close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Локтионова Любовь Евгеньевна. Исследование поверхности сегнетоэлектриков на примере кристаллов титаната бария и сегнетовой соли

код для вставки
1
2
Содержание
Содержание..................................................................................................2
Введение.......................................................................................................4
Цель работы.................................................................................................6
Задачи...........................................................................................................6
Глава 1: Свойства титаната бария и сегнетовой соли
7
§1.1Кристаллическая решетка кристалла сегнетовой соли.
Кристаллическая структура кристалла сегнетовой соли ..............................7
§1.2Кристаллическая решетка кристалла титаната бария.
Кристаллическая структура кристалла титаната бария ..............................11
§1.3 Дефекты кристаллической структуры кристаллов сегнетовой соли и
титаната бария.................................................................................................13
§1.4 Структура поверхности кристалла сегнетовой соли .................15
§1.5 Структура поверхности кристалла титаната бария ...................18
Глава 2: Методика экспериментальных исследований 18
§2.1 Методы исследования поверхности твердых тел
18
§2.2 Сканирующая зондовая микроскопия 21
2.2.1 Сканирующий тоннельный микроскоп (СТМ) 22
2.2.2 Атомно- силовой микроскопия(АСМ)
23
2.2.3 Металлография 25
2.2.3.1 Металлографический микроскоп Альтами МЕТ 1М
§2.3 Образцы кристалла сегнетовой соли
27
26
3
§2.4 Образцы кристалла титаната бария
29
§2.5. Методы обработки АСМ и СТМ кадров
29
§2.6. Работа в исследовательской группе со школьниками
Глава
3:
результаты
экспериментальных
32
исследований
и
их
обсуждение……………………………………………………………………………..33
§3.1Металлографические исследования монокристалла титаната бария
и сегнетовой соли 33
§3.2 Анализ и обработка кадров монокристаллов титаната бария и
сегнетовой соли на АСМ микроскопе 44
§3.3 Особенности структуры поверхности кристалла титаната бария и
сегнетовой соли
54
Заключение 55
Список литературы 56
4
Введение
В 1880 году братья Пьер и Жак Кюри заметили, что при растяжении, сжатии
или изгибе некоторых естественных кристаллов сегнетовой соли на их гранях
возникают
электрические
заряды.
Это
явление
ученые
назвали
«пьезоэлектричеством», от греческого слова «пьезо» — давить. И когда ученые
стали искать кристаллы с хорошим пьезоэффектом, оказалось, что вне конкуренции
идет здесь сегнетова соль ее химическая формула KNaC4H4O6 • 4Н2О . Она дала
название
новому
направлению
в
технике
—
сегнетоэлектричеству.
Сегнетоэлектрики — диэлектрики, которые обладают в определенном интервале
температур
спонтанной
(самопроизвольной)
поляризованностью,
т.
е.
поляризованностью в условиях отсутствия внешнего электрического поля.
Наиболее характерная особенность сегнетовой соли — наличие у нее двух
точек Кюри. В кристаллах сегнетовой соли сегнетоэлектрическое состояние
существует лишь в интервале температур примерно от -18 до +24 °C. Нижняя
критическая температура (около -18 °С) носит название нижней точки Кюри. Она
характеризуется такой же большой аномалией диэлектрической проницаемости,
как и нормальная точка Кюри вблизи +24 °C, которая называется верхней точкой
Кюри.
Поскольку сегнетова соль имеет большую диэлектрическую проницаемость,
на её основе можно изготавливать сложные диэлектрики и использовать их для
изготовления конденсаторов большой емкости, можно изготавливать нелинейные
конденсаторы (так называемые вариконды).
Калий-натрий виннокислый, также
применяется в качестве компонента для гальванических ванн, при серебрении
зеркал, в радиотехнике, медицине и даже в пищевой промышленности, как
эмульгатор в сыроварении.
От, сегнетовой соли NaKC4H4O6•4Н2O
было получено название- титанат
бария ВаТiO3. Титанат бария- сегнетоэлектрик, по своему
техническому
применению , занимающий одно из ведущих мест. Изучение нелинейных свойств
5
титаната бария (BaTiO3), начатое Б. М. Вулом в 1944 послужило импульсом к
развитию
теоретических
и
экспериментальных
работ
в
области
сегнетоэлектричества.
В кристаллах титаната бария наблюдаются три фазовых перехода,
сопровождающиеся изменением структуры и свойств. Фазовые переходы в
титанате бария относятся к переходам типа смещения.[7]
Титанат бария используется в качестве диэлектрика при изготовлении керами
ческих конденсаторов, а также вкачестве материала для пьезоэлектрических микро
фонов и пьезокерамических излучателей.
Наличие таких свойств как переключение поляризации, высокие значения
диэлектрической
проницаемости,
пьезоактивность
открывает
диэлектрическая
широкие
нелинейность,
перспективы
для
пиро-
и
использования
сегнетоэлектриков в различных устройствах функционального назначения.
В связи с тенденциями минитюаризации элементов электроники, внимание
ученых все больше привлекают поверхностные структуры кристаллов титаната
бария. Поверхность является одним из основных дефектов трехмерной структуры
кристаллов и обладает гетерогенностью физических и геометрических свойств.
Изменяя морфологию поверхности на наноуровне становится возможным
управлять ее свойствами и создавать конструкционные и функциональные
материалы.
Поверхность
кристаллов
титаната
бария
и
сегнетовой
соли
исследовалась в малой степени, поэтому тема курсовой работы является
актуальной и представляет интерес как с научной, так и с практической точки
зрения.
6
Цель работы
Целью данной работы является исследование поверхности монокристалла
титаната бария методами сканирующей зондовой микроскопии.
Задачи
-обобщение литературных материалов по исследованию поверхности
кристаллов титаната бария.
-исследование
поверхности скола кристалла титаната бария методами
сканирующей зондовой микроскопии.
-составление карты дефектных областей поверхности скола кристалла
титаната бария.
7
Глава 1: Свойства титаната бария и сегнетовой соли
§1.1 Кристаллическая решетка кристалла сегнетовой соли.
Кристаллическая структура кристалла сегнетовой соли.
Кристаллическая решётка вещества– это структура с геометрически
упорядоченным расположением частиц (атомы, молекулы либо ионы) в
определённых точках пространства. В различных решетках различают межузловое
пространство и непосредственно узлы – точки, в которых расположены сами
частицы. Расстояние между узлами одной кристаллической ячейки называется
периодом идентичности. Пространственные углы, под которыми расположены
узлы
ячейки,
кристаллические
называются
решетки
параметрами.
могу
быть
По
способу
простыми,
построения
связей
базоцентрированными,
гранецентрированными и объемно-центрированными. Если частицы вещества
расположены лишь в углах параллелепипеда, такая решетка называется простой
8
(рис 1.1). Если, кроме узлов, частицы вещества расположены и в середине
пространственных диагоналей, то такое построение частиц в веществе имеет
название объемно-центрированной кристаллической решетки (рис 1.2). Если
кроме узлов в вершинах решетки имеется узел и в месте, где пересекаются
воображаемые
диагонали
параллелепипеда,
то
перед
вами
-
гранецентрированный тип решетки (рис 1.3).
