Введение к работе
Актуальность темы связана с высокой значимостью комплексной измерительной информации (ИИ) о геометрических параметрах безлигандных металлических наночастиц (ультрадисперсных частиц с размерами 1-100 нм) для создания кластерных материалов (КМ) с прогнозируемыми сочетаниями механических и физико-химических свойств. Материалы на основе ультрадисперсных частиц (УДЧ) обладают обусловленными наноразмерным эффектом принципиально новыми механическими, магнитными, каталитическими и другими физико-химическими свойствами. Все более широкое применение УДЧ в наноиндустрии ставит проблему контроля их геометрических параметров в ряд наиболее актуальных.
Корректное определение характеристик УДЧ зависит от качества, достоверности и полноты ИИ. Поэтому в нанометровом масштабе измерений (когда само понятие «размер наночастицы» становится квантовомеханическим) выбор метода измерения геометрических параметров УДЧ является чрезвычайно важным. Особенности измерения любого физического параметра УДЧ связаны с преобразованием энергии, благодаря которому измеряемая величина становится доступной для восприятия, интерпретации и моделирования. Понятие «волновой прибор» для изучения УДЧ включает в себя все измерительные приборы, в которых первичный волновой пакет (электромагнитное излучение или поток частиц) падает на объект. В зависимости от характера изменений параметров волнового пакета в результате его взаимодействия с объектом наблюдают абсорбцию, преломление, рассеяние света, дифракцию, интерференцию, туннелирование электронов и т.д.
Полнота анализа искажений волнового пакета задается как экспериментальными возможностями, так и целью исследования. Характер процесса взаимодействия волнового пакета и исследуемого объекта определяется, в основном, соотношением между длиной волны излучения и размером объекта. Если размеры объекта велики по сравнению с длиной волны, то преобладают процессы абсорбции и преломления; в противном случае имеют место дифракция и рассеяние. В основе действия современного волнового прибора - сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) - лежит квантовый эффект, заключающийся в способности электронов тун-нелировать сквозь достаточно узкий потенциальный барьер, ширина которого сопоставима с длиной волны де Бройля электронов. СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций - сканирования, туннелирования и локального зондирования. Следует отметить, что по своей физической сущности СТМ-изображения при малых туннельных напряжениях представляют собой изоповерхности плотности электронных состояний в окрестности энергии Ферми. В то же время важнейшие параметры топографии поверхности УДЧ - размеры и нанопрофиль - имеют такую же физическую природу, так как образованы теми же электронными состояниями поверхности Ферми, локализованными в окрестности УДЧ. Именно поэтому СТМ позволяет наиболее точно из всех известных приборов прямым неразрушающим способом измерять истинные геометрические параметры УДЧ.
Контроль геометрических параметров УДЧ имеет большое значение для обес-
печения определенных свойств наноматериалов. Использование СТМ для такого контроля существенно повышает требования к его характеристикам, что обусловлено, прежде всего, массовым характером проводимых измерений.
Технология сбора статистической информации о параметрах частиц подразумевает быстрый первоначальный поиск этих частиц на поверхности образца, а затем последовательное определение параметров каждой частицы. При этом СТМ должен функционировать не как исследовательский, а как измерительный прибор промышленного назначения. Это может потребовать быстрого (автоматического) изменения параметров СТМ в зависимости от условий измерений, автоматического определения и предотвращения внештатных ситуаций.
С появлением специализированных вычислительных устройств - сигнальных процессоров (СП) расширились возможности создания цифровой системы управления СТМ. Это позволяет программно модифицировать алгоритмы работы и конфигурацию СТМ, расширить области его возможного применения (электрохимический, воздушный, гибридный СТМ), а также упростить настройку на различные методики измерений (посредством изменения алгоритмов работы управляющей части). Учитывая постоянный прогресс в цифровой системотехнике, в настоящее время актуальным становится создание интеллектуального СТМ, обладающего гибкой конфигурацией и возможностью его автоматической адаптации к конкретным задачам исследования УДЧ КМ.
