Введение к работе
Актуальность темы.
Эффект экзоэлектронной эмиссии был открыт немецким физиком И. Крамером в 40-ых годах XX века. Крамером было установлено, что в результате холодной механической обработки металла поверхность образца может испускать электроны с энергией порядка одного электрон-вольта в течение нескольких часов. Различают термо- и фотостимулированную экзоэмиссию, возникающую после соответствующего воздействия на поверхность образца, предварительно активированную механическим или физико-химическим способом. Механическое воздействие, в результате которого возникает экзомиссия, называют механоактивацией. Ранее процессы экзоэмииссии, полученной при термо- и фотостимулировании, были изучены А.И. Виленским, В.А. Клюевой, Ю.П. Топоровым, Е.С. Ревиной и другими. Исследованиям механоактивационной экзоэмиссии, в частности при контролируемом локальном воздействии на поверхность, посвящено пока еще недостаточное для анализа и использования этого явления количество работ. Модели процессов, обобщающих эффект экзоэмиссии, также отсутствуют. Поэтому актуальной задачей является моделирование процессов механоактивационной экзоэмиссии на основе экспериментов по локальному воздействию зонда на исследуемый образец. Для решения задачи локального контакта был использован атомно-силовой микроскоп, позволяющий осуществить точечный контакт заостренного зонда с поверхностью. При этом в основу моделирования была положена закономерность напряженность - ток, предложенная и изученная Р. Фаулером и Л. Нордгеймом для объяснения возникновения электрического тока между электродами, находящимися в зоне действия сильного электрического ПОЛЯ.
В модель механоактивационной экзоэмиссии заложена информация о топологии (шероховатостьи) поверхностных слоев. При дальнейшей обработке сигналов, получаемых при сканировании поверхности в сканирующем зондовом микроскопе, применялся оригинальный перечислительный принцип классификации сигналов на основе полиномов Морса.
К проблеме моделирования процессов механоэлектронной эмиссии примыкает задача исследования механической устойчивости зонда, как статической, так и динамической. Исключительно важным направлением исследований является оценка трибосопротивления зонда при его движении относительно объекта сканирования.
Целью диссертационной работы является создание модели механоактивационной экзоэмиссии с привлечением закономерности Фаулера-Нордгейма, разработка перечислительного принципа классификации сигналов с учетом стохастической оценки параметров.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Обосновать физический подход к математическому моделированию с использованием известных процессов электронной эмиссии.
Построить модель механоактивационной экзоэмиссии на основе зависимости Фаулера - Нордгейма с учетом топологии (шероховатости) поверхности материала.
Разработать алгоритм программы моделирования механоактивационной экзоэмиссии и стохастической оценки ее параметров.
Промоделировать процессы механоэлектронной экзоэмиссии.
Оценить параметры закономерности Фаулера - Нордгейма в рамках стохастического моделирования.
Разработать методику классификации топологии поверхностей на основе полиномов Морса.
Разработать методику оценки трибосопротивления при перемещении зонда.
Методы исследования. В работе использовались методы математической статистики, теоретической физики, теории упругости.
Математическое моделирование, обработка результатов исследования выполнялись при помощи программного обеспечения Matlab и Origin; использовалось оригинальное программное обеспечение для расчетов полиномов Морса.
Научная новизна работы:
Построена модель взаимодействия зонда с поверхностью на основе зависимости Фаулера - Нордгейма.
Разработана методика классификации поверхностей на основе полиномов Морса.
Осуществлена стохастическая оценка параметров закономерности Фаулера - Нордгейма.
Составлен алгоритм и пакет программ для моделирования механоактивационной эмиссии.
Модельно осуществлен учет топологии (шероховатости) поверхности при реализации механоэлектронной эмиссии.
Оценена механическая динамическая устойчивость зонда при его воздействии на поверхность образца.
Оценено трибосопротивление зонда при его перемещении относительно исследуемого образца.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Программы моделирования механоактивационной эмиссии и стохастической оценки ее параметров.
-
Модель механоактивационной эмиссии на основе закономерности Фаулера - Нордгейма с учетом топологии (шероховатости) поверхностных слоев.
-
Результаты имитационного моделирования механоэлектронной эмиссии.
-
Результаты оценки динамической устойчивости зонда.
-
Методика оценки трибосопротивления при наносканировании образцов.
Достоверность научных результатов.
Теоретические исследования проводились на базе физики твердого тела, с использованием методов стохастических исследований. Математическое моделирование и обработка результатов осуществлялась при использовании среды MatLab и Origin.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы позволяют использовать закономерность Фаулера-Нордгейма и полиномы Морса для исследования механоактивационной экзоэлектронной эмиссии.
Результаты исследования нашли применение в учебном процессе на кафедрах «Нанотехнологий и материаловедения» и «Мехатроники».
Результаты работы нашли поддержку грантов: «Конкурс 2003 года на соискание грантов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России» Направление Физика. Шифр гранта АОЗ-2.9-67.Тема НИР «Исследование экзоэлектронной эмиссии с использованием метода сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии»; Научно-техническая программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: 208. «Электроника» Регистрационный номер проекта/НИР 04.01.016.Тема НИР «Нанотестер для диагностики и модификации наноструктур: создание и исследование методики, изготовление и испытание макетного образца». Номер государственной регистрации НИР 01.2.00366702, 2004 г; Международная Соросовская Программа образования в области точных наук. «Аспирант 2004 г».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях: XL научная и научно-методическая конференция НИУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2012 г; «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2012», Украина, 2-12 октября 2012 года; II межвузовская конференция молодых учёных СПбГУ ИМТО, 28-31 марта 2005 г; Четвертая международная конференция «Приборостроение в экологии и безопасности человека», Санкт-Петербург, 10 - 12 ноября 2004 г; "I конференция молодых учёных университета", 16-19 февраля 2004 г.; XXXIII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 2004 г.; 6 сессия международной научной школы "Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем" ВПБ-03 30 сентября - 03 октября 2003 г.; XXXII научная и учебно-методическая конференция СПбГИТМО (ТУ), посвященная 300-летию Санкт-Петербурга, 4-7 февраля, 2003 г.; Семинары на кафедре «Мехатроники» и «Нанотехнологий и материаловедения».
Публикации. На тему диссертации опубликованы 14 печатных работ, из которых 4 в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложений, изложенных на 93 страницах машинописного текста, и библиографического списка, включающего 70 источников.