Кристаллическая
решётка
бывает
четырех
типов:
металлическая,
молекулярная, атомная, ионная. Типы решеток определяются в соответствии с
видом частиц, расположенных в их узлах, а также характером связей между ними.
[6]
Кроме
понятия кристаллическая
решётка, имеется-
кристаллическая структура кристалла. Структура кристалла – это физическая
реальность, конкретное расположение в пространстве различных атомов. Для
более полного описания структуры кристаллов используют понятие базис. Базисом
кристаллической
структуры называют
совокупность
определённым
образом
расположенных в пространстве различных атомов, приходящихся на одну
элементарную ячейку. Т.е. перечисляются все полностью принадлежащие одной
элементарной ячейке атомы, вместе с их координатами в этой ячейке.
Базис сложных органических кристаллов, состоящих из больших молекул,
может включать в себя несколько тысяч различных атомов. В простейшем случае,
9
когда в узлах кристаллической решётки расположены однотипные атомы или
ионы, базис состоит только из одной или нескольких таких частиц.
Система симметрии, величина периодов решётки и базис полностью
определяют кристаллическую структуру конкретного материала. Если известны эти
параметры, то известной считается и структура кристалла. Однако для более
полного описания структуры иногда используют такие дополнительные параметры
как координационное число и коэффициент компактности. Координационным
числом называют
число
ближайших
равноудалённых
соседей
любого
атома. Коэффициент компактности (степень компактности) представляет собой
отношение объёма, занятого атомами, ко всему объёму элементарной ячейки. В
случае чистых металлов коэффициент компактности может достигать величины
0,74. Это означает, что 74 % объёма металла занято атомами, а остальную его часть
составляют пустоты (поры).
Сегнетова соль кристаллизуется в виде ромба, наиболее часто наблюдается
форма, представляющая комбинацию из десяти граней призмы и двух
замыкающих ее граней пинакоида (рис 1.4).
Иногда при росте кристалла какая-нибудь грань сильно увеличивается в
ущерб другой, а некоторые грани вообще не появляются. Для определения граней
на таком кристалле пользуются основным законом кристаллографии — законом
10
постоянства углов. Какой бы вид ни имел кристалл, углы между гранями остаются
неизменными. Так что угол между гранями P1 и Р2 всегда равен 163°, между Р и а
— 140°, a и P2 - 118° и т. д.
Знание граней в кристалле необходимо потому, что пьезоэффект проявляется
не на всех гранях и не с одинаковой силой. Для сегнетовой соли наибольший
пьезоэффект наблюдается на грани а.
Стоит помнить, что спонтанная поляризация, в кристалле сегнетовой соли,
существует только внутри температурного интервала от +24,5оС до –18оС. Проекция
на плоскость 001 структуры сегнетовой соли в сегнетоэлектрической фазе
изображена на рисунке 1.5. И только вне сегнетоэлектрической области
температур
сегнетова
соль,
будучи
нецентросимметричной,
обладает
пьезоэлектрическими свойствами. Фазовый переход в сегнетовой соли связан с
упорядочением водородных связей.[15]
11
Структура сегнетовой соли достаточно сложная, для нее характерно наличие
бесконечных спиральных цепочек водородных связей: О-Н…О, между молекулами
кристаллизационной воды и атомами кислорода анионов (рис 1.6).
Было выявлено много соединений, обладающих подобной ромбической
структурой или близкой к ней, им найдены важные технические применения.
Температура Кюри и другие сегнетоэлектрические характеристики существенно
зависят от состава таких соединений.
§1.2 Кристаллическая решетка кристалла титаната бария.
Кристаллическая структура кристалла титаната бария
Исследуемый в работе кристалл титаната бария BaTiO3 имеет несколько
кристаллических модификаций. При температурах выше 120оС титанат бария
имеет кубическую кристаллическую структуру типа перовскита. При температуре
около 120оС, являющейся для титаната бария температурой Кюри, в титанате бария
происходит фазовый переход, и в интервале температур от температуры Кюри до
температуры
примерно
5 оС
BaTiO3 является
сегнетоэлектриком,
имеющим
тетрагональную симметрию. При температурах ниже 5 оС по мере того, как ионы
титаната бария смещаются вдоль других осей куба, происходит второй фазовый
переход, кристалл становится ромбическим. Вблизи температур -70оС — -90оС
титанат бария испытывает третий фазовый переход и ниже этих температур имеет
ромбоэдрическую структуру.[16]
12
Элементарная ячейка решётки показана на рис. 1.4. Она достаточно проста
для исследования методом рентгеноструктурного анализа и дала первую детальную
картину атомных смещений, сопутствующих установлению сегнетоэлектричества.
Выше температуры Кюри кристалл имеет объемноцентрированную кубическую
решетку. При температуре равной температуре Кюри, ион титана скачком
смещается вдоль одной осей куба (рис. 1.5), в результате чего возникает
тетрагональная структура. Соединенные ионы титана смещаются в том же
направлении, что и приводит к появлению макроскопической поляризации, то есть
сегнетоэлектричеству. При температурах ниже комнатной по мере того, как ионы Ti
смещаются вдоль других осей куба, происходят два дальнейших фазовых перехода
в орторомбическую и ромбоэдрическую структуры. Было выявлено много
соединений, обладающих подобной простой структурой перовскита или близкой к
ней, им найдены важные технический применения. Температура Кюри и другие
сегнетоэлектрические характеристики существенно зависят от состава таких
соединений.
Как уже говорилось ранее, структура кристалла – это физическая реальность,
конкретное расположение в пространстве различных атомов. Для более полного
описания структуры кристаллов используют понятие базис- совокупность
определённым образом расположенных в пространстве различных атомов,
приходящихся на одну элементарную ячейку.
13
Если структуру металла описывает кристаллическая решётка с примитивной
ячейкой (рис. 1.4), то базис такой структуры состоит только из одного атома
данного металла. В случае объёмноцентрированной ячейки базис составляют 2
атома металла (атом в центре ячейки полностью принадлежит данной ячейке,
плюс
один
атом
дают
узлы,
расположенные
в
вершинах
ячейки),
а
гранецентрированной – 4 (каждый из 6 атомов, расположенных в центрах граней,
принадлежит рассматриваемой ячейке только на ½ часть).
Титанат бария (BaTiO3) - это диэлектрик, химические связи в нем ионноковалентные. Он кристаллизуется в структуру перовскита (рис. 1.6, а), в которой
каждый атом титана окружен шестью атомами кислорода, которые расположены в
вершинах октаэдра, каждый атом бария - двенадцатью атомами кислорода, атом
кислорода - двумя атомами титана (рис. 1.6, б).
Атомы кислорода располагаются в вершинах правильных октаэдров, в центре
которых расположены атомы титана.