Получение ИИ об УДЧ КМ с помощью СТМ требует проведения исследований как с относительно невысоким, так и с атомарным разрешением. Очевидно, что исследования должны выполняться без замены сканирующего устройства (пьезо-сканера) невысокого разрешения на сканирующее устройство высокого разрешения, поскольку при такой замене теряется «привязка» сканирующего устройства к координатам обнаруженных частиц. Другим случаем, когда замена сканирующего устройства недопустима, является последовательное изучение топографии УДЧ КМ сначала на воздухе, затем в капле жидкости (например, при исследовании влияния процесса коррозии на поверхность новых материалов на основе УДЧ). В результате возникает необходимость в создании универсальной измерительной головки, позволяющей без смены иглы и пьезосканера осуществлять изучение поверхности в различных средах с различным разрешением. Очевидно, что при этом к эксплутацион-ным и метрологическим характеристикам пьезоэлектрических устройств и измерительных игл универсальной измерительной головки предъявляются повышенные требования.
Использование в универсальной головке многосекционных сканеров, имеющих отдельные секции для исследований с высоким и невысоким разрешением, затруднено по двум причинам. Первая - сложность изготовления, вторая - затрудненность согласования по точности и диапазону перемещений привода образца и секции высокого разрешения сканера. Устранение этих причин требует разработки специализированных пьезоустройств повышенной сложности и технологий их изготовления, обеспечивающих достижение заданных характеристик. При этом для использования усложненных механических конструкций следует предусмотреть до-
полнительные элементы виброакустической, электромагнитной и электростатической защиты СТМ.
Основные проблемы в области изготовления игл для СТМ заключаются в следующем. Для изготовления платиново-иридиевых игл обычно применяют метод механического среза (совмещенного с вытягиванием и разрывом места среза). При этом плохая воспроизводимость формы острия таких игл («скрученность)» затрудняет их применение для изучения микроучастков поверхности с резкими перепадами высот. Все это делает актуальной задачу создания конусообразных зондирующих игл (ЗИ) с острием стабильной макроскопической формы, завершающимся атомарным микровыступом. Наиболее часто для создания используемых в СТМ вольфрамовых ЗИ используется процесс электрохимического травления металлических заготовок цилиндрической формы, однако сопутствующая такому травлению электрохимическая полировка кончика острия, без его «атомарной заточки» на специальном технологическом оборудовании, не позволяет получить требуемое разрешение СТМ. Другими факторами, сдерживающими применение туннельного микроскопа для изучения УДЧ, являются ухудшение его пространственного разрешения и искажения СТМ-изображений при сканировании неровностей нанорельефа УДЧ, сравнимых с размерами рабочей части острия иглы (минимальный радиус закругления кончика острия составляет ~10нм). Эти искажения связаны с тем, что реальное острие в отличие от идеального (представляемого отрезком прямой линии) взаимодействует с поверхностью нанообъекта не одной, а различными точками. Кроме того, в точке контакта считывающим элементом СТМ является не ЗИ, а электронный конусный луч, обеспечивающий через туннельный зазор бесконтактный неразрушаю-щий съем измерительной информации, при этом формируемое СТМ-изображение является в окрестности точки контакта сверткой (конволюцией) аппаратной функции растекания тока острия ЗИ и рельефа поверхности УДЧ. Поэтому для усовершенствования технологии изготовления атомарно острых конусообразных ЗИ с минимальным радиусом закругления острия и тонкой рабочей частью возникает необходимость моделирования процесса образования микровыступов с определением их характерной топологии. Кроме того, возрастает важность методов восстановления истинного нанопрофиля исследуемой поверхности УДЧ.
Таким образом, создание надёжного прецизионного измерительного инструмента на базе СТМ для изучения КМ является актуальной проблемой. Для её решения необходимы исследования метрологических характеристик СТМ, разработка и внедрение программно-аппаратных средств, направленных на повышение точности ИИ, её информативности, достоверности, обработки, визуализации и интерпретации.
Цель работы состоит в разработке научно обоснованных технических и методических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в создание на базе сканирующего туннельного микроскопа средств измерения геометрических параметров ультрадисперсных частиц кластерных материалов на основе построения математических моделей протекания туннельного тока в системе игла-подложка, системного анализа измерительной информации, исследования структуры и конструк-
ции интеллектуального цифрового СТМ, совершенствования технологии изготовления атомарно острых зондирующих игл и методик восстановления СТМ-изображений, что будет способствовать созданию новых перспективных кластерных материалов.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
создание и обоснование расчётной модели для анализа туннельного тока;
исследование влияния характеристик туннельного перехода зондирующая игла- подложка на измерения параметров УДЧ, теоретический расчет СТМ-изображений для ряда наиболее используемых УДЧ КМ;
анализ погрешностей определения параметров микрорельефа поверхности туннельным микроскопом;
разработка технологии изготовления измерительных игл с повышенной жесткостью острия и с устранением процесса его электрополировки в момент пере-травливания заготовки;
создание расчетной модели для описания процесса изготовления иглы методом химического травления;
разработка расчетной модели для описания формирования микротопологии острия в месте разрыва «шейки» заготовки иглы при ее изготовлении методом химического травления;
создание методики атомарного заострения зондирующих игл непосредственно в СТМ (in situ);
разработка методик восстановления СТМ-изображений, исключающих их искажения, возникающие при сканировании неровностей нанорельефа поверхности, сравнимых с размерами рабочей части острия иглы;
создание конструкции прецизионной адаптивной измерительной головки для решения задач обнаружения УДЧ и контроля их дисперсности, а также конструкции и технологии изготовления пьезосканеров с улучшенными метрологическими характеристиками и высокоточного инерционного пьезопривода образца;
разработка программно-аппаратного обеспечения цифрового интеллектуального СТМ для получения измерительной информации о параметрах УДЧ;
создание автоматизированного рабочего места оператора с улучшенной защитой от акустических и электромагнитных воздействий для изучения УДЧ методами сканирующей туннельной микроскопии, а также средств программно-аппаратурной диагностики универсальной измерительной головки СТМ.
Объектом исследования является СТМ для изучения УДЧ КМ, а также зондирующая игла и программно-аппаратные средства для выделения, обработки и визуализации измерительной информации.
Предметом исследования являются математические модели зондирующей иглы и химического процесса ее изготовления, модели для плотности тока ЗИ - подложка, алгоритмы решения измерительных задач, программно-аппаратное обеспечение СТМ.
Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические исследования и экспериментальную проверку получен-
ных результатов. Работа выполнялась с применением математического и физического моделирования, в теоретических исследованиях использовались: метод статистического моделирования Монте-Карло, теории вероятностей и математической статистики, анализа электрических цепей и систем, методы расчета атомно-электронной структуры поверхности, методы молекулярной динамики, численные методы, цифровая обработка изображений и сигналов, теоретические основы информатики и программирования, принципы и методология разработки САПР. В экспериментальных исследованиях применялись: теория измерения электрических и механических величин, статистические методы обработки результатов исследований, теория точности измерительных систем.
Достоверность изложенных положений работы подтверждается результатами экспериментальных исследований, а также опубликованными научными трудами, патентами РФ на изобретения. Достоверность и обоснованность полученных в работе научно-технических результатов и выводов обеспечивается применением апробированного математического аппарата и математически обоснованных численных методов при решении поставленных задач, основывается на данных натурных испытаний, использовании аттестованных измерительных средств, согласованности расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования, направленные на создание и развитие средств и методик измерения геометрических параметров ультрадисперсных частиц кластерных материалов сканирующим туннельным микроскопом, в ходе которых:
- разработан основополагающий принцип построения интеллектуального
цифрового СТМ (ЦСТМ) для изучения УДЧ с управлением параметрами пропор
ционально-интегрирующего-дифференцирующего (ПИД) регулятора в зависимости
от микрорельефа поверхности и величины измеряемого туннельного тока, предло
жена универсальная термокомпенсированная измерительная головка с многосекци
онным сканером, быстродействующим высокоточным шаговым пьезоприводом с
компенсацией силы трения, создан контрольно-испытательный комплекс с улуч
шенной защитой от акустических и электромагнитных воздействий для измерения
параметров УДЧ методами сканирующей туннельной микроскопии;
проведены численные исследования структуры токов системы измерительная игла-подложка, получены оценки эмиттирующей способности острия, параметров электронного пятна, угла электронной эмиссии, разрешения СТМ; введено количественное определение термина пространственное разрешение (ПР) СТМ;
дан анализ погрешностей определения геометрических параметров микрорельефа поверхности с учётом одновременного влияния конструктивных и схемотехнических особенностей СТМ, получены рекомендации по минимизации этой погрешности;
созданы методика и алгоритм восстановления исследуемой поверхности по ее топографическому СТМ-изображению с учетом растекания токов и реальной формы зондирующего острия; приведены результаты восстановления различных поверхностей нанообъектов;
предложен метод исследования микрорельефа как проводящих, так и непроводящих поверхностей образцов твердых тел, включающий формирование проводящей реплики исследуемой поверхности, сканирование этой реплики туннельным микроскопом с одной стороны, а затем с обратной - этой же иглой, но зеркально развернутой в плоскости сканирования, совмещение прямого и инвертированного обратного СТМ-изображений, реконструкцию реальной поверхности путем сравнения углов наклона касательных в соответствующих точках обеих СТМ-профилограмм;
предложена исключающая электрополировку технология изготовления игл, в которой переход от электрохимической к химической обработке осуществляется непосредственно перед моментом перетравливания «шейки» иглы, а окончательное перетравливание «шейки» осуществляется химическим способом;
разработаны модель и методика численного моделирования протекания процессов химического травления игл на основе уравнений гидродинамики и уравнений химической кинетики; установлены оптимальные параметры «шейки» заготовки иглы в момент перехода от электрохимической к химической обработке заготовки;
предложена методика расчета разрыва «шейки» заготовки ЗИ СТМ методами молекулярной динамики. Показано, что разрыв «шейки» и образование микротопологии острия, пригодной для дальнейшего атомарного заострения с использованием полевых методов, происходят при определенном весе и колебаниях нижней части заготовки ЗИ;
создана концепция сочетания адаптивных методов сканирования поверхности, в которой при обнаружении частиц используется нелинейное адаптивное сканирования с регулированием скорости сканирования, а при измерении их параметров линейное адаптивное сканирование с управлением параметрами ПИД-регулятора положения ЗИ; создана методика настройки параметров ПИД-регулятора с оценкой переходного процесса ЦОС по установившейся величине туннельного тока;
разработаны алгоритмы реализации измерений параметров УДЧ КМ, предложен алгоритм фильтрации СТМ-изображения с рассечением горизонтальными плоскостями; создана методика моделирования СТМ-изображения для зондирующей иглы с остриём различной конфигурации, разработан программно-методический комплекс в виде программного пакета STM-W5 для обработки и визуализации измерительной информации;
создано автоматизированное рабочее место оператора с многоступенчатой защитой от акустических и электромагнитных воздействий для изучения УДЧ методами сканирующей туннельной микроскопии. Разработаны методы и средства технической диагностики пьезоустройств, основанные на серийно выпускаемых средствах измерений.
На защиту выносятся результаты исследования по созданию математических моделей протекания туннельного тока в системе игла - подложка, системного анализа измерительной информации, разработки структуры и конструкции интел-
лектуального цифрового СТМ, совершенствования технологии изготовления атомарно острых зондирующих игл и методик восстановления СТМ-изображения:
методы повышения информативности и достоверности СТМ-изображений, основанные на исследовании влияния различных конструктивных параметров СТМ и зондирующего острия на величину туннельного тока и пространственное разрешение СТМ;
технология изготовления высокожестких атомарно острых зондирующих игл; технология подразумевает сочетание электрохимического и химического пере-травливания заготовок игл в специально созданном химическом растворе;
метод исследования непроводящих и проводящих образцов туннельным микроскопом, основанный на использовании реплики поверхности с последующим восстановлением реконструкцией реального микрорельефа поверхности на основе совмещения прямого и инвертированного СТМ-изображений;
принципы построения интеллектуального цифрового СТМ, предназначенного для исследования и контроля параметров УДЧ;
методы и алгоритмы исследования УДЧ, включающие построение теоретических изображений различных нанообъектов, методы адаптивного сканирования, фильтрации и обработки СТМ-изображений.
