close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Бубнов Дмитрий Александрович. Исследование топологии поверхности кристаллов висмут-сурьма

код для вставки
1
2
Оглавление
Введение...........................................................................................................................3
Глава 1. Основные положения
§1.1. Приготовление образцов........................................................................................5
§1.2. Кристаллическая структура висмута....................................................................6
§1.3. Дефекты кристаллов...............................................................................................7
§1.4. Структура поверхности........................................................................................10
Глава 2. Методика экспериментальных исследований
§2.1. Методы исследования поверхности твердых тел..............................................12
§2.1.1. Сканирующая зондовая микроскопия кристалла.................................13
§2.1.2. Сканирующая туннельная микроскопия...............................................14
§2.1.3. Атомно-силовая микроскопия................................................................15
§2.2. Методика исследования на Металлографическом микроскопе Альтами
МЕТ 1М..........................................................................................................................16
§2.2.1. Приготовление образцов.........................................................................16
§2.2.2. Методика экспериментальных исследований......................................17
§2.2.3. Программное обеспечение Altami studio 2.0.........................................20
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
§3.1. Анализ и обработка кадров..................................................................................23
§3.2. Исследование поверхности монокристалла висмут-сурьма.............................37
§3.3. Получение кадров поверхности монокристалла висмут-сурьма на
сканирующем микроскопе СММ 2000........................................................................48
§3.4. Работа с учениками ЮСНИШ «Основы нанотехнологий»..............................51
Заключение.....................................................................................................................53
Список использованной литературы...........................................................................54
3
Введение
Полуметалл висмут сочетает в себе ряд уникальных свойств, открытие
которых позволило создать уникальные современные методы исследования
зонной структуры металлов и полупроводников. Висмут имеет большой
практический интерес и служит основой для создания приборов с разнообразным
комплексом важных свойств. С помощью висмутосодержащих кристаллов
появилась
возможность
создать
датчики
Холла,
датчики
потока
тепла,
фотоприемные устройства, термоэлектрические преобразователи и др. Благодаря
тому, что соединения висмута обладают резорптивным и местным действием, ему
нашли достаточно широкое применение в медицинской промышленности. Висмут
способен давать соединения с металлами, именно поэтому препараты на его
основе обладают антисептическими и вяжущими свойствами. Что же касается
металлургии, то тут этот элемент тоже имеет немаловажное значение. Его
используют для производства «автомобильных сталей», а именно нержавеющих,
что облегчает их обработку резанием на станках. Висмут используют в сплавах на
основе алюминия (концентрация висмута примерно 0,01%), после этого
пластические свойства металла увеличиваются, а обработка резко упрощается.
Поверхностные же свойства висмута изучались в меньшей степени.
На современном этапе развития физики поверхности твердого тела
появилась потребность в качественных исследованиях. Зачастую изучение
поверхностных явлений каким-либо из методов мало информативно, поэтому
требует комплексного подхода. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ),
сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и атомно-силовая микроскопия
(АСМ) позволяют получать информацию о поверхности кристаллов на
наноуровне. Однако бывают случаи, когда разнообразность структуры рельефа
поверхности и размеры исследуемых объектов не позволяют применять АСМ и
4
СТМ методы. В этом случае целесообразно получать информацию на
микроуровне. Для этого служит металлографическая микроскопия, являющаяся
универсальным методом получения микроскопических изображений кристаллов.
Не смотря на огромное количество теоретических и экспериментальных
исследований, посвященных висмуту, известно мало работ по изучению
поверхности монокристаллов висмута на наноуровне и наноструктур.
Для исследований был выбран монокристалл висмут-сурьма. По своей
структуре он мало чем отличается от простого висмута, так как содержание
сурьмы не превышает 12%, что - никак не влияет на кристаллическую структуру,
но оказывает влияние на образование дефектов.
Целью данной работы является исследование морфологии поверхности
кристаллов висмут-сурьма.
Экспериментальными задачами работы являются: изучение и отработка
методов исследования на сканирующем зондовом микроскопе в режиме атомносиловой
микроскопии,
нахождение
оптимальных
параметров
получения
изображений поверхности кристаллов, получение кадров реальной поверхности
висмут-сурьмы, их изучение, анализ структурных особенностей скола и
выделение основных видов дефектов, а так же занятия на различных этапах
обучения в группах ЮСНИШ «Основы нанотехнологий».
5
Глава 1. Основные положения.
§1.1. Приготовление образцов.
Висмут - полуметалл, обладающий рядом уникальных свойств, благодаря
которым
он
считается
отличным
материалом
при
экспериментальном
исследовании проблем физики твердого тела. Высокая чувствительность зонных
параметров висмута к внешним воздействиям: изменению температуры, давления,
магнитного и электрического полей представляет большой практический интерес.
Эти свойства висмута позволяют изготавливать из него термоэлектрические
преобразователи, болометры, тензометры, магнетометры и т.д.