Иногда (в предположении преимущественно ионной связи) структуру BaTiO3
представляют как плотнейшую кубическую упаковку, образованную ионами O2 и
14
Ba2+, в части октаэдрических пустот которой размещены ионы Ti4+. На одну
элементарную ячейку BaTiO3 приходится четыре октаэдрических и восемь
тетраэдрических пустот. Ион Ti4+ занимает одну из октаэдрических пустот,
образованных ионами кислорода. Титанат бария при комнатной температуре
имеет поликристаллическую структуру перовскита. [4]
§1.3Дефекты кристаллической структуры кристалла сегнетовой соли и
титаната бария
Нарушение правильности в расположении частиц, слагающие структуры
реальных кристаллов, т.е. отклонения от их идеальной структуры, порождают
дефекты. Для исследователя дефект – это источник информации о событиях,
произошедших с кристаллом. В реальных кристаллах всегда присутствуют
структурные дефекты, которые оказывают существенное влияние на многие
свойства
твердых
тел.
К
этим
свойствам,
именуемым
структурно-
чувствительными, относятся те, которые связаны с движением атомов или
электронов. Это механические свойства (прочность и пластичность), ионная и
полупроводниковая электропроводность, люминесценция, фотопроводимость,
теплопроводность, скорость диффузии и фазовых превращений, и ряд других.
Дефекты — любые отклонения от периодической структуры кристалла —
классифицируют по их размерам и протяженности областей решетки, на которое
распространяется
их
действие.
Выделяют
следующие
типы
дефектов
кристаллической решетки:
1) Точечные или нульмерные дефекты — нарушения в периодичности в
изолированных друг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они не
превышают одного или нескольких междуатомных расстояний (параметров
решетки). Точечные дефекты — это вакансии, междоузельные атомы, атомы
примеси, внедренные или в позиции замещения.
2) Линейные дефекты — одномерные, т. е. протяженные в одном измерении:
нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния,
15
сравнимые с размером кристалла, а в двух других не превышают нескольких
параметров решетки. Специфические линейные дефекты — это дислокации.
Неустойчивые линейные дефекты могут возникать из цепочек точечных
дефектов.
3) Поверхностные или двумерные дефекты. Простираются в двух измерениях на
расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем составляют несколько
параметров решетки. Это плоскости двойникования у двойников, границы зерен и
блоков, дефекты упаковки, стенки доменов, и сама поверхность кристалла.
4) Объемные или трехмерные. Это пустоты, поры, частицы другой фазы,
включения.[5]
Кроме перечисленных, можно выделить особую группу дефектов, характерную, в
основном,
для
полупроводниковых
кристаллов
—
микродефекты.
Под
микродефектами понимают любые дефекты структуры субмикронных размеров.
Выше перечисленные дефекты присутствуют в исследуемых в работе кристаллах.
§1.4 Структура поверхности кристалла сегнетовой соли
Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле
диэлектрические материалы поляризуются. При этом, каждая элементарная
ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю,
а суммарный дипольный момент единицы объема, определяет вектор поляризации
P=pi. В обычных диэлектриках поляризация однозначна и линейно зависит от
величины
внешнего
электрического
поля,
поэтому
диэлектрическая
восприимчивость, почти у всех диэлектриков величина постоянная PE=χ=const.
Кристаллические
решетки
большинства
диэлектриков
построены
из
положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ, наиболее
высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием
внешнего электрического поля кристалл поляризуется и симметрия его
16
понижается, когда внешнее электрическое поле понижается - кристалл
восстанавливает свою симметрию.
В сегнетоэлектриках - электрическая поляризация возникает при отсутствии
внешнего электрического поля. Обычно, спонтанная поляризация неоднородна,
кристалл разбивается на домены- области с однородной поляризацией. Линейные
размеры доменов, достигают порядка, но могут доходить и до сантиметров.
Домены в реальном кристалле сегнетовой соли представляют собой
пластинки, параллельные ромбическим плоскостям. (рис. 1.7(а)) При наблюдении
в поляризованном свете из- за различной ориентацией ячеек в соседних доменах
можно различать домены с противоположной ориентацией вектора спонтанной
поляризации. Микрофотография доменов сегнетовой соли в поляризованном свете
представлена на рисунке 1.7(б). Тёмные и светлые области соответствуют
доменам
с
противоположным
направлением
перпендикулярной к плоскости рисунка.
спонтанной
поляризации,
17
В соседних доменах направление вектора спонтанной поляризации
различно, а величина – одинакова. Поперечные размеры домена обычно порядка
10-5-10-3см. Переходная область между доменами (доменная граница или стенка)
имеет ширину примерно 10-7см (иногда до 10-5см). Доменная конфигурация
зависит от размеров и формы образца, наличия неоднородностей и дефектов в
кристалле и т.п., а также от симметрии кристалла, которая определяет число
возможных направлений спонтанной поляризации. У сегнетовой соли – 2
возможных антипараллельных направления, а, к примеру, у титаната бария
BaTiO3 – 6 направлений.
Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию. У
сегнетоэлектриков, направление поляризации может быть изменено внешним
электрическим полем.
Существует
гистерезисная
зависимость
между
переориентацией
сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля. В достаточно слабых полях
поляризация линейно зависит от величины поля, при его дальнейшем увеличении
все домены ориентируются по полю, переходя в режим насыщения. При
18
уменьшении поля до нуля, кристалл остается поляризованным. Отрезок СОостаточная поляризация. (рис. 1.8) Поле, при котором происходит изменение
направления поляризации (отрезок DO) называют- коэрцитивной силой. Наконец,
кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении
поля,
кривая
поляризации
замыкается.
Но,
следует
помнить,
что
сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной
области температур. В сегнетовой соли сегнетоэлектрические свойства- полярная
сегнетоэлектрическая фаза, проявляются в интервале температур ограниченном
двумя точками Кюри, верхней +24,5оС и нижней –18оС (модификация, в которой
спонтанной поляризации нет - неполярная пароэлектрическая фаза).
§1.5
Структура
поверхности
кристалла
титаната
бария
C точки зрения кристаллохимии диэлектрические свойства титаната бария
определяются следующими факторами. Существует два возможных варианта
строения элементарной ячейки перовскита BaTiO3:
(1) Тi4+ размещается в вершинах, Ва2+ - в центре куба, а O2- - в середине ребер;
(2) ионы Ва2+ размещаются в вершинах куба, Ti4+ - в центре, а ионы O 2– – в
19
центрах граней. С химической точки зрения (возможности квантово-химического
расчета и экспериментального регулирования свойств диэлектриков) структура
перовскита состоит из октаэдров TiO 6 , а ионы Ba2+ размещаются в образующихся
пустотах. В такой идеальной структуре, существующей при температурах выше
120 С, все заряды расположены симметрично, собственный дипольный момент
отсутствует и BaTiO3 является обычным диэлектриком с высокой температурой.
При снижении температуры ионы Ti4+ смещаются к вершине октаэдра на 0,1 Å,
что
подтверждается
данными
рентгеноструктурного
анализа.
При
этом
образуются домены размером 1...10 нм с одинаковым направлением вектора
поляризации
(в
пределах
кристаллографическом
домена
поляризация
направлении).
