Цель и задачи курсовой работы

Целью выполнения курсовой работы является разработка методики испытаний в целях подтверждения типа средства измерения (микроскопа сканирующего зондового атомно-силового).

1 Описание объекта испытаний, его назначение, область применения, условия эксплуатации

Рисунок 1 - Атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп - прибор для изучения поверхностей твёрдых тел с разрешающей способностью порядка межатомных расстояний, основанный на сканировании исследуемого участка образца S(x, у ) плоской пружиной, свободный конец которой (или укреплённое на нём остриё) удалён от поверхности образца на расстояние r в несколько . Изобретён Г. Биннингом (G. Binning), К. Ф. Куатом (С. F. Quate) и К. Гербером (С. Gerber) в 1986. При таких расстояниях сила взаимодействия между двумя ближайшими атомами, расположенными соответственно на кончике острия и на поверхности образца, составляет 10^-7-10^-9 Н. При жёсткости упругого элемента порядка 1 Н/м это приводит к измеримой деформации пружины. При сканировании цепь обратной связи поддерживает деформацию пружины(и тем самым силу взаимодействия), соответственно изменяя z. Синхронная со сканированием запись сигнала обратной связи V_z представляет собой запись профиля поверхности пост. силы F(x, у), т. е. фактически поверхности образца.

1. Конструкция и принцип действия атомно-силового микроскопа

Основными конструктивными составляющими атомно-силового микроскопа являются:

• Жёсткий каркас, удерживающий систему

• Держатель образца, на котором образец впоследствии закрепляется

• Устройства манипуляции

В зависимости от конструкции микроскопа возможно движение зонда относительно неподвижного образца или движение образца, относительно закреплённого зонда. Манипуляторы делятся на две группы. Первая группа предназначена для "грубого" регулирования расстояния между кантилевером и образцом (диапазон движения порядка сантиметров), вторая - для прецизионного перемещения в процессе сканирования (диапазон движения порядка микрон). В качестве прецизионных манипуляторов (или сканеров) используются элементы из пьезокерамики. Они способны осуществлять перемещения на расстояния порядка ангстрем, однако им присущи такие недостатки, как термодрейф, нелинейность, гистерезис, крип.

• Зонд

• Система регистрации отклонения зонда

Существует несколько возможных систем:

- Оптическая (включает лазер и фотодиод, наиболее распространённая)

- Интерферометрическая (состоит из лазера и оптоволокна)

-Ёмкостная (измеряется изменение ёмкости между кантилевером и расположенной выше неподвижной пластиной)

-Туннельная (исторически первая, регистрирует изменение туннельного тока между проводящим кантилевером и расположенной выше туннельной иглой)

• Система обратной связи

• Управляющий блок с электроникой

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) представляет собой систему образец + игла. На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Отклонения зонда при действии близко расположенных атомов регистрируются при помощи измерителя наноперемещений, в частности используют оптические, ёмкостные или туннельные сенсоры. Добавив к этой системе устройство развёртки по осям X и Y, получают сканирующий АСМ. Принимая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, то при сканировании поверхности образца в направлении X или Y с одновременным измерением выходного аналогового сигнала по направлению Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне в системе координат XYZ, т.е. 3D виде.

Основные технические сложности при создании микроскопа:

• Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема.

• Создание детектора, способного надёжно фиксировать столь малые перемещения.

• Создание системы развёртки с шагом в доли ангстрема.

• Обеспечение плавного сближения иглы с поверхностью.