Практическая ценность работы определяется ее прикладной направленностью, ориентированной на использование полученных результатов при разработке новых методов и средств контроля в сканирующей туннельной микроскопии.
На основе теоретических и экспериментальных исследований созданы методологические основы повышения информативности измерительных средств СТМ для изучения УДЧ кластерных материалов, получены рекомендации по построению структуры интеллектуального ЦСТМ на базе сигнального процессора.
Разработанная технология изготовления атомарно острых игл с последовательным переходом от электрохимического к химическому травлению позволяет исключить электрополировку кончика игл и повысить разрешающую способность СТМ.
Предложенная методика контроля остроты игл путем измерения эмиссионного тока позволяет осуществлять контроль непосредственно в процессе заточки иглы в СТМ. Создана комплексная методика восстановления поверхностей нанообъектов по их СТМ-изображениям с учетом растекания туннельного тока и конкретных формы и размеров зондирующего острия.
Новый метод изучения микрорельефа поверхности с применением проводящей реплики позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие УДЧ.
Создан интеллектуальный ЦСТМ, разработан ряд алгоритмов решения измерительных задач СТМ в различных постановках для изучения ультрадисперсных частиц. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить задачу создания измерительного инструмента на базе СТМ для изучения УДЧ.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании программно-аппаратных средств и
методов для изучения параметров микрорельефа КМ и электрофизических характеристик реконструированных поверхностей и внедрены в ИПМ УрО РАН, УдГУ а также в учебном процессе ИжГТУ.
Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетной НИР, проводимой ИПМ УрО РАН и выполненной по постановлению ГКНТ №811 от 28.8.90 (1990-2000): «Разработка программно-аппаратных средств и методика изучения КМ на базе СТМ»; НИР, выполненных УДГУ в рамках научной программы «Университеты России - фундаментальные исследования»: «Разработка программно-аппаратных средств и исследование связей атомной структуры, электронного строения и химического состава с целью оптимизации электрофизических характеристик реконструированных поверхностей» (1995-1997) и «Разработка и исследование новых методов сканирующей туннельной микроскопии» (1998-1999), а также по проекту фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с СО и ДВО РАН в 2006-2007г. на тему: «Теория и технология формирования атомарно острых зондирующих острий сканирующего туннельного микроскопа».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: I Международной конференции «Датчики электрических и неэлектрических величин» (Барнаул, 1993); научно-технической конференции «Учёные ИжГТУ - производству» (Ижевск, 1994); международной научно-практической конференции «Пьезотехника - 94» (Томск, 1994); III Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1994); II Международной конференции «Датчики электрических и неэлектрических величин» (Барнаул, 1995); научно-технической конференции «Современные проблемы внутренней баллистики РДТТ» (Ижевск, 1996); IV Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» (Барнаул, 1997); семинарах научно-молодёжной школы «Информационно-измерительные системы на базе наукоёмких технологий» (по Целевой Федеральной Программе «Интеграция», проект №864, Ижевск, 1997-1998); семинаре научно-молодёжной школы «Кластерные системы и материалы» (Центр «Интеграция», Ижевск, 1997); II Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению (Москва - С.Петербург, 1997), 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 2001), международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002), трех научно-технических конференциях «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2003, 2006, 2007), международной конференции «Синергетические системы» (Улан-Удэ, 2002), двух международных конференциях «Зондовая микроскопия-2003,2004» (Нижний Новгород), шестой международной научно-технической конференции «Измерения, контроль, информатизация» (Барнаул, 2006), научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы» (Барнаул, 2006).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 101 публикации, в том числе: 1 монографии; 9 патентах РФ; 1 свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ. Автор имеет 23 публикации в изданиях,
выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем работы определяются общим замыслом и логикой проведения исследований. Диссертация содержит введение, 6 глав и заключение, изложенные на 350 с. машинописного текста. В работу включены 59 рис., 10 таблиц, список литературы из 315 наименований и приложение.