обычно
в
Собственная
одном
поляризация
сегнетодиэлектрика равна векторной сумме поляризаций доменов.[10]
Глава 2: методика экспериментальных исследований
§2.1 Методы исследования поверхности твердых тел
В основе большинства физических методов лежит изучение характера
взаимодействия электромагнитного либо корпускулярного излучения с веществом.
На сегодняшний момент существует очень большое количество методов, которые
не
поддаются
классификации.
Среди
них
выделяют
две
большие
группы: различные молекулярные спектроскопические методы исследования
поверхности. Вторая группа – методы исследования твердотельных образцов в том
виде, в котором они получены. Само выражение «исследование поверхности»
подчеркивает
высокую
чувствительность
этих
методов,
а
также
вполне
определенную, как правило, небольшую, глубину зондирования, позволяющую
отличить поверхность от объёма.
Выбор
рассматриваемых
методов диктуется
следующими
обстоятельствами: общеупотребительность, взаимодополняемость, доступность.
Все эти методы реализованы в стране в тех или иных институтах.
20
Все методы базируются на эффекте взаимодействия зондирующего пучка с
поверхностью образца. В качестве зондирующего излучения рассматриваются
фотоны, электроны и ионы. Эффектами являются поглощение, рассеяние и
отражение, генерация вторичных частиц в виде фотонов, электронов, ионов и
молекулярных фрагментов. Иначе говоря, мы можем следить за протеканием
эффектов, регистрируя ионные, фотонные и электронные потоки. Единственное,
следует иметь в виду, что эти потоки могут быть обусловлены первичным либо
вторичным излучением. Следить– значит, что нас интересует энергия и
интенсивность излучения с поверхности образца. Такое многообразие как средств
зондирования, так и эффектов, происходящих при зондировании, породило очень
большое количество методов исследования поверхности.
На
сегодняшний
употребительных
момент
методов,
сформировался
которые
в
комплексе
набор
дают
из
наиболее
исчерпывающую
информацию об образце.
Итак, пусть на образец действуют рентгеновским излучением и в результате
облучения выбиваются электроны. Мы исследуем энергетический спектр этих
электронов. Метод получил название рентгенофотоэлектронной спектроскопии.
Действуем электронным пучком, а регистрируем рентгеновское излучение,
возникающее при торможении электронов. Это метод рентгенофлуоресцентной
спектроскопии.
Поскольку
электронным
пучком
легко
манипулировать,
исследование можно проводить в различных точках. Это обстоятельство
подчеркивается другим названием метода «электронный микрозонд».
21
Взаимодействие поверхности с пучком электронов, приводящее к генерации
пучка вторичных электронов, называется Оже-электронной спектроскопией (по
имени открывшего). Вторичные электроны в методе называются Оже-электронами.
Дополнительные возможности открываются при использовании ионных
пучков. Если пучок ионов рассеивается при взаимодействии с образцом и мы
исследуем
энергетический
профиль
рассеянных
ионов,
такой
метод
называется обратным резерфордовским рассеянием. Название показывает, что
схема эксперимента схожа со знаменитым опытом Резерфорда с α-частицами.
Если ионы, используемые для бомбардировки образца, имеют достаточно
большую энергию, то результатом взаимодействия с атомами образца может быть
инициирование
ядерных
реакций,
за
ходом
которых
можно
следить
соответствующие виды излучения (альфа, бета, гамма). Это метод ядерных
22
реакций.
Наконец, если поверхность образца облучается ионами, то в результате
можно наблюдать её распыление. А образующиеся распыленные частицы можно
исследовать масс-спектрометрически. Метод получил название вторично-ионной
масс-спектрометрии[11]
§2.2 Сканирующая зондовая микроскопия
Сканирующая зондовая микроскопия— область микроскопии, в которой
изображение поверхности объекта формируется с помощью зонда, сканирующего
его поверхность. Изображение получается путем механического перемещения
зонда по траектории в виде растра (строка за строкой) и регистрации
взаимодействия между зондом и поверхностью как функции его положения
(координат).
Активное развитие сканирующей зондовой микроскопии началось с момента
изобретения сканирующего туннельного микроскопа в 1981 г. В настоящее время
разрешающая способность для различных видов СЗМ изменяется от субмикронной
до
атомной.
Это
пьезоэлектрических
в
значительной
двигателей,
степени
которые
обусловлено
возможностями
обеспечивают
прецизионные
перемещения с субнанометровой точностью.
Сканирующие зондовые микроскопы могут регистрировать несколько
взаимодействий одновременно. В зависимости от типа взаимодействия, которое
используют для построения изображения, различают различные моды (режимы)
работы микроскопов.
23
Основными преимуществами методов сканирующей зондовой микроскопии
являются:
1. высокая локальность, которая определяется взаимодействием зонда и
поверхности;
2. возможность использования зонда для модификации поверхности объекта;
3. возможность использования не только в вакууме, но и на воздухе и в
жидкой среде.
Основными недостатками СЗМ являются:
1. сильная зависимость результатов от формы и природы зонда;
2. низкая скорость, обусловленная механической системой сканирования;
3. искажения латеральных расстояний и углов, что связано с температурным
дрейфом, нелинейностью функционирования пьезокерамики и тем фактом, что
данные от различных участков растра получены в разные моменты времени.[12]
2.2.1 Сканирующий тоннельный микроскоп (СТМ)
Сканирующая туннельная микроскопия - это один из методов сканирующей
зондовой микроскопии (СЗМ),в котором анализируют плотность состояний
атомов поверхности с помощью измерения туннельного тока. Предназначен для
исследования поверхности проводящих веществ и материалов на атомном уровне и
для формирования трехмерного изображения поверхности. Метод является также
одной из технологий, позволяющих создавать на поверхности вещества (материала)
искусственные наноструктуры путем перемещения отдельных атомов. Метод
может быть использован не только в условиях сверхвысокого вакуума, но и на
воздухе, в газах и в жидкости, а также при температурах, начиная от долей градуса
Кельвина и почти до 1000 К.
Метод был изобретен в начале 1980-х гг. Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и
Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer), которые в 1986 г. за это изобретение получили
Нобелевскую премию по физике.
24
Метод
сканирующей
туннельной
микроскопии
основан
на
квантовом туннелировании. Иглы-зонды обычно изготавливают из металлической
проволоки (например, W, Pt–Ir, Au). Острая игла микроскопа помещается настолько
близко к исследуемой поверхности, что волновые функции наиболее близкого
атома иглы и атомов поверхности образца перекрываются. Если приложить
напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный
ток.
Сканирование поверхности ведется тонким металлическим зондом, на конце
которого
в
предельном
случае
атом. Пьезоэлектрические устройства
исследуемого
может
подводят
электропроводящего
находиться
иглу-зонд
объекта.
всего
к
один
поверхности
Пьезоэлектрические
двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца,
формируя растр так, как это делается в электронном микроскопе. Зонд двигается
вверх и вниз в соответствии с рельефом поверхности благодаря механизму
обратной связи, который улавливает начинающееся изменение туннельного тока и
изменяет напряжение, прикладываемое к третьему манипулятору. Третий
манипулятор передвигает зонд по вертикали таким образом, чтобы величина
туннельного тока не менялась, т. е. чтобы зазор между зондом и объектом
оставался постоянным. По изменению напряжения компьютер строит трехмерное
изображение поверхности. Разрешающая способность микроскопа достигает
атомного уровня, т. е. могут быть видны отдельные атомы, размеры которых
составляют ~0,2 нм.
