Сканирующая туннельная микроскопия реферат

Обновлено: 02.07.2024

Сканирующая туннельная микроскопия - новый метод изучения поверхности твердых тел.

СКАНИРУЮЩАЯ ТУННЕЛЬНАЯ МИКРОСКОПИЯ - метод исследования структуры пов-сти твердых тел, позволяющий четко визуализировать на ней взаимное расположение отдельныхатомов; основана на туннельном эффекте
Первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) был создан сравнительно недавно, в 1982 году. Тем не менее, в настоящее время он нашёл применение во многих научных и производственных лабораториях, и область его использования продолжает интенсивно расширяться.Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением, позволяющим проводить исследования на атомном уровне.При этом для работы микроскопа не требуется высокий вакуум, в отличии от электронных микроскопов других типов. Он может работать на воздухе и даже в жидкой среде.Применение СТМ позволяет выявить особенности кристаллического строения поверхности различных материалов, её шероховатость с нанометровым разрешением, наблюдать закономерности зародышеобразования при выращивании плёнок, изучать вирусы, молекулыДНК и т.д.
Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа
По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его поведение описывается с помощью решения уравнения Шрёдингера – волновой функции, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства в данный момент времени.
Расчёты показывают, что волновыефункции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующей поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказываться действие межатомных сил отталкивания. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обменэлектронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.
Для обеспечения направленного движения электронов (электрического тока) между такими телами необходимо выполнение двух условий:
1. у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;
2. междутелами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмеримо мала в сравнении с той, что требуется для получения электрического разряда при пробое воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.
Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.
На практике явление туннелирования в СТМ реализуется, когда один изпроводников представляет собой иглу (зонд) 1, а другой – поверхность исследуемого объекта 3 (рис. 1).
[pic]
Рис. 1. Схема протекания туннельного тока между зондом и объектом: 1 - зонд; 2 – пучок электронов; 3 – объект (образец); U – разность потенциалов между зондом и объектом; IТ – туннельный ток; L – расстояние между зондом и объектом; F – площадь туннельного контакта
Электронампроводимости на острие зонда 1 необходимо получить определенную энергию, чтобы перейти в зону проводимости объекта 3. Величина этой энергии зависит от расстояния между зондом и поверхностью объекта L, разности потенциалов между ними U и величинами работы выхода электронов F1 и F2 с поверхности зонда и поверхности исследуемого объекта соответственно.
Сканирующий туннельный микроскоп функционируетследующим образом (рис. 2).
[pic]
Рис. 2. Схема перемещения зонда над поверхностью объекта
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.

Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.

Связанные рефераты

Сканирующая туннельная микроскопия

. Сканирующая туннельная микроскопия Исторически первым в.

Сканирующий туннельный микроскоп

. отдельные атомы: полевой ионный микроскоп и просвечивающий электронный.

15 Стр. 4 Просмотры

туннельный микроскоп

. Университет Сканирующая зондовая микроскопия Выполнила: Барбара О. 554.

Сканирующий зондовый микроскоп

. Государственный Университет имени М.Х.Дулат СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП.

Сканирующая зондовая микроскопия

. Сканирующая зондовая микроскопия Содержание Введение Принципы работы.

Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним
из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твёрдого тела основаны успехи современной микро- и наноэлетроники. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остаётся актуальной задачей.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 2
1. ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 3
1.1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СТМ 3
1.2 УСТРОЙСТВО СТМ 4
1.3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТМ 7
2. МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ АТОМНО-ОСТРЫХ ПРОВОДЯЩИХ ЗОНДОВ 9
3. ТЕОРИЯ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА И ТУННЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСОКПИИ 11
3.1. Туннельная спектроскопия 14
4.ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ СТМ. 15
5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТМ, ПОГРЕШНОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ 18
6. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СТМ 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 28

Вложенные файлы: 1 файл

Туннельная микроскопия.docx

Выполнил студент гр. МЕТЛ-31

Махов Дмитрий Александрович

Проверила: кандидат химических

1. ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 3

1.1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СТМ 3

1.2 УСТРОЙСТВО СТМ 4

1.3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТМ 7

2. МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ АТОМНО-ОСТРЫХ ПРОВОДЯЩИХ ЗОНДОВ 9

3. ТЕОРИЯ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА И ТУННЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСОКПИИ 11

3.1. Туннельная спектроскопия 14

4.ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ СТМ. 15

5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТМ, ПОГРЕШНОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ 18

6. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ С ПОМОЩЬЮ СТМ 22

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 28

ВВЕДЕНИЕ

Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним

из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твёрдого тела основаны успехи современной микро- и наноэлетроники. Поэтому исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел, остаётся актуальной задачей.