Выращивание
монокристаллов
перекристаллизации в тонкой трубке, в
висмута происходит методом зонной
качестве
исходных
компонентов
твердого раствора которого использовался висмут марки Ви-0000. Показатель
чистоты исходного висмута и степени совершенства монокристалла (отношение
удельного сопротивления кристалла при Т=300К к его значению при 4.2К)
составлял не менее 400-600. В качестве контейнеров использовались ампулы из
молибденового стекла С-48. Откачка ампул производилась до
мм. рт. ст. С
готовых кристаллов стекло стравливалось плавиковой кислотой.
Скалывание производилось при комнатной температуре по базисной
плоскости (111). После скалывания полученная плоскость исследовалась как в
исходном состоянии, не подвергнутом дополнительной обработке, так и после
химического травления.
Образец висмута представляет из себя кристалл прямоугольной формы
размера 7.1х1.9х1.2 мм сколотый с одной стороны, которая и исследовалась. Он
представляет из себя кристалл, поверхность которого можно разделить на две:
плоскость конусообразной формы, образованная из-за того, что кристалл
выращивался в пробирке, и полукруг со слегка увеличенным радиусом в одном
направлении, образованный из-за скола кристалла.
Радиус поверхности
6
примерно равен 5 мм с одной стороны и 6 мм с другой. Максимальная высота
кристалла 2.2 мм. Исследовалась плоская полукруглая область.
Травление поверхности кристаллов проводилось 5% раствором KOH в
течение 30 секунд для кристалла висмут-сурьма и 2 минуты для кристалла
висмута.
§1.2. Кристаллическая структура висмута
Монокристалл
висмут
обладает
ярко
выраженной
анизотропией
механических и физических свойств, все это во многом связано с его
кристаллической структурой. Кристаллическая решетка висмута представляет
собой ромбоэдрическую систему с двумя атомами на простую ячейку и может
быть получена из простой кубической решетки с одним атомом на ячейку путем
небольших смещений атомов, как показано на рисунке 1-1.
Рис.1.1. Параметры кристаллической решетки.
Если в обычной кубической решетке выделить две гранецентрированные
подрешетки
и
сместить
одну
подрешетку
относительно
другой
вдоль
7
пространственной
ромбоэдрической.
диагонали
После
куба,
этого,
тогда
симметрия
решетки
станет
произведя
небольшую
ромбоэдрическую
деформацию самих подрешеток получается кристаллическая структура висмута.
§1.3. Дефекты кристаллов
Дефекты в кристаллах (от лат. defectus - недостаток, изъян), нарушения
периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В
идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые
положения, образуя правильные трёхмерные решётки - кристаллические решётки.
В
реальных
кристаллах
(природных
и
искусственно
выращенных)
наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения
атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного
масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым
глазом. Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной
решётки
другого
рода,
связанные
с
тепловыми
колебаниями
частиц,
составляющих решётку.
Дефекты в кристаллах образуются в процессе их роста, под влиянием
тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении
нейтронами,
электронами,
рентгеновскими
лучами,
ультрафиолетовым
излучением и т.п.
Дефекты структуры обусловлены изменением расстояний частицы до
ближайших соседей, отсутствием атома (иона) в каком-либо узле решетки,
смещением атома (иона) из узла в междоузлие, временными местными
нарушениями структуры, вызванными видимым, рентгеновским и γ-излучениями,
потоком α-частиц или нейтронов. Малая подвижность и большое время жизни
дефектов структуры позволяют описать их наглядными геометрическими
моделями и классифицировать их по чисто геометрическому признаку, а именно
8
по числу измерений, в которых качественные нарушения структуры кристалла
простираются на расстояния, превышающие характерный параметр решетки.
Выделяют следующие типы атомных дефектов решетки. Точечные, или
нульмерные дефекты - нарушения периодичности в изолированных друг от друга
точках решетки.
Линейные дефекты - одномерные, т. е. протяженные в одном измерении.
Нарушения периодичности в одном измерении простираются на расстояния,
сравнимые с размером кристалла, а в двух других измерениях не превышают
нескольких параметров решетки.
Специфические линейные дефекты - это дислокации. Кроме того,
неустойчивые линейные дефекты могут возникать из цепочек точечных дефектов.
Поверхностные, или двумерные дефекты простираются в двух измерениях
на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем - составляют
несколько параметров решетки.
Объемные, или трехмерные дефекты - это пустоты, поры, частицы другой
фазы, включения.
Рис.1.
2. Дефекты кристаллической решетки:
а - вакансия; б - замещенный атом; в - межузельный атом;
9
Все эти дефекты рождаются при росте кристалла или в результате
различных воздействий на кристалл и существенно влияют на свойства кристалла.
Кристаллы висмута весьма склонны к дефектообразованию. Анизотропия
кристаллов висмута приводит к сильному влиянию дефектов на физические
свойства. Типичными макроскопическими дефектами кристаллов типа висмута
являются блоки, двойники, мозаичная структура. Преобладающим видом
микродефектов в монокристаллах типа висмута являются двойники и дислокации.
Одним
из
механизмов
образования
блочной
структуры
является
двойникование. Он играет особую роль в процессе роста, пластической
деформации, разрушении. Двойники в кристаллах типа висмута легко образуются
в процессе роста, при переходе из одной модификации в другую, под влиянием
различных механических воздействий, нагревании деформированных кристаллов,
при воздействии электрического и магнитного полей. Это связано с малой
энергией образования двойника, что объясняется малыми отклонениями
структуры кристаллов типа висмута от кубической.