2.2.2 Атомно- силовой микроскоп (АСМ)
Атомно-силовая микроскопия— один из методов зондовой сканирующей
микроскопии, применяемый для исследования локальных свойств поверхности, в
котором
анализируют
силу
взаимодействия
иглы
кантилевера (зонда)
с
поверхностью исследуемого образца в процессе сканирования. АСМ также
25
используется
для
направленного
модифицирования
поверхности
вещества
(материала) на уровне отдельных атомов.
Атомно-силовой микроскоп был изобретен Биннигом, Квоутом и Гербером
(Binnig, Quate, Gerber) в 1986 г. В отличие от сканирующей туннельной
микроскопии, АСМ позволяет исследовать как проводящие, так и непроводящие
поверхности. Пространственное разрешение атомно-силового микроскопа зависит
от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного
уровня по горизонтали и существенно превышает его по вертикали. Обычно под
взаимодействием понимают притяжение зонда и поверхности под действием сил
Ван-дер-Ваальса и отталкивание за счет электростатических сил (но, следует
помнить, что существует целый ряд модификаций метода для анализа иных
взаимодействий, например, электростатических, магнитных, сил трения). В случае
если игла находится на достаточно большом расстоянии от образца, зонд слабо
притягивается к нему. С уменьшением расстояния это притяжение увеличивается
до тех пор, пока электронные облака иглы и атомов поверхности не начнут
испытывать электростатическое отталкивание. Сила притяжения и отталкивания
уравновешиваются на расстоянии порядка длины химической связи (несколько
десятых нм); при меньших расстояниях доминирует отталкивание.
В зависимости от расстояний от иглы до образца, используемых для
получения АСМ-изображений, возможны следующие режимы (моды) работы АСМ:

контактный режим (contact mode);

бесконтактный режим (non-contact mode);

полуконтактный режим (tapping mode).
При контактном режиме расстояние от иглы до образца составляет порядка
нескольких десятых нанометра. Таким образом, игла АСМ находится в мягком
физическом контакте с образцом и подвержена действию сил отталкивания.
В этом случае взаимодействие между иглой и образцом заставляет
26
кантилевер изгибаться, повторяя топографию поверхности. Топографические
изображения в АСМ обычно получают в одном из двух режимов:

режим постоянной высоты;

режим постоянной силы.
При бесконтактном режиме (режиме притяжения) кантилевер с помощью
пьезокристалла колеблется над изучаемой поверхностью с амплитудой ~2 нм,
превышающей расстояние между зондом и поверхностью. По изменению
амплитуды или сдвигу резонансной частоты колебаний в ходе сканирования
поверхности определяется сила притяжения и формируется изображение
поверхности.
Полуконтактный режим аналогичен бесконтактному режиму с тем отличием,
что игла кантилевера в нижней точке своих колебаний слегка касается поверхности
образца.
При использовании АСМ в нанолитографии работа ведется в контактном
режиме с контролируемым перемещением острия зонда по заданной схеме.
При использовании специальных кантилеверов можно также изучать
электрические и магнитные свойства поверхности.[12]
2.2.3 Металлография
Металлографический
микроскопа,
микроскоп -
предназначенный
специальный
для
вид оптического
исследования
структуры сплавов (металлография) и др. твёрдых, как правило, непрозрачных тел.
В оптическом микроскопе изображение создается за счет различного
отражения «видимого» света различными точками образца, причем степень
отражения может зависеть от длины падающей волны света. Отражение является
упругим процессом. Изображение объекта в оптическом микроскопе создается при
27
помощи системы стеклянных линз, имеющих более высокий показатель
преломления, чем воздух.
При использовании двояковыпуклой линзы сферическая форма ее передней
и задней поверхностей способствует тому, что параллельный пучок света,
падающий на переднюю поверхность, собирается в точку на расстоянии,
называемым фокусным расстоянием. Если линза вогнутая (отрицательный радиус
кривизны поверхности), параллельный луч за линзой расходится так, как будто он
излучается мнимым точечным источником, находящимся перед линзой. Эту точку
называют мнимым фокусом, а фокусное расстояние считают отрицательным.
Передняя и задняя поверхности линзы могут иметь различный знак
кривизны. Суммарная кривизна двух поверхностей определяет, является ли линза
положительной или отрицательной. Аналогично, стекло может иметь различный
показатель преломления. В оптических микроскопах используют как выпуклые, так
и вогнутые линзы с соответствующими коэффициентами преломления. Собранные
в оптические системы, они формируют различные узлы оптической схемы
микроскопа. Системы могут состоять как из одной-двух линз, так и из 10-12 линз. В
зависимости
от
положения
в
микроскопе,
их
называют объективом,
промежуточной оптической системой и окуляром.
2.2.3.1 Металлографический микроскоп Альтами МЕТ 1М
Металлографический инвертированный цифровой комплекс Альтами МЕТ
1М предназначен для исследования микроструктуры металлов и сплавов в
отраженном свете в светлом поле при прямом освещении.
Микроскоп применяется в металлографических лабораториях научноисследовательских
институтов
и
предприятий
металлургической,
микроэлектронной, машиностроительной промышленности, а также в учебных
заведениях.
28
Наличие фотоприставки дает возможность получать цифровые снимки
высокого качества на экране компьютера или телевизора с последующей
обработкой или оценкой компьютерными методами.
Металлографическая
микроскопия
является
универсальным
методом
получения микроскопических изображений кристаллов. Наличие цифровой камеры
позволяет получать изображения поверхности в реальном времени. Специальный
пакет программного обеспечения Altami Studio 2.0 дает возможность для обработки
и анализа МГ- кадров, а также позволяет управлять устройствами захвата
изображения.
Рис.2.1 общий вид микроскопа
§2.3 Образцы кристалла сегнетовой соли
29
Сегнетова соль, которую выпускают химические заводы, имеет вид белого
мелкокристаллического порошка. Для его получения, к раствору винной кислоты
Н2С4Н4О6 примешивают раствор поташа К2СО3, происходит замещение одной
молекулы водорода, и получается кислый виннокислый калий КНС 4Н4О6. Если к
нему добавить раствор соды Na2CO3 • 10H2O, то в осадок выпадет сегнетова соль.
Но для практического применения, необходимы большие безупречные кристаллы.
Промышленное выращивание таких кристаллов производится в термостатах
— сосудах, где температура поддерживается неизменной в течение длительного
времени или изменяется по желанию. В основу процесса кристаллизации положено
свойство большинства солей увеличивать свою растворимость с повышением
температуры. Чем выше температура, тем больше можно растворить соли. При
выращивании кристаллов таким способом, приготовляют насыщенный раствор.
Затем в него опускают затравку в виде небольшого кристаллика и температуру в
кристаллизаторе
немного
понижают.