Последнее десятилетие в экспериментальной физике характеризуется интенсивным развитием принципиально новых методов изучения поверхностей с нанометровым и атомарным пространственным разрешением. Эти методы объединены под общим названием — сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Этот термин относится к любым типам микроскопов, в которых изображение формируется за счёт перемещения (сканирования) острого микрозонда (иглы) над исследуемой поверхностью. Главным достоинством современных СЗМ являются: возможность получения достоверных данных о высоте микрорельефа, отсутствие дополнительных промежуточных процедур (напыление, изготовление реплик), снижающих достоверность результатов; возможность получения нанометрового, а иногда и ангстремного разрешения на воздухе.

СЗМ эффективно используется для исследований в различных областях науки и техники: в биологии и медицине, в материаловедении, в исследованиях различных покрытий и тонких пленок, полимерных и наноструктурированных материалов, в химии и химической промышленности, физике и т.д.

Родоначальником таких приборов является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Данный курсовой проект направлен на ознакомление физического принципа работы и устройства именно данного вида СЗМ.

1. ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ СТМ

История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии приблизительно ~100Å от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (а не вакуумного туннелирования). В результате удалось наблюдать, например, поверхность дифракционной решетки (~180 линий/мм), но с разрешением лишь несколько сот ангстрем.

В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи.

День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

Основная область применения СТМ - физика твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота Au(100) относительно которой было известно, что она испытывает реконструкцию 1×2, позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты, что беспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45 ангстрем). И стало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы. Но чтобы убедить широкие круги научной общественности в том, что получаемые данные являются реальными экспериментальными результатами, а не данными компьютерного моделирования, понадобилось провести исследования поверхности кремния.

1.2 УСТРОЙСТВО СТМ

Рассмотрим устройство СТМ. На рисунке 1.2.1 показана схема основного узла туннельного микроскопа.

Рисунок 1.2.1. Схема конструкции СТМ.

Массивное основание имеет два плеча, разделенных упругой перемычкой. В одном плече установлен трубчатый одноэлементный пьезосканер. Пьезоэлемент закреплен в стакане, что позволяет не только обеспечить его быструю сменяемость, но и ввести в зазор между ними вязко-упругий демпфер, несколько ослабляющий резонансные свойства сканера. В другом плече основания закреплена ось вращения карусели, предназначенной для перемещения исследуемого образца. Исследуемый образец закрепляется на координатном столе, изготовленном из стали, который, в свою очередь, установлен на четырех стальных опорах. Взаимное положение этих опор может регулироваться системой пьезоэлементов, а фиксация стола осуществляется за счет сил магнитного притяжения, регулируемых системой электромагнитов. Для фиксации стола в состоянии покоя используется постоянный магнит. Подача определенной последовательности импульсов тока на электромагниты и импульсов напряжения на пьезоэлементы вызывает перемещение стола в выбранном направлении. При этом величина шага составляет 0,1 мкм и менее. Установка исходного расстояния зонд-образец проводится с помощью винта, перемещающего карусель вдоль оси вращения. Полный диапазон этого перемещения составляет 8мм, минимальный шаг - около 5мкм. Более точная регулировка зонд-подложка осуществляется за счет изгиба упругого элемента. Шаговый двигатель, установленный на одном из плеч основания, вращает винт и через компенсатор отталкивает второе плечо. Полный диапазон второй ступени подвода по Z составляет 100мкм. Материал компенсатора выбран таким образом, чтобы компенсировать изменение расстояния зонд-образец, происходящее за счет изменения температуры в помещении.