Другим преобладающим видом дефектов в кристаллах висмута являются
дислокации. При частичном рассечении кристалла вдоль некоторой плоскости,
смещении образующихся частей перпендикулярно линии обрыва и последующем
их совмещении возникает краевая дислокация, если же смещение частей
кристалла происходит параллельно линии рассечения, образуется винтовая
дислокация. При этом дислокации характеризуются кристаллографической
симметрией. Для кристаллов висмута известны дислокации направлений [010],
[101], [111], [112]. Физические свойства кристаллов типа висмута в большинстве
своем определяются плотностью дислокаций. Выделяют следующие механизмы
появления дислокаций: в результате прорастания от затравки; в результате
захвата примесей, превышающих предел растворимости; в результате флуктуации
температуры и скорости роста; в результате термических напряжений, связанных
с процессом охлаждения монокристалла. Другим видом дефектов являются
10
деформационные дефекты, проявляющиеся в ходе роста кристалла. В каждом
конкретном случае необходимо представлять условия роста кристаллов, в
зависимости от которых типы дефектов, их размер и количество могут быть
различны.
§1.4. Структура поверхности
Структура поверхности кристаллов очень интересна во многих отношениях.
Особенно интересна связь между структурой поверхности чистого кристалла, а
также природой и энергией образования поверхностных комплексов. Идеальная
поверхность - это поверхность, на которой положения атомов могут быть
рассчитаны с помощью знания структуры объема кристалла и рассмотрения
кристаллографических
идентифицировать
и
плоскостей.
определить
В
связи
неидеальные
с
этим
поверхности.
немаловажно
Неидеальные
поверхности могут быть разделены на две основные группы: смещенные
поверхности (поверхностные атомы сдвинуты на короткие расстояния, но связи не
нарушены) и перестроенные поверхности (поверхностные связи разрушены и
произошел сдвиг поверхностных атомов к новым центрам).
Поверхность скола кристаллов висмута представляет собой совокупность
неоднородностей, меняющих свою конфигурацию при переходе от одной области
к
другой.
Зачастую
образуются
террасы.
Причины
образования
террас
заключаются в следующем. После воздействия скалывающего инструмента кроме
главной трещины обычно образуется целый ряд отдельных трещин, которые
могут объединяться. Объединение этих трещин связано с разрывом перемычек
между ними и со значительной пластической деформацией. Кроме того, террасы
могут образовываться, если трещина проходит через винтовую дислокацию.
При
раскалывании
кристалла
висмута,
отмечается
появление
волнообразного рельефа. Гребни волн очерчивают фронт развивающейся
трещины, а расстояние между ними является функцией скорости развития
11
трещины. При травлении таких поверхностей обнаруживается периодический
характер распределения дислокаций уменьшающейся по мере проникновения
вглубь кристалла. Максимумы распределения совпадают с гребнями волн. Это
объясняется тем, что волнообразный рельеф - это следствие интенсивного
образования дислокаций у вершины трещины в момент замедления ее движения.
Распространение трещины осуществляется периодическими скачками, в течение
каждого из которых происходит чередование хрупкого разрушения и пластической
деформации.
12
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 спектроскопии и 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. 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. Такое
многообразие, как средств зондирования, так и эффектов, происходящих при
зондировании, породило очень большое количество методов исследования
поверхности.
На
сегодняшний
употребительных
методов,
момент
которые
сформировался
в
комплексе
набор
дают
из
наиболее
исчерпывающую
информацию об образце. Если на образец действие производится рентгеновским
излучением и в результате облучения выбиваются электроны, то исследуется
энергетический спектр этих электронов. Такой метод получил название
рентгенофотоэлектронной спектроскопии. Если действовать электронным пучком,
13
а регистрировать рентгеновское излучение, возникающее при торможении
электронов, то это метод рентгенофлуоресцентной спектроскопии.
Поскольку электронным пучком легко манипулировать, исследование можно
проводить в различных точках. Это обстоятельство подчеркивается другим
названием метода «электронный микрозонд». 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 исследуется энергетический профиль
рассеянных ионов, то 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, то это метод ядерных реакций. Наконец, если поверхность
образца облучается ионами, то в результате можно наблюдать её распыление. А
образующиеся
распыленные
спектрометрически.
Метод
частицы
получил
можно
название
исследовать
вторично-ионной
массмасс-
спектрометрии.
§2.1.1. Сканирующая зондовая микроскопия кристалла
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - это мощный современный
метод исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела
с высоким пространственным разрешением, основанный на взаимодействии
микрозонда (кантилевера в случае АСМ) с поверхностью образца. В настоящее
время множество исследований в области физики поверхности и тонкопленочных
технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей
14
зондовой микроскопии послужило основой для развития новейших методов в
нанотехнологии - технологии создания структур с нанометровыми масштабами.
Сканирование поверхности может происходить двумя способами сканирование кантилевером и сканировение подложкой. Если в первом случае
движения вдоль исследуемой поверхности совершает кантилевер, то во втором
относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка. Существуют
контактный, безконтактный и полуконтактный или резонансный режимы
сканирования поверхности. Контактный метод заключается в том, что кантилевер
непосредственно касается поверхности и повторяет её форму по мере
прохождения
поверхности.
Бесконтактный
и
полуконтактный
режим
характеризуются дополнительным условием сканирования, которое позволяет
осуществить более щадящее и более тонкое сканирование поверхности.
§2.1.2. Сканирующая туннельная микроскопия
Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно
прост, но кардинально отличается от всех методик, ранее применявшихся в
физике
поверхности.
Тонкое
металлическое
острие,
смонтированное
на
электромеханическом приводе, служит зондом для исследования участков
поверхности образца. Когда такое острие подводится к поверхности на
определенное расстояние, то между острием и образцом прилагается небольшое
(от 0,01 до 10 В) напряжение смещения через вакуумный промежуток и начинает
протекать туннельный ток. Полагая, что электронные состояния (орбитали)
локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности
образца в необходимом направлении с одновременным измерением выходного
сигнала в цепи можно получить картину поверхностной структуры на атомном
уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя
туннельный ток и поддерживая расстояние от острия до поверхности образца или
15
измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности
образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).
СТМ способен отображать локализованные состояния электронов, в
частности распределение плотности состояний в прямом пространстве и
расположение уровней на энергетической шкале.
§2.1.3. Атомно-силовая микроскопия
Атомно-силовая микроскопия позволяет обрабатывать образцы в атмосфере,
однако, главным её недостатком является отсутствие одновременной информации
о всей поверхности - в каждый момент времени имеется информация только от
участка непосредственно обрабатываемого зондом. Но, несмотря на это, атомносиловая микроскопия позволяет получать информацию о поверхностном заряде,
поверхностной емкости, поверхностной проводимости и о магнитных свойствах.
Также АСМ позволяет анализировать на атомном уровне структуру самых разных
твёрдых материалов - стекла, керамики, пластиков, металлов, полупроводников.
Измерение можно проводить не только в вакууме, но и на воздухе, в атмосфере
любого газа и даже в капле жидкости. Этот метод незаменим и для исследования
биологических объектов.
Микрозонд представляет собой тонкую пластинку-консоль (её называют
кантилевером). На конце кантилевера расположен острый шип (радиус
закругления от 1 до 10 нм). При перемещении микрозонда вдоль поверхности
образца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф
поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На
выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка,
на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и
поднимается на неровностях поверхности, отражённый луч отклоняется, и это
отклонение регистрируется фотодетектором. Данные фотодетектора используются
в системе обратной связи, которая обеспечивает постоянную силу давления
16
острия на образец. Пьезоэлектрический преобразователь может регистрировать
изменение рельефа образца в режиме реального времени. В другом режиме
работы регистрируется сила взаимодействия острия с поверхностью при
постоянном положении шипа над образцом. Микрозонд обычно изготавливают из
кремния или нитрида кремния. Разрешающая способность метода составляет
примерно 0,1–1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. Смещая зонд по
горизонтали, можно получить серию рельефов и с помощью компьютера
построить трёхмерное изображение.
При использовании атомно-силовой микроскопии не требуется, чтобы
образец проводил электричество. Благодаря этому атомно-силовая микроскопия
нашла широкое применение для анализа биологических объектов - кристаллов
аминокислот, белков, клеточных мембран и многого другого.
§2.2. Методика исследования на Металлографическом микроскопе
Альтами МЕТ 1М
§2.2.1. Приготовление образцов.
Висмут - полуметалл, уникальные свойства которого делают его модельным
материалом при экспериментальном исследовании проблем физики твердого тела.
Высокая чувствительность зонных параметров висмута к внешним воздействиям:
изменению
температуры,
давления,
магнитного
и
электрического
полей
представляет большой практический интерес. Эти свойства висмута позволяют
изготавливать
из
него
термоэлектрические
преобразователи,
болометры,
тензометры, магнетометры и т.д.
Монокристаллы
висмут-сурьма
выращивались
методом
зонной
перекристаллизации в пробирках при проходе зоны со скоростью 0.5 мм/ч при
ширине расплавленной зоны 20-25 мм.
17
Поверхность монокристаллов была получена скалыванием при комнатной
температуре по базисной плоскости (111). После скалывания полученная
плоскость
исследовалась
как
в
исходном
состоянии,
не
подвергнутом
дополнительной обработке, так и после химического травления.
Образец висмута представляет из себя кристалл прямоугольной формы
размера 7.0х1.7х1.0 мм сколотый с одной стороны, которая и исследовалась.
Образец висмут-сурьма представляет из себя кристалл, поверхность которого
можно разделить на две: плоскость конусообразной формы, образованная из-за
того, что кристалл выращивался в пробирке, и полукруг со слегка увеличенным
радиусом в одном направлении, образованный из-за скола кристалла.
поверхности
Радиус
примерно равен 5 мм с одной стороны и 6 мм. с другой.
Максимальная высота кристалла 2.2 мм. Исследовалась плоская полукруглая
область.
Травление поверхности кристаллов проводилось
5% раствором KOH в
течении 30 секунд для кристалла висмут-сурьма и 2 минуты для кристалла
висмута.
§2.2.2. Методика экспериментальных исследований
Основным инструментом металлографии являются металлографические
микроскопы (МГМ), представляющие собой особую оптическую систему (рис.
2.1.1). Луч света от лампы проходит через систему линз и раздваиваясь на
полупрозрачном зеркале и отражаясь от образца попадает в окуляр, в котором
наблюдается увеличенная картина видимой через него области. По взаимному
расположению образца и объектива различают два вида МГМ инвертированного и
неинвертированного
типа.
В
неинвертированных
микроскопах
располагается над образцом, в инвертированных наоборот.
объектив
18
Недостатком металлографического анализа является невозможность
количественного описания объектов по координате Z, а только лишь на
качественном уровне можно говорить о нахождении объектов «выше» или
«ниже», используя систему фокусировки.
19
Ри
с. 2.1.1. Оптическая схема металлографического микроскопа.
В данной работе рассматривается методика исследования поверхности
монокристалла висмута на металлографическом микроскопе инвертированного
типа Альтами МЕТ 1М (рис. 2.1.2), включающего в себя стандартные компоненты
МГМ: такие как основание, предметный стол, окуляр, набор ручек фокусировки,
объектив, осветитель и т. д.
20
Рис. 2.2.1. Металлографический микроскоп инвертированного типа Альтами
МЕТ 1М:
1 – основание, 2 – колесо регулировки яркости, 3 – предметный стол, 4анализатор, 5 – тринокулярная насадка, 6 – окуляр, 7 – место для крепления
камеры, 8 – набор ручек фокусировки, 9 – револьверное устройство, 10 –
объектив, 11 – светофильтры, 12 – осветитель.
Достоинством данной модели является наличие револьверного устройства
на 5 объективов, позволяющего оперативно сменить увеличение изображения от
40х до 1600х. Для четкости получаемых изображений в МГМ используются
светофильтры желтого, зеленого, синего и белого цветов с возможностью
одновременной постановки 1+1, поляризатор и анализатор, с вращением в
диапазоне 0 – 90°.
Существенным преимуществом Альтами МЕТ 1М является наличие
цифровой камеры, позволяющей получать изображения поверхности в реальном
21
времени, и специального пакета программного обеспечения Altami Studio 2.0 для
обработки и анализа МГМ-кадров.
Образец устанавливается краями на отверстие вставки соответствующего
диаметра, таким образом, чтобы исследуемая поверхность оказалась внизу, затем
поворотом
револьверного
устройства
выбирается
объектив
наименьшего
увеличения и с помощью ручек фокусировки, регулировки яркости, сменой
светофильтров, постановки поляризатора, поворотом анализатора настраивается
изображение. После чего ХУ-позиционером производится перемещение вставки с
образцом и выбирается участок поверхности для исследования. Далее в
зависимости от структуры поверхности устанавливается соответствующее
увеличение и делается МГМ-кадр.
При исследовании поверхности монокристаллов висмута были подобраны
набор компонентов оптики и параметры работы программного обеспечения. Для
получения оптимальных МГМ-кадров поверхности монокристаллов висмута
рекомендуется использовать систему из поляризатора, фильтры желтого и/или
зеленого цветов, анализатор в диапазоне от 0 до 50° и режимы работы камеры
Binnig. Для количественного анализа с помощью специальной меры проводилась
калибровка программы для соответствующих объективов. Примеры полученных
МГМ-кадров
приведены
на
рисунках
2-3
и
2-4.
Полученные
кадры
обрабатывались в программе Altami studio 2.0.
§2.2.3. Программное обеспечение Altami studio 2.0
Получение кадров и их анализ проходили в программе Altami studio 2.0,
которая предоставляет широкий спектр возможностей для анализа и снятия
характеристик полученных кадров. После запуска программы открывается
рабочее окно (Рис 2-5) которое состоит из главного меню, рабочей области,
панелей инструментов съёмки и правки изображений, а так же области
22
специальных функций. К специальным функциям программы относятся выбор
калибровок, гистограмма, настройки камеры и измерительный инструментов. [19]
Рис. 2-5. Рабочее окно программы Altami studio 2.0.
Перед началом работы в программе выбирается камера, установленная на
микроскопе, при помощи которой будут получаться кадры поверхности.
Проводится настройка области захвата. Выставляется разрешение кадра.
Настраиваются яркость, насыщенность, баланс белого. Для улучшения качества
тёмных кадров можно выставить множители усиления (Рис. 2-6).
23
Рис 2-6. Настройки камеры в программе Altami studio 2.0.
Далее следует выбор калибровок, который необходим для обозначения
масштаба. Калибровки выставляются для каждого из увеличений, объективы с
которыми установлены. Далее для удобства на кадре выставляется его масштаб,
что позволяет проводить измерения на кадре в дальнейшем. После выбора
калибровок проводится съёмка изображений.
На полученных изображениях измерялись линейные размеры и углы
структур. Для этого использовался соответствующий набор инструментов.
Имеются инструменты для измерения длин как прямых, так и непрямых линий,
периметров, площадей, углов. Можно устанавливать маркеры, накладывать на
кадр прямоугольники, эллипсы, многоугольники.
Отредактированные кадры сохраняются в заранее выбранную директорию.
24
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
§3.1. Анализ и обработка кадров
Исследования
Nanoeducator
в
проводились
АСМ-режиме.
на
В
сканирующем
качестве
зонда
зондовом
микроскопе
использовался
кусок
вольфрамовой проволоки длиной 1,5 см, радиус закругления иглы составляет 200
нм. В процессе работы были подобраны следующие параметры сканирования:
скорость 3,5 - 5,00 мкм/с, размеры изображений 128х128 точек, шаг сканирования
80-160нм.
Это дало
возможность
получить
достаточно
хорошие
кадры
поверхности. Обработка полученных кадров проводилась с использованием
специального программного обеспечения (Scan Viewer).
25
Рис.3.1.1. Двумерное АСМ-изображение поверхности монокристалла
висмут-сурьма. Размер скана: 9.84 мкм х 9.28 мкм. Разрешение 124х117
26
Рис.3.1.2. Анализ сечений АСМ-изображения поверхности монокристалла
висмут-сурьма.
На
рис.3.1.2.
представлена
глубина,
образовавшейся
дефектообразования, впадины, которая составляет более 235 нм.
в
результате
27
Рис.3.1.3. Анализ сечений АСМ-изображения поверхности монокристалла
висмут-сурьма.
На рис.3.1.3. отчетливо виден волнообразный рельеф
на поверхности
монокристалла висмут-сурьма. Вершины, преимущественно, имеют более гладкое
закругление, нежели впадины.
28
Рис.3.1.4. Трехмерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма
После получения изображения необходимо произвести с ним некоторые
преобразования в программе Scan Viewer. Мы использовали следующие
преобразования: вырезание области, вычитание плоскостей и поверхностей,
нелинейные, сглаживающие и градиентные фильтры и другие.
29
Рис.3.1.5. Двумерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 10.16 мкм х 10.16 мкм. Разрешение 128х128. Применен
метод вычитания поверхности: постоянная по х
30
Рис.3.1.6. Двумерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 10.94 мкм х 10.55 мкм. Разрешение 128х128. Применен
метод сглаживания: медианный по 7х7
31
Рис.3.1.7. Трехмерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 14.84 мкм х 8.42 мкм.
На рис.3.1.7. отчетливо видно волнообразный дефект на поверхности скола
монокристалла висмут-сурьма.
32
Рис.3.1.8. Двумерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 10.02 мкм х 10.02 мкм. Разрешение 128х128. Применен
метод сглаживания: медианный по х и метод вычитания поверхности: постоянная
по х
33
Рис.3.1.9. Трехмерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 14.84 мкм х 8.42 мкм.
34
Рис.3.1.10. Трехмерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 14.30 мкм х 10.40 мкм.
35
Рис.3.1.11. Трехмерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 9.40 мкм х 9.40 мкм.
36
Рис.3.1.12. Трехмерное АСМ-изображение поверхности монокристалла висмутсурьма. Размер скана: 9.40 мкм х 9.40 мкм.
37
Рис.3.1.13. Анализ сечений АСМ-изображения поверхности монокристалла
висмут-сурьма.
На рис.3.1.13. ярко отражена неоднородность рельефа. Встречаются различные
глубины и высоты, ширина впадин и острота закругления пиков.
38
Рис.3.1.14. Анализ сечений АСМ-изображения поверхности монокристалла
висмут-сурьма.
На рис.3.1.14. выделана высота отдельно стоящего пика 424,36 нм. В целом
высота пиков не сильно отличается, но бывают исключения.
§3.2. Исследование поверхности монокристалла висмут-сурьма
Полученная после скалывания поверхность исследовалась как в исходном
состоянии, не подвергнутом дополнительной обработке, так и после химического
травления. Дислокации являются наиболее встречающимися дефектами в сплавах
висмут-сурьма. При воздействии травителя на монокристаллы висмута и висмутсурьма на плоскости (111) образуются ямки травления в виде пирамидок, с
основанием равносторонних треугольников. Длина ребра основания ямки
составляла от 3 до 100 мкм. Можно наблюдать различные огранения ямок,
особенно их дна. При этом оказывается возможным выделить несколько видов
39
различных ямок травления по их огранению, определять их симметрию и
сопоставлять с группами симметрии возможных типов дислокаций.
Рис.3.2.1. Участок поверхности скола монокристалла висмут-сурьма. Время
действия травителя 35с.
На рис. 3.2.1 видно, что ямки травления имеют чаще всего несимметрично
расположенное по отношению к основанию пирамидки дно, что может указывать,
что линия данной дислокации проходит не перпендикулярно к плоскости (111).
Более крупные ямки травления, по-видимому, указывают на краевой характер
дислокаций. Мелкие ямки травления, у одной из вершин основания которых
наблюдается своеобразный «хвостик» скорее всего, говорят о винтовых
дислокациях.
40
Рис.3.2.2. Участок поверхности скола монокристалла висмут – сурьма с
винтовыми дислокациями. Время травления 55 с.
На рис. 3.2.2. отчетливо видны ступеньки на поверхности вблизи ямки
травления винтовых дислокаций.