Излишки
соли,
содержащейся
в
пересыщенном растворе, постепенно усваиваются затравкой. Искусственное
перенасыщение раствора можно создать и за счет отбора растворителя — воды. Для
этого внутреннюю часть крышки, закрывающей кристаллизатор, изготавливают в
виде конуса, а в центре закрепляют емкость для сбора стекающего с крышки
конденсата. Конденсат из емкости удаляют небольшими порциями с помощью
вмонтированного в крышку сифона, изготовленного из тонкой стеклянной
трубочки, имеющей на конце сливной кран.
Получить кристаллы сегнетовой соли в домашних условиях вполне реально.
В своей работе я использовала следующий метод:
готовый порошок
KaNaC4H4O6∙4H2O, растворила в кипящей воде. Полученный раствор отфильтровала с
помощью фильтровальной бумаги. На следующий день, на дне образовались
маленькие кристаллики соли, выбрав самый красивый и привязав его на нитку, я
снова поместила кристалл в раствор. Через несколько дней образец был готов для
дальнейшего исследования. Вышеописанным способом, мне удалось получить
кристаллы длинной до двух сантиметров, с явно выраженными гранями.
30
Для получения снимков поверхности на атомно- силовом микроскопе Nano
Edukator,
кристалл
сегнетовой
соли
был
сколот
параллельно
пластинам
(продольный скол кристалла). Образцы исследования представляли собой
монокристаллы KaNaC4H4O6∙4H2O размером 4х6 мм. Исследование проводилось на
сканирующем зондовом микроскопе в АСМ- режиме. В качестве зонда
использовался отрезок вольфрамовой проволоки длинной 4 мм, радиус закругления
иглы 0,2 мкм.
Для обнаружения и исследования макроскопических дефектов в данной
работе применялся металлографический анализ. Исследования поверхности
монокристаллов сегнетовой соли проводилось на металлографическом микроскопе
инвертированного типа Альтами МЕТ 1 М, позволяющего оперативно менять
увеличение изображения от 40х до 1600х. В качестве образцов исследования
использовались сколотые продольно монокристаллы сегнетовой соли, размером
10х10 мм.
§2.4 Образцы кристалла титаната бария
Чтобы вырастить кристалл, необходимо знать, какие процессы управляют его
ростом, почему разные вещества образуют кристаллы различной формы, а
некоторые вещества их вовсе не образуют. Метод выращивания кристаллов из
растворов в высокотемпературных расплавах (раствор в расплаве) получил
развитие в связи с выращиванием монокристаллов сложных многокомпонентных
систем. Используется высокая растворимость тугоплавких соединений в жидких
неорганических солях и оксидах. Процесс осуществляется на воздухе при
температуре плавления кристаллизуемого вещества. Этот метод был в числе
первых, примененных в конце 19 века. Его используют для выращивания
монокристаллов титаната бария и других.
В данной работе образцы исследования представляли собой монокристаллы
BaTiO3 размером 5х4 мм. Исследование проводилось на сканирующем зондовом
31
микроскопе
NanoEdukator
в АСМ- режиме. В качестве зонда использовался
отрезок вольфрамовой проволоки длинной 4 мм, радиус закругления иглы 0,2 мкм.
Для
исследования
поверхности
монокристалла
титаната
бария
на
металлографическом микроскопе инвертированного типа Альтами МЕТ 1 М, в
качестве образцов исследования использовались монокристаллы титаната бария,
размером 5х4 мм.
§2.5 Методы обработки АСМ и СТМ кадров
Для преобразования кадров применяются различные методы, рассмотрим их
на примере. При обработке снимка (Рис. 2.2) использовались следующие:
вычитание поверхностей- поверхность (Рис. 2.3); вычитание поверхностейпостоянная по Х (Рис.2.4); преобразование изображений- вырезание области
(Рис.2.5); нелинейные фильтры- медианный 3х3 (Рис.2.6).[15]
Рис. 2.2. АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 10.94мкм х
9.77мкм.
32
Рис. 2.3 АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 10.94мкм х
9.77мкм.
33
Рис. 2.4 АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 10.94мкм х
9.77мкм.
Рис. 2.5 АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 10.77мкм х
7.07мкм.
Рис. 2.6 АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 10.94мкм х
9.77мкм.
34
Таким образом, методы обработки, позволяют преобразовать полученный
кадр для дальнейшего исследования.
§2.6 Работа в исследовательской группе со школьниками
Наряду с проведением исследования для выпускной квалификационной
работы, мною велось кураторство учеников Юношеской специализированной
научно-исследовательской школы (ЮСНИШ) «Основы нанотехнологий». Цель
наших занятий состоит в следующем: изучение конструкции и принципов работы
прибора
NanoEducator,
научиться
подбирать
номинальные
параметры
сканирования, освоить базовые термины атомной микроскопии, уметь ставить и
решать
некоторые
практические
задачи,
проводить
экспериментальные
исследования, получать навыки обработки и представления экспериментальных
результатов. А также, писать научные статьи и принимать участие в конференциях.
На начальном этапе работы, ребята прослушали краткий лекционный курс и
ознакомились с микроскопом. Изучили конструкцию прибора, освоили механизм
подвода зонда к образцу, с номинальной для получения кадра амплитудой.
Научились самостоятельно подбирать необходимые параметры сканирования, а
именно: выбирать параметры скана (размер, число точек на линии и линий в скане,
скорость сканирования), определять резонанс, настраивать фокус, находить выход
из ситуации, когда микроскоп переходит в режим программного эмулятора.
Школьники
научились
«расшифровывать»
и
классифицировать
объекты,
расположенные на поверхности образца. Поскольку их обилие и, порой,
замысловатость форм представляют трудность при описании наблюдаемых
объектов, использовалась ассоциативность мышления ребят, то есть для описания
кадра использовались названия объектов из окружающего мира (горы, впадины,
массивы, чешуйки, ущелья и т.д.).
Ребята уже не только получили свои первые АСМ- изображения поверхности
кристаллов, но и написали научные статьи и уже успели принять участие в
35
конференции МИФ- 2017. Некоторые исследовательские группы даже заняли
призовые места.
Глава 3: результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
§3.1 Металлографические исследования монокристалла титаната бария и
сегнетовой соли.
В процессе исследований для получения оптимальных МГМ- кадров
поверхности монокристалла титаната бария и сегнетовой соли были подобраны
соответствующие параметры системы, состоящие из поляризатора, фильтра
зеленого цвета, анализатора в диапазоне от 0 до 500 и режим работы камеры
512Х384 20 fps Binning.
МГ- изображения поверхности монокристалла титаната бария с
использованием системы с зеленым фильтром представлены на рисунках 3.1- 3.3.
36
Рис. 3.1- МГ-изображение монокристалла титаната бария с использованием
системы с зеленым фильтром.
37
Рис. 3.2- МГ-изображение монокристалла титаната бария с использованием
системы с зеленым фильтром.
Рис. 3.3- МГ-изображение монокристалла титаната бария с использованием
системы с зеленым фильтром.
На изображениях 3.1- 3.4 можно наблюдать нелокальный пьезоэффект
(дисторсионные искажения), который частично определяет рисунок доменной
структуры, о чем свидетельствуют углы направленной поляризации и каналы
представленные на изображениях. Градусная мера углов варьируется от 48 до 940,
среднее расстояние между соседними каналами порядка 45 нм.
Теперь посмотрим МГ- изображения поверхности монокристалла титаната
бария без использования системы с зеленым фильтром:
38
Рис. 3.4- МГ-изображение монокристалла титаната бария
На рисунке 3.4 можно отметить преобладание оксидов, образовавшихся в
следствии контакта кристалла титаната бария с воздухом и теплом. Точками
локализации оксидных образований являются террасы, расстояние между
которыми, для данного изображения составляет 43 нм. Данные изображения были
получены с использованием объектива 10X/0.25 (рабочее расстояние 20.20 мм).
39
Рис. 3.5- МГ-изображение монокристалла титаната бария
40
Рис. 3.6- МГ-изображение монокристалла титаната бария
41
Рис. 3.7- МГ-изображение монокристалла титаната бария
Рис. 3.8- МГ-изображение монокристалла титаната бария
Для снимков 3.5- 3.8 использовался объектив с расширением 20X/0.40
(рабочее расстояние 8.80 мм).
Из анализа данных кадров можно отметить сетчатый или линейчатый узор с
размером клетки (полоски) от 19 до 40 нм. Это можно трактовать как проявление
дисторсионного эффекта. Угловая граница между терассами составляет, в среднем,
60°. На рисунке 3.8 практически отсутствуют оксиды. Данный участок кристалла
пока не окислился.
Теперь рассмотрим МГ- снимки монокристалла сегнетовой соли, полученные
с использованием объектива 10X/0.25 (рабочее расстояние 20.20 мм). Без системы
из светофильтров, так как кристалл прозрачный и не имеет окраса, цветные
фильтры его «съедают» и он абсолютно не просматривается.
42
Рис. 3.9- МГ-изображение монокристалла сегнетовой соли
43
Рис. 3.10- МГ-изображение монокристалла сегнетовой соли
Из кадров 3.9, 3.10 видно, что поверхность покрыта оксидными
образованиями, но несмотря на это можно проследить слоистую структуру
поверхности кристалла сегнетовой соли. Расстояние между соседними слоями на
данных кадрах составляет 3,5 и 13,31нм соответственно.
44
Рис. 3.11- МГ-изображение монокристалла сегнетовой соли
На рисунке 3.10 четко прослеживается дефект в следствие выращивания
кристалла: мелкие кристаллики затравки вросли в выращенный кристалл, за счет
этого одна грань кристалла сегнетовой соли может увеличиваться больше, чем
другая, но следует помнить, что углы между гранями постоянны, знание этого,
позволяет выпиливать пластинки с большим пьезоэффектом для их технического
использования.
45
Рис. 3.12- МГ-изображение монокристалла сегнетовой соли
46
Рис. 3.13- МГ-изображение монокристалла сегнетовой соли
47
Рис. 3.14- МГ-изображение монокристалла сегнетовой соли
Рис. 3.15- МГ-изображение монокристалла сегнетовой соли
Из изображений 3.12- 3.15 следует, что поверхность кристалла сегнетовой
соли неоднородна, она имеет вкропления длиной до 80 нм, каналы или терассы
шириной около 9 нм и располагающихся под углом друг к другу в 70- 1000.
Поскольку кристалл был сколот параллельно слоям поверхность скола слегка
шероховата, что видно на изображении 3.14. Идеально гладкий скол можно
получить лишь при распилки кристалла сегнетовой соли на специализированных
станках, но гладкий скол не позволит изучить морфологию поверхности.
§3.2 Анализ и обработка кадров монокристаллов титаната бария и
сегнетовой соли на АСМ микроскопе
48
В процессе работы были подобраны следующие параметры сканирования:
скорость 3,45- 5,00 мкм/с, размеры изображений 128х128 точек, шаг сканирования
80-160нм.
Это
дало
возможность
получить
достаточно
хорошие
кадры
поверхности. Для начала рассмотрим кадры полученные в ходе исследования
монокристалла титаната бария:
Рис. 3.16 АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 29.37мкм х
23.03мкм.
При
обработке
данного
кадра
использовали
методы:
вычитание
поверхностей- поверхность; вычитание поверхностей- прямая по Y; нелинейные
фильтры- медианный авто; преобразование изображений- вырезание области .
49
Рис. 3.17 трехмерный АСМ-кадр поверхности титаната бария.
На данном снимке, мы замечаем преобладание впадин, расстояние между
соседними- около 9 мкм, но их распределение по поверхности не равномерно.
Диапазон значений колеблется в пределах от 369,29 нм до 1.10 мкм.
Рассмотрим следующий кадр:
50
Рис.3.18 АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 15.11мкм х
13.20мкм.
При обработке данного кадра использовали следующие методы: вычитание
поверхностей-
поверхность;
вычитание
поверхностей-
преобразование изображений- вырезание области .
Посмотрим трехмерную картину:
прямая
по
X;
51
Рис. 3.19 трехмерный АСМ-кадр поверхности титаната бария .
На поверхности встречаются участки в виде протяженных возвышенностей
высотой до 180 нм. Ширина возвышенности 6,01 мкм, а длина ее превышает
8,42мкм.
52
Рис. 3.20 АСМ-кадр поверхности титаната бария . Размер скана: 19.92мкм х
20.31мкм.
При обработке данного кадра использовали следующие методы: вычитание
поверхностей- поверхность; вычитание поверхностей- постоянная по X.
Посмотрим трехмерную картину:
53
Рис. 3.21 трехмерный АСМ-кадр поверхности титаната бария .
На снимке наглядно видно, что поверхность представляет разнородную
структуру в виде чередования возвышенностей и впадин. На данном кадре явно
выделяется гора- ее максимум достигает 700 нм. Ширина - 9,44мкм.
Рассмотрим кадры полученные при исследовании кристаллов сегнетовой
соли. Продольный скол кристалла сегнетовой соли:
54
Рис. 3.22 АСМ- кадр поверхности сегнетовой соли. Размер скана: 10.16мкм х
9.38мкм.
При
обработке
данного
кадра
использовали
методы:
вычитание
поверхностей- поверхность; вычитание поверхностей- прямая по Y; нелинейные
фильтры- медианный авто; преобразование изображений- вырезание области .
55
Рис. 3.23 трехмерный АСМ-кадр поверхности сегнетовой соли.
На рисунке видна слоистая структура, примерное расстояние между слоями 15
мкм, неоднородность по высоте составляет 220 нм. Поверхность неоднородна,
прекрасно видно изменение высот. Расстояние между соседними
возвышенностями- около 9 мкм.
Рассмотрим следующий кадр:
56
Рис. 3.24 АСМ-кадр поверхности сегнетовой соли . Размер скана: 19.92мкм х
19.92мкм.
При обработке данного кадра использовали следующие методы: вычитание
поверхностей- поверхность; нелинейные фильтры- медианный авто .