Система виброизоляции выполнена в виде пружинно-рычажной конструкции и введена в механическую часть СТМ. Она представляет собой рычаг, на одном из концов которого закреплен основной узел СТМ. Его вес уравновешен упругой силой пружины, закрепленной между базовой плитой и вторым концом рычага. Применение упругих резиновых элементов в точке опоры рычага и в точке крепления основного узла к рычагу деформирует собственный резонанс системы виброизоляции. Такая конструкция является малогабаритной и, в то же время, обладает низкой резонансной частотой (около 1,5 Гц).

Современные микроскопы основаны на аналогичном принципе и имеют схожую конструкцию (рис.1.2.2). Дополнительно к ним могут быть введены системы активной виброзащиты, модули емкостной компенсации дрейфов, видеокамеры и другие средства, обеспечивающие возможность получения лучших результатов в изображении поверхности и облегчающие работу на микроскопе.

Рисунок.1.2.2 СММ-2000Т (сканирующий мультимикроскоп туннельный)

1.3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТМ

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности.

Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.

Принцип работы СТМ сравнительно прост. Сканирующая металлическая игла (рабочая часть игл размера порядка десяти нанометров), закрепленная в трехкоординатном приводе P_X, P_Y, P_Z, расположена перпендикулярно исследуемой поверхности (рисунок 1.3.1).

Рисунок. 1.3.1 Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа.

1 – игла; 2 – исследуемая поверхность; 3 – трехкоординатный пьезопривод; 4 – система обратной связи

С помощью пьезопривода игла подводится к поверхности образца до возникновения туннельного тока I_T, который определяется величиной зазора s между иглой и поверхностью:

где Ф – величина потенциального барьера в зазоре, измеряемая в электронвольтах;

U – напряжение, приложенное между иглой и образцом в вольтах;

s – зазор между поверхностью и иглой в ангстремах.

При постоянном напряжении U на зазоре игла перемещается вдоль поверхности, причем с помощью системы обратной связи, воздействующей на пьезоэлемент P_Z, туннельный ток I_T поддерживают постоянным. Если величина барьера Ф постоянна вдоль исследуемой поверхности (материал поверхности однороден), то величина туннельного тока будет изменяться пропорционально величине зазора между иглой и поверхностью и график изменения этого тока будет описывать профиль рельефа поверхности. Набор таких профилей даст непосредственную информацию о топографии поверхности.

2. МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ АТОМНО-ОСТРЫХ ПРОВОДЯЩИХ ЗОНДОВ

В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких

типов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные из вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления. Процесс приготовления СТМ зондов по данной технологии выглядит следующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобы один из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водный раствор щелочи КОН (Рисунок 2.1).

Рис. 2.1. Схема изготовления СТМ зондов из вольфрамовой проволоки

с помощью электрохимического травления.

При пропускании электрического тока между диафрагмой и электродом, расположенным в растворе КОН, происходит перетравливание заготовки. По мере травления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, что происходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя часть падает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесс травления.

Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов –

перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременным натяжением P проволоки на разрыв (рисунок 2.2).

Рис. 2.2. Схематичное изображение процесса формирования СТМ острия

при перерезании проволоки из PtIr сплава.

Процесс формирования острия в этом случае отчасти сходен с процессом изготовления острия из вольфрама. При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте резки и обрыв ее под действием растягивающего усилия Р. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным (рваным) краем с многочисленными выступами, один из которых и оказывается рабочим элементом СТМ зонда. Данная технология изготовления СТМ зондов применяется сейчас практически во всех лабораториях и почти всегда обеспечивает гарантированное атомарное разрешение при СТМ исследованиях поверхности.

3. ТЕОРИЯ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА И ТУННЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСОКПИИ

Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе

В 1981 году Герхард Бинниг и ХайнрихРёрер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе изобрели новый тип микроскопов, названный ими сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Став первым устройством, позволяющим получать реальные изображения поверхностей с атомарным разрешением, СТМ стал также основой для создания нового направления микроскопических исследований — сканирующей зондовой микроскопии

Прикрепленные файлы: 1 файл

Р2. зондовые методы создания наноструктур.docx

Сканирующая туннельная микроскопия

В 1981 году Герхард Бинниг и Хайнрих Рёрер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе изобрели новый тип микроскопов, названный ими сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Став первым устройством, позволяющим получать реальные изображения поверхностей с атомарным разрешением, СТМ стал также основой для создания нового направления микроскопических исследований — сканирующей зондовой микроскопии.

В зависимости от измеряемого сигнала выделяют два режима работы сканирующего туннельного микроскопа (рис. 2). В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется в зависимости от расстояния до него (рис. 2а). Информационным сигналом в этом случае является величина тока туннелирования, измеренная в каждой точке сканирования поверхности образца. На основе полученных значений туннельного тока строится образ топографии поверхности образца.

Рис. 2. Схема работы СТМ: а) в режиме постоянной высоты; б) в режиме постоянного тока.

Каждый режим обладает преимуществами и недостатками. В режиме постоянной высоты более быстро получают результаты измерений, так как не требуется вертикальных передвижений сканирующего устройства, но при этом можно работать только с относительно гладкими поверхностями. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.

Основное приложение сканирующей туннельной микроскопии — измерения топографии поверхностей. Кроме того, СТМ может использоваться также как инструментальное средство для анализа электронных свойств поверхности с атомным разрешением (приложения атомной спектроскопии).

Благодаря своей высокой чувствительности (порядка 0,001 нм) СТМ способен формировать изображения поверхностей с субангстремальным вертикальным разрешением и атомным латеральным разрешением. Однако СТМ присущ существенный недостаток: для возникновения туннельного тока образец и острие должны быть проводниками или полупроводниками, а изображения непроводящих материалов с помощью СТМ получить невозможно, что значительно сужает область его применения.

Методы построения и обработки изображений

При изучении свойств объектов методами сканирующей зондовой микроскопии основным результатом научного поиска являются, как правило, трехмерные изображения поверхности этих объектов. Адекватность интерпретации изображений зависит от квалификации специалиста. Вместе с тем, при обработке и построении изображений используется ряд традиционных приемов, о которых следует знать при анализе изображений.

Сканирующий зондовый микроскоп появился в момент интенсивного развития компьютерной техники. Поэтому при записи трехмерных изображений в нем были использованы цифровые методы хранения информации, разработанные для компьютеров. Это привело к значительному удобству при анализе и обработке изображений, однако пришлось пожертвовать фотографическим качеством, присущим методам электронной микроскопии.

Информация, полученная с помощью зондового микроскопа, в компьютере представляется в виде двумерной матрицы целых чисел. Каждое число в этой матрице, в зависимости от режима сканирования, может являться значением туннельного тока, или значением отклонения кантилевера, или значением какой-то более сложной функции. Если показать человеку эту матрицу, то никакого связного представления об исследуемой поверхности он получить не сможет. Итак, первая проблема - это преобразовать числа в вид, удобный для восприятия. Делается это следующим образом.

Числа в исходной матрице лежат в некотором диапазоне, есть минимальное и максимальное значения. Этому диапазону целых чисел ставится в соответствие цветовая палитра. Таким образом, каждое значение матрицы отображается в точку определенного цвета на прямоугольном изображении. Строка и столбец, в которых находится это значение, становятся координатами точки. В результате мы получаем картину, на которой, например, высота поверхности передается цветом - как на географической карте. Но на карте обычно используются лишь десятки цветов, а на нашей картине их сотни и тысячи. Для удобства восприятия точки, близкие по высоте, должны передаваться сходными цветами.

Может оказаться, и, как правило, так всегда и бывает, что диапазон исходных значений больше, чем число возможных цветов. В этом случае происходит потеря информации, и увеличение количества цветов не является выходом из положения, так как возможности человеческого глаза ограничены. Требуется дополнительная обработка информации, причем в зависимости от задач обработка должна быть разной. Кому-то необходимо увидеть всю картину целиком, а кто-то хочет рассмотреть детали. Для этого используются разнообразные методы, описанию которых посвящена следующая часть статьи. В качестве примера будут рассматриваться изображения, на которых цветом передается высота точки.

Вычитание среднего наклона

Рис.3. Вычитание среднего наклона.

Полученные изображения часто имеют общий наклон, который может появляться по разным причинам. Это может быть реальный наклон поверхности; может быть температурный дрейф, который приводит к смещению образца во время сканирования; может быть нелинейность пьезокерамического манипулятора. Как бы то ни было, это приводит к появлению общего наклона, и на изображении обычно это мешает выявлению структуры объекта. Для того, чтобы этого избежать, из исходной матрицы значений вычитается плоскость среднего наклона. Поясним это одномерным случаем (рис. 3).

В результате получается матрица с меньшим диапазоном значений и мелкие детали отображаются большим количеством цветов, становятся более заметными. Нелинейности пьезоманипулятора могут приводить также к тому, что изображение получается вогнутым. В этом случае нужно вычитать не плоскость, а более сложную поверхность - параболическую или гиперболическую.

Усреднение

Помимо полезного сигнала на изображении всегда присутствует шумовая составляющая. Чтобы убрать ее, часто достаточно заменить значение в каждой точке средним арифметическим значений всех точек в некоторой ближайшей ее окрестности (рис. 4).

Если это не помогает - например, если уровень шумов довольно высок - требуется применение более сложных методов. Например, можно попробовать выделить полезный сигнал, убрав высокочастотную составляющую исходного сигнала. В сущности, усреднение по окрестности и есть такая фильтрация. Часто помогает увеличение размеров окрестности, по которой ведется усреднение. Рассмотрим для примера одномерный случай, т.е. не двумерную матрицу, а строку значений.

Построим график, на котором по горизонтали отложим координату точки, а по вертикали значения точек. В результате получится профиль строки. На рисунке 4 изображен этот профиль до и после фильтрации.

Медианная фильтрация

Рис.5. Медианная фильтрация.

Хорошие результаты дает медианная фильтрация. Это нелинейный метод обработки изображений, позволяющий убрать резкие выбросы, но, в отличие от усреднения, оставляющий ступеньки. Поясним этот метод на одномерном случае. По горизонтали отложена координата точки, по вертикали - значение. Получается двумерный профиль. Для фильтруемой точки берутся значения ее соседей и заносятся в таблицу. Эта таблица сортируется по возрастанию, и за новое значение точки принимается значение из средней ячейки таблицы.

Таким образом, если в точке был выброс, то она оказывается на краю отсортированной таблицы и не попадает в отфильтрованное изображение. Ступеньки же остаются без изменения (рис. 5). Если сравнить усреднение и медианную фильтрацию, то легко заметить различия в конечных результатах (рис. 4, 5).

Усреднение по строкам

Рис.6. Изображения многокомпонентной органической пленки. Слева - до усреднения по строкам; справа - после усреднения.

Изображения в сканирующей зондовой микроскопии характерны тем, что формируются они построчно. Таким образом, появляется выделенное направление (формирования строки), вдоль которого изображение имеет характерные особенности. Дело в том, что снятие строки происходит быстро, а между снятием соседних строк проходит некоторое время. При этом может произойти какой-то сбой, и следующие строки окажутся резко сдвинутыми вверх или вниз. На изображении появляется горизонтальная ступенька, которой нет на реальной поверхности. Чтобы убрать этот дефект, применяется усреднение по строкам. Все строки изображения сдвигаются вверх или вниз так, чтобы их средние значения были одинаковыми. При этом профиль строки остается прежним, а профиль столбца меняется, - убираются ступеньки (рис. 6).

Подсветка

Рис.7. Компьютерная обработка позволяет повысить контраст изображений. Слева - исходное изображение; справа - изображение с применением боковой подсветки. Исследуемый объект - бактерии Escherichia coli (кишечная палочка). Размер кадра 4,6*4,6 мкм .

Человеческий глаз лучше различает контрастные предметы. Потому на изображении, где цветом передается высота, мелкие детали не заметны на фоне крупных объектов. Как же поступить в этом случае?

Есть способ совместить информацию о высоте объекта с информацией о высоте мелкой детали над его поверхностью. Представьте, что вы летите на самолете над горами Кавказа. Вы ясно различаете все ущелья и утесы, хотя по сравнению с самими горами перепад высот там совсем невелик. Это происходит благодаря игре света и тени. Если солнце в зените, то горизонтальные участки поверхности будут освещены сильнее, чем склоны. По величине тени ваш мозг сам рассчитывает высоту объекта.

Таким образом, если смоделировать на изображении эффект освещения, то проявляются мелкие детали, причем без потери информации о крупных объектах (рис. 7).

Изготовление зондов для туннельных микроскопов

В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких

типов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные

из вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления. Данная

технология была хорошо известна и использовалась для приготовления эмиттеров

для автоионных микроскопов. Процесс приготовления СТМ зондов по данной

технологии выглядит следующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобы один из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водный раствор щелочи КОН (рис.8). Контакт между диафрагмой и вольфрамовой проволокой осуществляется посредством капли КОН, расположенной в отверстии диафрагмы.

Рис. 8. Схема изготовления СТМ зондов из вольфрамовой проволоки с помощью электрохимического травления.

При пропускании электрического тока между диафрагмой и электродом,

расположенным в растворе КОН, происходит перетравливание заготовки. По мере травления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, что происходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя часть падает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесс травления.

Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов –перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременным натяжением P проволоки на разрыв (рис. 9).

Сканирующая туннельная микроскопия ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Сканирующий туннельный микроскоп представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I₀), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (рис.6).

Изображение рельефа поверхности СТМ формируется двумя способами. В режиме постоянного туннельного тока (рис. 7, а) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f (x, y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности в режиме постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 7, б). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности.

Рис. 6. Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному току

оптический микроскоп светлое темное поле.

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда (рис.8).

Рис. 8. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

Сканирующая атомно-силовая микроскопия. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль или кантилевер (от англ. cantilever — консоль) с острым зондом на конце (рис.9). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса. Эти силы обусловлены тем, что нейтральный изотропный атом может поляризоваться под влиянием электрического поля. Причем даже два нейтральных атома индуцируют друг в друге малые дипольные электрические моменты, когда они находятся достаточно близко друг от друга, то есть так, что движение электронов в электронных оболочках соседних атомов не претерпевает радикального изменения, а только испытывает слабое возмущение (рис.10). Так как притяжение более близких друг к другу противоположных зарядов увеличивается при сближении сильнее, чем отталкивание далеких одноименных зарядов, то результатом будет притяжение атомов друг к другу.

Рис. 9. Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Рис. 10. Притяжение двух атомов силами Ван-дер-Ваальса

При дальнейшем уменьшении расстояния возникают силы отталкивания. Когда расстояние между зондом и образцом станет меньше среднего межатомного расстояния, то начнется перекрытие электронных оболочек ближайших атомов, в результате чего электроны первого атома стремятся частично занять состояния второго. Увеличение энергии системы двух взаимодействующих атомов приводит к появлению отталкивающей силы. При еще большем сближении атомов доминирующей становится кулоновская сила отталкивания ядер. Качественно зависимость силы межатомного взаимодействия F от расстояния между атомами R показана на рис. 11.

Рис. 11. Зависимость силы F взаимодействия между атомами от расстояния R

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В АСМ для этой цели широко используются оптические методы (рис. 12).

Рис. 12. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Основные регистрируемые оптической системой параметры — это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (F_Z) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (F_L) взаимодействия зонда с поверхностью (рис.13). Разностные токи с различных секций фотодиода после изменения положения консоли будут однозначно характеризовать величину и направление ее изгиба в зондовом датчике АСМ. Эта величина I_Z используется в качестве входного параметра в петле обратной связи АСМ (рис.14).

Рис. 13. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Рис. 14. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе

Система обратной связи (ОС) обеспечивает I_Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли Z равным величине Z₀, задаваемой оператором.

При сканировании образца в режиме Z = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (x, y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли.

Читайте также: