоненциально сильно зависит от размера зазора Z:

Значение коэффициента α в этой формуле таково, что при увеличении Z на 0,1 нм ток I(Z) падает в 10 раз. По этой причине, перемещая зонд вдоль подложки при одновременном измерении тока между ними, можно различать неоднородности токопереноса размером d < 0,1 нм вдоль поверхности подложки. Для измерения тока I(Z) порядка 1 нА применяют предварительный усилитель (предусилитель), преобразующий ток в напряжение (обозначен I → U на рис. 1.1). Ток I выходит из источника напряжения U, проходит через иглу, наноматериал, подложку, предусилитель и по общему

4

Двигатель

ПЭВМ

Рис. 1.1

проводу зазамления возвращается к источнику напряжения U. На выходе предусилителя создается напряжение U = k I, пропорциональное втекающему току I. Далее это напряжение поступает через интерфейс в компьютер (ПЭВМ) для обработки.

Для идеального предусилителя пропорциональность между выходным напряжением U и входным током I должна сохраняться при любой форме измеряемого тока I(t) (рис. 1.2). Для удобства дальнейшей обработки измеренного тока порядка 1 нА выходное напряжение U предусилителя составляет примерно 1 В. Поэтому коэффициент k преобразования тока I в напряжение k = U / I равен примерно 109 В/А, т. е. имеет физический смысл эффективного сопротивления 1 ГОм.

I U

U= kI ≈ 1 В

t t

Предусилитель

I(t) k ≈ 109 В/А = 1 ГОм U(t)

Рис. 1.2

5

Чем быстрее изменяется входной ток, тем сильнее сказывается влияние паразитных емкостей в предусилителе. Поэтому на высоких частотах требуемая пропорциональность нарушается. Чтобы узнать, на какой частоте это происходит, нужно измерить ампли- тудно-частотную характеристику (АЧХ) предусилителя. Для этого на вход предусилителя (рис. 1.3) подают гармонический ток I(t) = = I0cos(2πft) заданной частоты f и амплитуды I0, а на выходе с помощью осциллографа и ПЭВМ измеряют амплитуду U0 гармонического напряжения U(t) = U0cos(2πft). Эти измерения проводят для нескольких значений частоты f входного тока и следят за постепенным уменьшением выходной амплитуды U0, пока она не станет меньше шумового напряжения ∆U.

По осциллограммам напряжения U(t) на выходе предусилителя определяют также погрешности измерения тока и всевозможные источники шумов ∆U при малых уровнях полезного выходного сигнала U (рис. 1.4). Кроме случайного шумового размытия наблюдаются систематический сдвиг нуля, отклонение выходной частоты f от заданной и паразитная генерация на частотах, много больших, чем заданная f. При измерении АЧХ следует определить все источники таких погрешностей. Необходимость уменьшения погрешностей часто возникает при настройке СТМ для модификации или диагностики наноматериала.

В результате измерения значений U0 при разных значениях частоты f получают АЧХ в виде кривой, проведенной через экспериментальные точки. Типичная АЧХ предусилителя приведена на рис. 1.5. На графике указывают погрешности измерений величин в виде «усов». Если погрешность (длина «усов») меньше размера точки на графике, это отмечают в пояснении к графику. График

6

f0

Рис. 1.5

АЧХ изображают в двойном логарифмическом масштабе, чтобы охватить несколько порядков величин частоты и напряжения. Экспериментальные точки располагают особенно густо в окрестности начала спада АЧХ (около частоты f0) и на частотах, где полезный сигнал U сравнивается с уровнем шумов (Uшум).

Для преобразования малого тока в напряжение c помощью операционных усилителей (ОУ) применяют схемы двух типов: с умножением сопротивления (рис. 1.6, а) и с последовательным усилением (рис. 1.6, б).

Емкость CI равна примерно 5 пФ во всех схемах с ОУ, где применяются большие (порядка 10 МОм) сопротивления в цепи обрат-

7

ной связи. Она нужна для предотвращения самовозбуждения ОУ, приводящего к генерации на частотах порядка 1 МГц. По этой же причине обязательно наличие конденсаторов большой емкости (порядка 1 мкФ) между выводами питания и заземления. Эти конденсаторы долдны располагаться как можно ближе к микросхеме ОУ.

Схема с умножением сопротивления проще, но у нее есть недостаток — сильное влияние паразитной емкости Спар между входом и выходом ОУ, как показано пунктиром на рис. 1.6, а. Из-за этой емкости трудно поднять граничную частоту f0 предусилителя выше примерно 1 кГц при изготовлении предусилителя из навесных элементов.

Схема с последовательным усилением (см. рис. 1.6, б) сложнее, но обеспечивает граничную частоту f0 предусилителя выше 10 кГц. Сначала входной ток преобразуется в напряжение малой величины (порядка 1 мВ), а затем усиливается до требуемого значения порядка 1 В. Для такого усиления (примерно в 1000 раз) применяют двухкаскадную схему (рис. 1.7). Это усиление можно получить и на одном каскаде, но тогда граничная частота будет определяться емкостью ОУ и составит примерно 1 кГц.

Для подачи на вход предусилителя гармонического тока заданной частоты применяют источник тока Iтун, который моделирует туннельный ток между иглой и подложкой (см. рис. 1.1), и звуковой генератор. Их соединяют коаксиальным кабелем и калибруют (рис. 1.8). Для этого с помощью осциллографа измеряют частоту и амплитуду напряжения на выходе звукового генератора ГЗ и на выходе делителя в источнике тока Iтун. Источник Iтун назван туннельным потому, что он играет роль, аналогичную туннельному зазору между иглой и подложкой на рис. 1.1.

Рис. 1.7

8

2Uг

t

Рис. 1.8

Источник тока Iтун построен на основе делителя напряжения

(рис. 1.9). На выходе делителя получают напряжение с амплитудой около 1 мВ, которое затем поступает на большое сопротивление (около 5 МОм) Rтун, играющее роль сопротивления туннельного зазора между иглой и подложкой. Здесь используется тот факт, что ток с выхода источника Iтун далее поступает на инвертирующий вход ОУ в схеме предусилителя (см. рис. 1.6, б). Неинвертирующий вход этого ОУ подключен к земле. По основному свойству ОУ потенциалы на его входах всегда одинаковы благодаря действию обратной связи. Поэтому выход источника тока Iтун оказывается всегда соединенным с точкой, имеющей потенциал земли, как показано пунктиром на рис. 1.9.

Рис. 1.9

9

1.2.Расчетная часть

•Рассчитать значения сопротивлений RI (см. рис. 1.6, б), R1 и R2 (см. рис. 1.7) в схеме предусилителя при наличии следующих

требований:

1) микросхемы ОУ имеют частоту единичного усиления 106 Гц

илинейно (в двойном логарифмическом масштабе) спадающую АЧХ с наклоном 20 дБ/дек, начиная с частоты 1 Гц;

2) измеряемый ток 100 пА на входе предусилителя должен быть преобразован в напряжение 1 В на его выходе;

3) ток должен измеряться без искажений на частотах не ниже f0 = 10 кГц (частота среза, где амплитуда падает в 21/2 = 1,4 раза).

•Оценить влияние емкости CI в схеме предусилителя на его частоту среза f0.

•Оценить требования к быстродействию интерфейса ПЭВМ для обработки измеренного тока с заданной частотной характеристикой.

1.3.Экспериментальная часть

•Разработать функциональную схему измерения АЧХ предусилителя и собрать ее под руководством преподавателя.

•Провести калибровку генератора ГЗ с помощью осциллографа. Для этого:

1) перед включением осциллографа нажать кнопку «Авт» («Развертка»), установить переключатель «Вольт/Дел» в положение «10», переключатель «Время/Дел» — в положение «10» на левой полу-

круглой шкале «мs», ручку «Уровень» («Синхронизация») — в среднее положение, переключатель «≈»/« »/«~» — в положение «≈» (измерение и переменного, и постоянного уровней сигнала);

2)включить питание осциллографа кнопкой «Вкл», при этом загорится лампочка «Сеть» над кнопкой;

3)перед включением генератора ГЗ установить переключатель питания в положение «Выкл», переключатели «Частота» — в положения «0», «0», «0», «1», «кГц». Ручки «Напряжение», «V» и «дБ» установить в положения «0», «0», «0». Отсоединить коакси-

альный кабель с выхода «О→1»;

10