В трехмерном изображении поверхность имеет вид представленный на
рисунке 3.25:
57
Рис. 3.25 трехмерный АСМ-кадр поверхности сегнетовой соли.
На рисунке поверхность- в поперечном слоям разрезе. Мы видим именно
слоистую структуру. Примерное расстояние между слоями: 15 мкм. Средняя высота
возвышения: 120 нм. Наибольшая глубина впадины: -17нм.
58
Рис. 3.26 АСМ-кадр поверхности сегнетовой соли. Размер скана: 18.07мкм х
18.20мкм.
При обработке данного кадра использовали следующие методы: вычитание
поверхностей-
поверхность;
вычитание
поверхностей-
преобразование изображений- вырезание области .
Посмотрим трехмерную картину:
прямая
по
X;
59
Рис. 3.27 трехмерный АСМ-кадр поверхности сегнетовой соли .
Кристалл сколот параллельно (продольно) слоям. Как видно из изображения
перепад высот меньше, чем на предыдущем кадре, отсюда следует вывод, что
именно части слоев дают значимый перепад высот в предыдущих образцах.
Среднее значение возвышений (высота): 50 нм. Ширина возвышенности 6,01 мкм,
а длина ее превышает 5,42мкм. Наибольшая глубина впадин: -10 нм.
§3.3 Особенности структуры поверхности кристалла титаната бария и
сегнетовой соли
Как видно из АСМ- кадров, поверхность скола кристалла титаната бария
представляет собой разнородную структуру в виде чередования возвышенностей и
впадин. Их распределение по поверхности не равномерно- видны отдельные
глобулы и участки в виде протяженных возвышенностей, высотой до 700нм,
шириной 6,01 мкм, и длиной более 8,42 мкм. Некоторые из возвышенностей
отделены друг от друга впадинами глубиной, около 250нм.
60
Что касается поверхности кристалла сегнетовой соли, она слоистая и
неоднородная, состоящая из множества микро- кристалликов. В продольном сколе
перепад высот невелик и достигает 60 нм, такую поверхность визуально, мы
воспринимаем как идеально гладкую. Поперечный скол, напротив более шероховат,
преобладают возвышенности, как отдельные так и протяженные участки, высотой
до 200нм, шириной 4,12 мкм, и длиной более 5,42 мкм. Некоторые из
возвышенностей отделены друг от друга впадинами глубиной, до 100нм.
Заключение
В ходе проведенных исследований была изучена структура поверхности
кристаллов титаната бария и сегнетовой соли. Выявлены некоторые особенности
морфологии поверхности кристаллов и установлены геометрические параметры
найденных образований.
Размеры глобул в монокристалле титаната бария варьируются от 180нм до
700нм.
Следует
так
же
отметить
присутствие
многочисленных
впадин
конусообразной формы и размером до 250 нм.
Кристалл сегнетовой соли более гладкий- размеры глобул порядка 50- 200нм,
впадины достигают глубины до 100 нм. Расстояние между слоями порядка 15мкм.
Сегнетоэлектические свойства очень увлекательны и необычны сами по себе.
Мне было интересно посмотреть на старую тему под новым углом. Дальнейшее
изучение сегнетоэлектриков, в целом, способствует появлению новых видов и
улучшению качества производимых изделий на их основе.
61
Список литературы
1.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Изд. 4-е. Т. 7. Теория
упругости, 1987. —248 с.
2.Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику
поверхности/ Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с.
3.Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.:
Физматлит, 2007. — 416 с.
4.Егоров- Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия: учебник. . —
М.: КДУ, 2005. — 416 с.
5.Попов Г.М. , Шафрановский И.И. Кристаллография. М.: ГОСГЕОЛТЕХИЗДАТ, 1955г. — 215 с.
6.Булах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии. М.: Альфа-М, 1989.
— 156 с.
7.Лайнс М. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М. Лайнс, А.
Гласс. – М.: Мир, 1981. – 728 с.
8.Имри Й. Введение
в макроскопическую физику / Й. Имри. — М.:
Физматлит, 2004. — 304 с.
9.Пул Ч.- мл. Нанотехнологии/ Ч. Пул- мл., Ф. Оуэнс. — М.: Техносфера,
2009. — 336 с.
10.Погосов В.В. Введение в физику зарядовых и размерных эффектов.
Поверхность, кластеры, низкоразмерные
Физматлит, 2006. — 328 с.
системы / В.В. Погосов. — М.:
62
11.Быков В.А. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для
исследования и модификации поверхности: Дисс… д.т.н.: 05.27.01, 01.04.01:
защищена 13.09.2000/ Быков Виктор Александрович. — М.: Гос. НИИФП, 2000.
— 393 с.
12.Логинов Б. А. Сканирующая тоннельная и атомно- силовая микроскопия
[Текст]: учебное методическое пособие./ Б. А. Логинов. — М.: ГОУ МИФИ (ГУ),
2008. — 97 с.
13.Кузькин В.И. Обработка и анализ изображений в сканирующем зондовом
микроскопе СММ-2000 [Текст]: учебное пособие./ В.И. Кузькин, Б.Г. Львов, А.В.
Николаевский . — Моск. Гос. Ин-т электроники и математики:, 2007. — 20 с.
14.Материалы
конференции
1-й
Всероссийской
Орловского
молодежной
государственного
научно-практической
университета
«МИФ-2013»
[Математика Информатика Физика] с элементами научной школы 13-14 февраля
2013 г. 2013. — 198 с.
15.Сканирующий
зондовый
микроскоп
NanoEdukator.
Руководство
пользователя. «НТ-МДТ» . 2006.— 135 с.
16.Зефиров Н.С. Химическая Энциклопедия. — М.: Большая Химическая
Энциклопедия, 1995.— 796 с.
17.Третьякова Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех. 2-е изд. . — М.:
Физматлит, 2010. — 368 с.
18.Рыбалкина М. «Нанотехнологии для всех». — М.: УРСС, 2005. — 444 с.
19.Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию / Н.Кобаяси . — М.: Бином, 2005.
— 134 с.
20.Гусев А.И. Нанокристаллические материалы [Текст] / А.И. Гусев, А.А.
Ремпель . — М.: Физматлит, 2001. — 224 с.
21.Погосов В.В. Введение в физику зарядовых и размерных эффектов.
Поверхность, кластеры, низкоразмерные системы [Текст] / В.В. Погосов . — М.:
Физматлит, 2006. — 328 с.
22.Наноструктурные материалы [Текст] / под ред. Р. Ханника, А. Хилл . —
М.: Техносфера, 2009. — 488 с.
63
23.Поздняков
В.А.
Физическое
материаловедение
наноструктурных
матералов: Учебное пособие [Текст] / В.А. Поздняков. — М.: МГИУ, 2007. — 204
с.
24.Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах[Текст] /Э. Родунер. —
М.: Техносфера, 2010. — 352 с.
25.Курчатов, И. В. Собрание научных трудов: в 6-ти тт. Т. 1. Ранние работы.
Полупроводники. Диэлектрики. Сегнетоэлектрики / И. В. Курчатов. — М. : Наука,
2005. — 576 с.
64
65
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа