Введение к работе
Объектом исследования является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для изучения кластерных материалов (КМ), включающий зондирующую иглу (ЗИ) с электронным конусным лучом (ЭКЛ), как бесконтактный считывающий элемент (БСЭ) измерительной головки, и технические средства для выделения, обработки и визуализации измерительной информации (ИИ).
Предметом исследования являются модели для плотности тока системы зондирующая игла-подложка, алгоритмы решения измерительных задач, программно-аппаратное обеспечение СТМ.
Актуальность темы связана с необходимостью получения наиболее полной ИИ о геометрических параметрах ультрадисперсных частиц (УДЧ) с размерами 10-ЮООА для создания КМ с новыми сочетаниями механических и физико-химических свойств. КМ на основе УДЧ обладают принципиально новыми механическими, магнитными, каталитическими и другими физико-химическими свойствами, в связи с чем находят широкое применение во всех областях науки и техники.
Корректное определение характеристик УДЧ, анализ их латеральных и вертикальных закономерностей зависят от качества, достоверности и полноты ИИ. Из сравнения различных методов (электронная микроскопия, ЭПР, УФ и ИК спектроскопия, РФЭС и др.) исследования поверхности твёрдых тел можно сделать вывод, что для изучения КМ наиболее перспективны методы сканирующей туннельной микроскопии, позволяющие проводить с наиболее высоким пространственным разрешением (ПР) прямые неразрушающие измерения параметров УДЧ.
Таким образом, создание надёжного измерительного инструмента на базе СТМ является актуальной задачей. Для её решения необходимы исследования метрологических характеристик СТМ (в первую очередь, измерительного зонда, как БСЭ СТМ и др.), разработка и внедрение научно обоснованных программно-аппаратных средств, направленных на повышение точности ИИ, её информативности, достоверности, обработки, визуализации и интерпретации.
Цель работы - создание измерительного инструмента на базе СТМ для определения параметров УДЧ КМ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка и обоснование расчётной модели для анализа туннельного тока;
исследование параметров туннельного перехода зондирующая игла-подложка, влияющих на измерения параметров УДЧ;
разработка программно-аппаратных средств для обработки и визуализации измерительной информации;
определение погрешностей экспериментальных исследований.
Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические исследования и экспериментальную проверку полученных 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, 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.
Научная новизна работы состоит в следующих результатах:
выполнены обоснование, выбор и численный анализ расчётной модели для плотности тока туннельных переходов металл-изолятор-металл (МИМ);
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 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;
разработаны алгоритмы реализации измерений параметров УДЧ КМ, предложен алгоритм фильтрации СТМ-изображения с рассечением горизонтальными плоскостями;
создана методика моделирования СТМ-профилограммы для измерительной иглы с остриём различной конфигурации, разработан програмно-методический комплекс в виде программного пакета CTM-W для обработки и визуализации измерительной информации;
Практическая ценность и внедрение результатов работы
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить задачу создания измерительного инструмента на базе СТМ для изучения КМ.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании программно-аппаратных средств и методов для изучения параметров микрорельефа КМ и электрофизических характеристик реконструированных поверхностей, а также в учебном процессе ИжГТУ, УдГУ.
Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР, проводимых ИПМ УрО РАН и УдГУ:
- «Разработка программно-аппаратных средств и методика изучения КМ на ба
зе СТМ», выполненная в рамках постановления ГКНТ №811 от 28.8.90 (1990-2000г.);
- «Разработка программно-аппаратных средств и исследование связей атомной
структуры, электронного строения и химического состава с целью оптимизации элек
трофизических характеристик реконструированных поверхностей» (1995-1997г.), а
также «Разработка и исследование новых методов сканирующей туннельной микро
скопии (1998-1999г.), выполненные в рамках научной программы «Университеты Рос
сии - фундаментальные исследования».
Апробация н публикации. Основные 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).
Основной материал диссертации отражён в 35 научных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 169 наименований и приложения (Акты об использовании результатов работы). Работа содержит 173 стр. машинописного текста, включая 87 рис., 3 табл. и приложение.