41
Рис.3.2.3. Участок поверхности монокристалла висмут-сурьма с плоским
скоплением дислокаций. Время травления 120 с.
Иногда дислокации образуют плоские скопления (рис. 3.2.3). Это
происходит в том случае, если лидирующая дислокация задерживается некоторым
достаточно протяженным препятствием.
42
Рис.3.2.4. МГМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма.
На рис.3.2.4. отчетливо видно скопление дислокаций пирамидальной
формы, образующих ряд.
43
Рис.3.2.5. МГМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма.
На рис.3.2.5. выделяется неравномерность дефекта. Выделяется возвышение
с плавным закруглением, который резко переходит в угловатые пирамидальные
образования.
44
Рис.3.2.6. МГМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма.
На рис.3.2.6. представлено скопление дефектов треугольной формы и,
помимо этого, отчетливо видна продолжительная впадина, разделяющая
поверхность.
45
Рис.3.2.7. МГМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма.
На рис.3.2.7. виден целый ряд пирамидальных дефектов и представлен угол
образовавшегося дефекта, который составляет 48.46°
46
Рис.3.2.8. МГМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма. Угол
образовавшегося дефекта 43.99°
47
Рис.3.2.9. МГМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма.Угол
образовавшегося дефекта 76.23°
48
Рис.3.2.10. МГМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма.Угол
образовавшегося дефекта 71.18°
На рис.3.2.9 и рис.3.2.10 представлено сравнение величин углов дефектов.
Как видно различие составляет порядка 5°
Из полученных кадров видно, что основным видом дефектов на
поверхности кристаллов висмут-сурьма являются возвышенности и впадины.
Средний размер впадин равен 100-150 нм. Размер возвышенностей 150-200 нм.
Расстояние между возвышенностями 4-6 мкм.
Таким образом, использование атомно-силового микроскопа позволило
показать общую картину структуры поверхности кристаллов висмут-сурьмы,
выявить основные виды структур на поверхности, установить наличие дефектов и
их влияние на топологию поверхности.
49
§3.3. Исследование поверхности монокристалла висмут-сурьма на
сканирующем микроскопе СММ 2000
На следующей серии снимков представлен один из основных видов
дефектов поверхности монокристалла висмут-сурьма, впадины треугольной
формы.
Рис.3.3.1 АСМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма
50
Рис.3.3.2 АСМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма
51
Рис.3.3.3 АСМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма
52
Рис.3.3.4 АСМ-кадр поверхности монокристалла висмут-сурьма
§3.4. Работа с учениками ЮСНИШ «Основы нанотехнологий»
Наряду с проведением исследования для курсовой работы, мною велось
кураторство учеников Юношеской специализированной научноисследовательской 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
53
результатов. А, в дальнейшем, писать научные статьи и принимать участие в
конференциях.
На данном этапе работы, ребята прослушали краткий лекционный курс и
уже начали знакомство 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 учатся «расшифровывать» и классифицировать объекты,
расположенные на поверхности образца. Поскольку их обилие и, порой,
замысловатость форм представляют трудность при описании наблюдаемых
объектов, используется ассоциативность мышления ребят, то есть для описания
кадра применяются названия объектов из окружающего мира (горы, впадины,
массивы, чешуйки, ущелья и т.д.), устранение из изображения артефакты
сканирования.
Ребята уже получили свои первые АСМ - изображения поверхности
кристалла висмут-сурьма. И, сейчас, продолжают получать кадры и
интерпретировать полученные снимки для написания научных статей.
54
Заключение
Проведены исследования топологии поверхности кристалла висмут-сурьма
методом атомно-силовой микроскопии. Из анализа АСМ-кадров удалось
установить террасивную структуру поверхности скола кристаллов висмут-сурьма.
Перепады высот достигают 300 нм и более. Помимо этого у кристаллов висмутсурьма наблюдается структура поверхности с отдельно стоящими пиками и
впадинами. Высота пиков достигает 400 нм, ширина впадин колеблется от 2 до 10
мкм.
Установлено, что скалывание монокристалла висмута при комнатной
температуре ведет к высокой дефектности поверхности, связанной с пластической
деформацией, приводящей к двойникованию. При этом высоты ступеней между
террасами составляет от 15 до 70 нм, ширина террас меняется от 13 до 1300 нм
Снижение температуры скалывания до температуры кипения жидкого азота
позволяет получить менее дефектный скол, на поверхности которого количество
террас значительно сокращается, а ширина их соответственно увеличивается до
800 нм - 2.5 мкм. В тоже время высота ступеней между террасами существенно
уменьшается до 1.5 - 15 нм.
Наноразмерные
структуры
на
поверхности
монокристалла
висмута,
полученные в результате самоорганизации, находятся в полупроводниковом
состоянии и поэтому могут представлять интерес с точки зрения технологии
получения квантовых точек.
Полученные результаты и продолжение данных исследований позволят
уточнить многочисленные физические и химические свойства кристаллов висмутсурьма, уточнить параметры выращивания кристаллов и их применение в
производстве.
55
Список использованной литературы
1. Пул, Ч. – мл. Нанотехнологии [Текст] / Ч. Пул – мл., Ф. Оуэнс – М.; Техносфера,
2009. – 336 с.
2. Драгунов, В.П. Основы наноэлектроники [Текст] / В. П. Драгунов, И. Г.
Неизвестный, В. А. Гридчин, – м.: Университетская книга; Логос; Физматкннга,
2006. – 496 с.
3. Воронов, В.К. Физика на переломе тысячелетий: Физические основы
нанотехнологий [Текст] / В.К. Воронов, Л.В. Подоплелов, Р.З. Сагдеев. – М.:
Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. – 432 с.
4. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии [Текст] / А.И.
Гусев. - М.: Физматлит, 2009. - 416 с.
5. Физика низкоразмерных систем [Текст] / А. Я. Шик, Л. Г. Бакуева, С. Ф.
Мусихин, С. А. Рыков. - СПб.: Наука, 2001. - 160 с.
6. Киселев, В.Ф. Основы физики поверхности твердого тела [Текст] / В.Ф.
Киселев, С.Н. Козлов, А.В. Зотеев. - М.: МГУ, 1999. - 287 с.
7. Введение в физику поверхности [Текст] / К. Оура, В.Г. Лифшиц. А. А. Саранин
и др. - М.: Наука, 2006. - 490 с.
8. Погосов, В.В. Введение в физику зарядовых и размерных эффектов.
Поверхность, кластеры, низкоразмерные системы [Текст] / В.В. Погосов. - М.:
Физматлит, 2006. - 328 с.
9. Имри, Й. Введение в мезоскопическую физику [Текст] / Й. Имри. - М.:
Физматлит, 2004. - 304 с.
56
10. Суздалев, И.П. Нанотехнология: физико-химия кластеров, наноструктур и
наноматериалов [Текст] / И.П. Суздалев. - М.: КомКнига, 2006. - 502 с.
11. Semiconductor Nanocrystal Quantum Dots. Synthesis, Aseembly, Spectroscopy and
Applications [Text] / ed/ A. L. Rogach. – Wien: Springer-Verlag, 2008. – 372 p.
12. Наноструктурные материалы [Текст] / под ред. Р. Ханника, А. Хилл. – М.:
Техносфера, 2008. – 488 с.
13. Поздняков, В. А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов:
Учебное пособие [Текст] / В. А. Поздняков. – М.: МГИУ, 2007.- 204 с.
14. Гусев, А. И. Нанокристаллические материалы [Текст] / А.И. Гусев, А. А.
Ремпель. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.
15. Родунер, Э. Размерные эффекты в наноматериалах [Текст] / Э. Роуднер. – М.:
Техносфера, 2010. – 352 с.
16. Ihn, T. Semiconductor Nanostructures. Quantum States and Electronic Transport
[Text] / T. Ihn. – Oxford university press, 2010. – 552 p.
17. Фальковский, Л. А. Физические свойства висмута [Текст] / Л. А.
Фальковский // УФН. – 1968. – Т. 94. –Вып. 1. - С. 3-41.
18. Эдельман, В. С. Свойства электронов в висмуте [Текст] / В. С. Эдельман //
УФН. – 1977. – Т. 123. – Вып. 2 – С. 257-287.
19. Goldsmid, H.J. Bismuth – The Thermoelectric Materials of the Future? [Text] /
Goldsmid H.J. // Proceedings of the XXV Int. Conf. on Thermoelectrics. Wien, Austria,
2006. – P.5-10.
20. Goldsmid, H.J. Introduction to Thermoelectricity [Text] / H.J. Goldsmid – SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2010. – 242 p.
21. Остриков O.M. Физические закономерности двойникования при воздействии
внешних ортогональных друг другу электрических и магнитных полей,
57
прикладываемых к монокристаллам висмута, облученных ионами бора [Text] /
О.М. Остриков // ЖТФ. - 2000. - Т. 70. - Вып. 12. - С. 39-42.
22. Офицеров, А. В. Исследование электронных свойств поверхности висмута
методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии [Текст]: дис.
… канд. физ.-мат. наук: 01.04.09 / Офицеров Алексей Владиславович. – Москва,
2004.-120 с.
23. Sun,J. Structural determination of the Bi(110) semimetal surface by LEED analysis
and ab-initio calcuiations [Text] / J. Sun, A. Mikkelsen, Fuglsang Jensen M., Y.M.
Koroteev, G. Bihlmayer, E.V. Chulkov, D.L. Adams, Ph. Hofmann, K. Pohl // Phys.
Rev. B – 2006. – Vol. 74. - P. 245406
24. Hoffman, C.F. Semimetal-to-Semiconductor transition in bismuth thin films [Text] /
C.A. Hoffman, J.R. Meyer, F.J. Bartoli, A.Di Venere, X.J. Yi, C.I. Hou, H.C. Wang, J.B.
Ketterson, G.K. Wong // Phys. Rev. B. – 1993.- Vol. 48. – P. 11431 – 11434
25. Курчатов, И. В. Собрание научных трудов: в 6-ти тт. Т. 1. Ранние работы.
Полупроводники. Диэлектрики. Сегнетоэлектрики[Текст] / И. В. Курчатов. — М. :
Наука, 2005. — 576 с.
58
59
60
61
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа