Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Лекции профессора В.А.Быкова в ОЦ "Сириус": сканирующая зондовая микроскопия

Ключевые слова:  НТ МДТ СИ

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

08 июля 2017

В ОЦ "Сириус" прошли лекции и встречи в тесном кругу со школьниками направления "Нанотехнологии" основателя и генерального директора компании НТ - МДТ СИ (в настоящий момент - почетный президент группы компаний НТ-МДТ Спектрум Инструментс), профессора МФТИ, д.т.н. В.А.Быкова. Предлагаем вашему вниманию краткий фоторепортаж и иллюстративные материалы лекции.

Сканирующая зондовая микроскопия зародилась в 1966 году в группе национального института стандартов США (Рассел Янг) и начала развиваться как один из основных методов исследования наноструктур первоначально группой исследователей швейцарского отделения компании IBM, нобелевских лауреатов 1986 года, Хельмута Биннига и Генриха Рорера. Развитие метода стало возможным с появлением персональных компьютеров, как систем управления приборами, сбора и обработки результатов.

Первой исключительно важной, ключевой инновацией, предложенной группой Рассела Янга, стало использование пьезоэлектрической керамики для осуществления взаимных перемещений острия и образца друг относительно друга.

Г. Бинниг и Г. Рорер показали, что при помощи прибора, названного ими сканирующим туннельным микроскопом, принципиальная схема которого подобна Топографинеру Янга, позволяет получать изображения отдельных атомов. Для управления прибором и обработки результатов начали использоваться персональные компьютеры. Прогресс в возможностях приборов и до сегодняшнего дня определяется мощностью используемых компьютеров. В 1986 году этой же группой было предложено использование трубчатого пьезокерамического сканера. Для регистрации рельефа поверхности было предложено использовать гибкие балки с острой иглой на незакрепленном конце – кантилеверы, а приборы для регистрации рельефа были названы атомно-силовыми микроскопами (АСМ). В АСМ Биннига, Квайта и Гербера использовался туннельный датчик для регистрации нормального перемещения кантилевера, что крайне неудобно. Мощной инновацией, сделавшей АСМ реальностью, стала изобретенная Аммером и Майером оптико-позиционная схема для регистрации изменения углов наклона кантилевера, что при использовании в качестве регистрирующего элемента четырех - секционного фотодиода позволяет регистрировать как нормальные, так и латеральные силы взаимодействия зонда и исследуемой поверхности образца.

Инновация, предотвращающая действие капиллярного эффекта, рожденная в конце 86 года, была предложена как принципиальная возможность Биннигом, ее реальные возможности показаны группой Ducker W.A., Cook R.F., Clarke D.R. и интегрирована в первые промышленные атомно-силовые микроскопы Верджилом Элингом под названием «теппинг» или полуконтактной моды.

В 1987 году группой исследователей было предложено изготавливать кантилеверы с использованием арсенала кремниевой технологии, где были уже разработаны приемы селективного травления как «канавок», так и острий с углом при вершине, определяемой свойствами кристалла. Толщину балок можно было задавать либо толщиной покрытия, либо глубиной легирования бором или фосфором. Возможность изготавливать кантилеверы методами «групповых» технологий микроэлектроники сделало их доступным расходным материалом и обеспечило возможность широкого распространения метода.

В конце восьмидесятых – начале девяностых годов ХХ века была показана возможность регистрации при помощи методов СЗМ (сканирующей зондовой микроскопии) ряда физических свойств поверхностей в различных условиях – от сверхвысокого вакуума – до исследований на границе раздела твердое тело – жидкость, методов модификации поверхности – т.н. СЗМ литографии, которые в настоящее время интегрированы в большинство СЗМ под несколько разными названиями, что не меняет физической сущности методов.

В конце 80-х годов работы по созданию сканирующих зондовых микроскопов стартовали и в СССР. Была организована корпорация МДТ, в которой и были начаты работы по созданию сканирующих зондовых микроскопов с возможностями литографов, на которых можно было бы проводить как исследования, так и модификацию свойств молекулярных структур, в том числе и ЛБ-пленок.

К 1995 году были созданы и атомно-силовые микроскопы, а к 1997 – многомодовые приборы, на которых можно было проводить комплексные исследования поверхностных структур, в том числе и ЛБ-пленок не разрушая их в процессе исследования.

К настоящему времени сканирующая зондовая микроскопия вошла в состав классических методов исследования наноструктур и широко используется для качественной оценки физико-химических свойств и геометрических параметров поверхностей. Тем не менее, до сегодняшнего дня СЗМ относится к числу эксклюзивных методов, требующих как для получения данных, так и для их интерпретации специальных знаний и навыков, что сдерживает широкое распространение метода.

