Задание 3

Обработка и анализ АСМ – изображения

Объект исследования – высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ). Имеет слоистую структуру, причем каждый из чередующихся слоев (0001) построен по одному и тому же закону из гексагональных ячеек, каждый слой смещен по отношению к двум соседним, точно повторяющим друг друга, на половину большой диагонали гексона. Внутри слоя действуют прочные ковалентные связи, между слоями – слабые Ван-дер-Ваальсовы связи. В элементарной ячейке графита содержатся четыре атома. Параметры решетки по осям расположенным в плоскости слоя и плоскости перпендикулярной плоскости слоя отличаются очень сильно: c-3.39A, a-1.42A, a=b/3^1/2 . Из графита легко изготовить образцы с атомарно-гладкими поверхностями путем расщепления монокристаллов по базисной плоскости (скотчем).

1. Получить АСМ изображение поверхности ВОПГ в режиме Online (или получить у преподавателя готовый файл).

2. Провести обработку изображения:

№ п/п	Процедура обработки изображения	Команда (меню Mathematics)	Кнопки
1	Усреднение по строкам	Adjust Scan/By Selection
2	Вычитание поверхности среднего наклона	Planefit
3	Вычитание поверхности среднего наклона второго порядка	Parabolic Fit
4	Усреднение	Average
5	Медианная фильтрация	Median

Список команд также появляется при нажатии правой кнопки мыши на изображении.

3. Построить гистограммы (команда HistogramменюOperations) после каждой процедуры обработки изображения.

4. Провести анализ изображения поверхности:

№ п/п	Процедура анализа изображения	Команда
1	Выделить характерный участок поверхности	Selection
2	Увеличить его в 2 или 4 раза	Linear Spline
3	Построить сечения	Section или Line Selection
4	Измерить характерные размеры	Distance или передвигая две пунктирные линии, находящиеся по краям окна сечения
5	Вычислить шероховатость поверхности	Roughness
6	Построить 3х-мерное изображение поверхности	Build 3D View

4. Сохранить полученные результаты (команда Edit\Copy).

5. Произвести отключение от сервера (команда Disconnect Client меню SPM)

7. Все результаты представить в отчете в электронном виде (файл MS Word).

Задание 4

Галерея АСМ-изображений.

Выберите одну из тем галереи АСМ - изображений (http://www.ntmdt.com):

Материаловедение

Полупроводники

Магнитные материалы

Просмотрите АСМ - изображения, выберите наиболее для Вас интересную тему.

Выберите АСМ - изображение. Опишите наблюдаемые объекты, определите характерные размеры.

Пример.

Выбираем тему Полупроводники. АСМ - изображение Квантовые точки.

1. Описание исследуемого образца с нанообъектами (микрообъектами). Квантовые точки InAs получены на InP подложке.

2. Метод получения (если известен).

3. Марка прибора, на котором получено изображение. ИНТЕГРА Вита производство Корпорации NT-MDT.

4. Режим сканирования (Mode). «Полуконтактный» метод.

5. Тип кантилевера. DLC.

6. Площадь сканирования 1 х 1 мкм²

7. Размах высот 15нм.

8. Характерный размер нанообъекта. Характерный размер квантовой точки порядка 60 нм х 80 нм. Высота порядка 10-15нм.

9. Дополнительные сведения, связанные с особенностями природы нанообъекта:

• Регулярность – квантовые точки расположены статистически нерегулярно.

• Топологическая симметрия – имеют правильную кристаллическую огранку, соответствующую InAs.

• И др.

10. Источник информации. Сайт http://www.ntmdt.com.

Образец предоставлен Pr. Mats-Erik Pistol. Изображение получено Sergey Lemeshko.

Структура отчета.

Цель работы.

1. Краткая теоретическая часть (принцип работы и устройство АСМ)– 1-2 страницы.

2. Практическая часть:

   1. Характеристика изучаемых объектов.

2.2. Марка прибора (модель, фирма производитель).

2.3. Получение АСМ - изображения (online - режим).

2.4. Режим сканирования (mode).

2.5. Результаты обработки и анализа изображения тестовой решетки: исходное и конечное изображение (указать, какие процедуры использованы при обработке), определение характерных размеров и сравнение их с номинальными размерами.

2.6. Результаты обработки и анализа изображения ВОПГ: исходное и конечное изображение (указать, какие процедуры использованы при обработке), определение характерных размеров.

3. Выберите из галереи АСМ-изображений нанообъектов тему и дайте описание выбранного объекта по схеме контрольного примера.

Литература

1. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии/ В.Л.Миронов.-Ниж. Нов.:,2004. -114 с.

2. Яминский И.В. Сканирующая зондовая микроскопия. Основные принципы, анализ искажающих эффектов/ И.В.Яминский, М.О.Галлямов//

3. Интернет-сайт компании «НТ-МДТ»: http://www.ntmdt.com

Основные определения и понятия:

Сканирующая зондовая микроскопия(СЗМ) – метод исследования поверхности с субнанометровым разрешением, основанный на регистрации взаимодействия микроскопического зонда с поверхностью образца во время сканирования.

Атомно-силовая микроскопия – метод исследования морфологии и локальных механических, электрических, магнитных и других свойств поверхности твердого тела с субнанометровым пространственным разрешением.

Кантилевер – микроскопический зондовый датчик, представляющий собой упругую консоль (с известной константой упругости) с острым зондом на конце.

Тестовые объекты – объекты с заранее известными параметрами, используемые для тестирования приборов.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей, образующих микрорельеф поверхности с относительно малыми шагами, выделенная, например, с помощью базовой линии или части плоскости.

Артефакты – аппаратные эффекты, появляющиеся во время сканирования или обработки полученного изображения поверхности, искажающие реальную картину.

Контрольные вопросы.

1. В каком году и кем был создан атомно-силовой микроскоп?

2. Назовите разрешение атомно-силового микроскопа.

3. Какие виды зондовых микроскопов вы знаете?

4. Назовите основные компоненты СЗМ.

5. Что такое кантилевер?

6. На чем основан принцип действия атомно-силового микроскопа?

7. Какие силы действуют между зондом и поверхностью при сканировании?

8. В каких режимах может работать атомно-силовой микроскоп?

9. Какое расстояние зонд-образец поддерживается в контактном режиме?

10. Назовите 2 режима формирования изображения рельефа поверхности в контактном режиме. При каких размерах неровностей рельефа они используются?

11. Как в атомно-силовой микроскопии регистрируются малые изгибы упругой консоли зондового датчика?

12. Чем определяется пространственное разрешение АСМ?

13. Что такое артефакты в атомно-силовой микроскопии? Назовите причины их появления.

14. Назовите методы устранения артефактов.

15. Какова структура программного обеспечения FemtoScan Online?

16. Чем режим Master отличается от режима Client?

17. Сколько пользователей может работать в режиме Master, в режиме Client?

18. В каком виде хранится информация, полученная в процессе сканирования?

19. Для чего используется обработка изображений в АСМ? Назовите стандартные процедуры обработки изображения.

20. Какие факторы вносят искажения в реальный рельеф поверхности?

21. Назовите условия возникновения общего наклона на поверхности. Как устранить общий наклон поверхности?

22. Как проводится усреднение сигнала?

23. Каким методом можно убрать резкие выбросы?

24. Какова причина появления ступенек на АСМ - изображении во время сканирования?

25. Для чего необходимо проводить тестирование?

26. Какие структуры можно использовать в качестве тестовых объектов?

27. Дайте определение шероховатости поверхности.

28. Какие параметры используются в АСМ для оценки шероховатости исследуемой поверхности?