Кроме топографии, сканирующие зондовые микроскопы позволяют измерять целый ряд физических свойств:

  • распределение поверхностного электрического потенциала;
  • распределение поверхностной проводимости;
  • распределение электрической емкости системы зонд-поверхность С (x,y), а также dC/dz, dC/dV;
  • распределение магнитных сил в системе зонд с заданной намагниченностью - поверхность;
  • распределение пьезо-электрических свойств;
  • распределение теплопроводности;
  • распределение механических свойств (модуля Юнга, твердости);
  • распределение адгезионных свойств.

Измерения можно производить на воздухе, а газовой атмосфере заданного состава, в жидкости, в низком, высоком,

СЗМ в системе школьного и вузовского образования

Для развития современных технологий исключительно важной задачей является подготовка специалистов. Это процесс необходимо начинать со школьной скамьи. Видеть и иметь возможность активно воздействовать на молекулярные структуры – это резко меняет и усиливает глубину понимания физики, химии, биологии. На рис. 6 приведена фотография и возможности последнего варианта прибора НАНОЭДЬЮКАТОР, которым в настоящее время оборудованы десятки учебных классов России и мира. Этот прибор вошел в число лучших разработок мира по версии журнала Research & Developments в 2011 году.

Следует отметить, что сканирующие зондовые микроскопы – это приборы весьма чувствительные к внешним акустическим помехам, перепадам температуры, изменению влажности, что приводит к дрейфам зонда относительно образца, не контролируемым смещениям, сбоям во время сканирования. Для минимизации этих факторов необходимо эксплуатировать приборы внутри акусто - защищенных боксов, оснащенных системой активной или пассивной виброзащиты, системой поддержания температуры и влажности высокой точности. Обеспечение всех этих условий в настоящее время не является сверхсложной и дорогостоящей задачей и решена для всего ряда сканирующих зондовых микроскопов НТ-МДТ, обеспечивая дрейф менее 10 нм/час, что позволяет получать атомарное разрешение даже при относительно малых частотах сканирования.

Мощное развитие получили комбайны сканирующих зондовых микроскопов и спектрометров, совмещающие методы высокоразрешающих измерений топографии и различных физических свойств поверхностных структур. Приборы позволяют получать информацию как о физических свойствах поверхностных структур, так и о качественном составе поверхности из данных люминесцентной спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния и ИК-спектроскопии высокого пространственного разрешения.

Последовательное инновационное развитие сканирующих зондовых микроскопов позволило перепозиционировать эти приборы, существенно снизить требования к пользователям от энтузиастов метода, до специалистов в зондовой микроскопии, а в настоящее время приборами последних разработок группы компаний NT-MDT Spectrum Instruments с успехом могут пользоваться и лаборанты, и инженеры для контроля технологических параметров процессов, и специалисты-материаловеды, цель которых получить хорошо интерпретируемую информацию о физических и физико-химических особенностях объекта.

Прикрепленные файлы:
bykov.pdf (20.94 Мб.)

Иллюстративные материалы лекции. Использование возможно только с разрешения автора лекции и ОЦ "Сириус".

 





Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Одноэлектронная ловушка
Одноэлектронная ловушка

НАНОГРАД. СИРИУС. 2017
Молодежный форум Наноград-2017 пройдет в Образовательном центре «Сириус»

Визит Президента ИЮПАК в Образовательный центр "Сириус"
22 июля состоялся визит Президента Международного Союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), члена - корреспондента РАН, директора Института химии и проблем устойчивого развития РХТУ имени Д.И.Менделеева, профессора Н.П.Тарасовой в Образовательный центр "Сириус", в ходе которого всемирно известный ученый выступила перед школьниками направлений "Нанотехнологии", "Новые материалы", "Микромир и микроскопия", "Агропромышленные и биотехнологии", "Беспилотный транспорт и логистические системы" с публичной лекцией "Устойчивое развитие: планетарные границы и зеленая химия".

Фестиваль проектов Образовательного центра "Сириус": красивый эксперимент
21 июля 2017 года впервые состоялся грандиозный Фестиваль - выставка школьных проектов, разработанных в рамках Образовательной программы "Большие вызовы", на котором было представлено свыше 80 работ по 12 тематическим направлениям. В ходе Фестиваля в рамках нового формата общения около 800 школьников и 100 экспертов обсуждали у стендов результаты работы проектных команд. Завершился Фестиваль встречей и "Недетским разговором" с Президентом Российской Федерации В.В.Путиным.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Научные конференции студентов на факультете наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ФНМ МГУ) – являются многолетней традицией. Зимняя конференция в 7 семестре - как контрольная точка для студентов, неотрывно от учебного процесса выполняющих квалификационную работу бакалавра.

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.