close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Аношина Лидия Викторовна. Исследование дефектной структуры кристаллов висмута

код для вставки
Оглавление
Введение…………………………………………………………….………......3
Глава 1. Основные положения и понятия кристаллографии.….….……5
§1. Понятие о кристаллографии ……………………………….….……….… .5
§2. Основные виды дефектов в кристаллах ……….……….…….…………...7
§3. Висмут и его свойства………………………………….…….…………....11
Глава 2. Методика экспериментальных исследований …….……..….…14
§1. Химическое травление …………………………………….…….…….......14
§2. Методика травления и исследования кристалла.………….…………….16
§3. Металлографическое исследование поверхности кристалла…………...22
§4. Анализ и обработка экспериментальных данных………….......................30
Глава 3. Методика экспериментальных исследований. ………………..34
§1. Основы сканирующей зондовой микроскопии, атомно-силовой
микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии……………………34
§2. Техника эксперимента……………………………………………………...39
§3. Результаты экспериментальных исследований и их обработка …………45
Заключение…………………………………………………………….…….......56
Список использованной литературы……………………..…….……….....…..58
Приложение 1 ……………………………………………………………… ….
Приложение 2 ……………………………………………………………… ….
Введение
Современный уровень развития приборостроения
новых
конструкционных
материалов
с
требует создания
определенными
свойствами.
Тенденции уменьшения размеров рабочих элементов электроники заставляют
исследователей переходить на уровень наноразмеров. Важно контролировать
изменение структуры поверхности, так как свойства материалов на
наноуровне определяются её состоянием. В то же время, свойства
поверхности
во
многом
определяются
дефектностью
кристалла.
Разнообразные методики сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) дают
возможность получать информацию о структуре поверхности в режиме
реального времени. Одними из
основных компонентов
атомно-силовая
(АСМ)
микроскопия
и
СЗМ являются
сканирующая
туннельная
микроскопия (СТМ), с помощью которых стало возможным визуализировать
и диагностировать вещество с нанометровым уровнем пространственного
разрешения.
Висмут обладает ярко выраженной анизотропией механических и
физических свойств. Различие в свойствах монокристаллов с одним и тем же
составом можно объяснить
различной чистотой исходных материалов,
разными условиями роста и особенностями технологии выращивания. Всё
это в той или иной мере оказывают влияние на физические свойства
монокристаллов и их поверхности.
Висмут, являясь полуметаллом, занимает промежуточное положение
между металлами и полупроводниками. Он обладает рядом уникальных
свойств, что делает его модельным материалом при экспериментальном
исследовании фундаментальных 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, датчики Холла, Нернста, усилители звука и т.д.
Типичными макроскопическими дефектами кристаллов типа висмута
являются двойники, блоки, мозаичная структура. Преобладающим видом
микродефектов в монокристаллах типа висмута являются дислокации.
Сплавы висмут-сурьма, особенно в полупроводниковой области обладают
большой
чувствительностью
к
примесям
и
другим
дефектам
кристаллической структуры. Свойства разных типов дислокаций в висмуте и
его сплавах с сурьмой изучены еще мало. Сильная анизотропия кристаллов
сплавов висмут-сурьма так же приводит к существенному влиянию
двойников на физические свойства сплавов. Двойники могут возникать как при
росте кристаллов (двойники роста), так и при механической деформации
(двойники деформации).
Особенно интересны полупроводниковые материалы со слоистой
структурой. Полуметаллы типа висмута склонны к образованию микро- и
макроскопических дефектов кристаллической структуры. По этой причине
внимания заслуживает изучение дефектов кристаллической структуры
полуметаллов, которые интересны физикам и материаловедам.
Целью данной работы является исследование поверхности
монокристалла висмут-сурьма на металлографическом микроскопе Альтами МЕТ
1М, изучение свойств и дислокационных структур монокристалла висмут-сурьма
после травление, так же проводились исследования поверхности монокристалла
висмута и висмутсодержащих материалов на сканирующем зондовом
микроскопе
СЗМ NanoEdukator в АСМ
и СТМ режимах. Образец
исследовался по плоскости скола (111). Используя данные методики можно
получать изображения поверхности, изучать свойства поверхности в связи с
ее фактической структурой с пространственным разрешением вплоть до
атомного.
Экспериментальными
задачами
работы
были:
анализ
свойств
монокристалла висмут-сурьма после травления, получение АСМ и СТМ
изображений поверхности висмута и его сплавов на основе висмута, поиск на
поверхности различных дефектов.
Работа
состоит из трёх глав. В первой говорится об основах
кристаллографии, видах дефектов в кристаллах и особенностях кристаллов
висмут-сурьма.
Вторая глава посвящена описанию методики эксперимента. Описан
процесс приготовления травителей для монокристалла висмут-сурьма,
рассмотрено устройство и принцип работы металлографического микроскопа
Альтами МЕТ 1М. Представлены основные экспериментальные результаты.
В начале главы обсуждаются особенности исследования поверхности
висмута и его травления. Затем рассматриваются и анализируются результаты
эксперимента.
Третья глава посвящена основным принципам сканирующей зондовой
микроскопии, в частности, атомно-силовой и сканирующей туннельной
микроскопии.
Содержится
описание
методики
эксперимента.
Рассматриваются особенности конструкции СЗМ NanoEdukator, описана
методика приготовления исследуемых образцов, представлены основные
экспериментальные результаты. Обсуждаются особенности исследования
поверхности висмута и висмутсодержащих материалов методами АСМ и
СТМ. Затем рассматриваются результаты эксперимента.
Глава 1. Основные положения и понятия кристаллографии.
§1. Понятие о кристаллографии.
Кристаллография – (от греч. krystallos и grapho - пишу) - наука о
кристаллах, их структуре, возникновении и свойствах. Кристаллография
изучает симметрию, строение и свойства кристаллов. Кристаллографию
называют наукой о кристаллах, кристаллических природных телах. Одна из
важнейших
органических
современных
соединений.
задач
-
Объектом
расшифровка
структур
исследования
сложных
кристаллографии
являются природные и синтетические кристаллы, изучаемые различными
методами химии и физики твёрдого тела, минералогии и др.
Кристаллография зародилась в древности в связи с наблюдениями над
природными кристаллами, имеющими естественную форму правильных
многогранников. Как самостоятельная наука существует с середины 18 в. В
18—19 вв. кристаллография развивалась в тесной связи с минералогией как
дисциплина, устанавливающая закономерности огранки кристаллов.
Как самостоятельная наука кристаллография возникла c первых
исследований закономерности огранки кристаллов французского минералога
P. Ж. Аюи 1788 года.
Кристаллография изучает процессы образования кристаллов: процесс
зарождения кристаллов, тепло- и массоперенос при кристаллизации, формы
роста, процессы дефектообразования. Исследование структуры реальных
кристаллов, дефектов кристаллов, дислокаций и точечных дефектов, условия
их образования и влияние на свойства реальных кристаллов – важнейшие
прикладные области кристаллографии.
Во всем мире кристаллографические знания приобретают все большее
значение. Практически все научные и технические достижения последнего
времени (компьютерная техника, электронная микроскопия, квазикристаллы,
высокотемпературные сверхпроводники и т. д.) непосредственно связаны с
кристаллографией. И без знания кристаллографических законов трудно
понять и оценить новейшие научные открытия.
Следует
подчеркнуть,
что
кристаллография
—
вполне
самостоятельная наука. Как и каждая наука, она обладает уникальным, только
ей присущим методом — применительно к кристаллографии это метод
симметрии, который является общим методом познания закономерностей
развития Земли, ее вещества.
Кристаллы - это все твердые тела, имеющие форму многогранника,
возникающую в результате упорядоченного расположения атомов.
Симметричные тела и предметы состоят из равнозначных, правильно
повторяющихся в пространстве частей. Особенно разнообразна симметрия
кристаллов. Различные кристаллы отличаются большей или меньшей
симметричностью. Она является их важнейшим и специфическим свойством,
отражающим
закономерность
внутреннего
строения.
Таким
образом,
симметрия является главным свойством всякого кристалла. Применение
законов симметрии составляет основу всех кристаллографических методов,
что и делает кристаллографию самостоятельной наукой.
Кристаллы подразделяются по признаку симметрии элементарной
ячейки, которая характеризуется соотношением между ее ребрами и углами.
Обычно выделяют 7 сингоний (Рис. 1-1) (в порядке повышения симметрии):
триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную,
гексагональную и кубическую (изометрическую). Иногда тригональную и
гексагональную сингонии не разделяют и описывают вместе под названием
гексагональной сингонии.
Сингония (от греч. σύν, «согласно, вместе», и γωνία, «угол» —
дословно «сходноугольность») — одно из подразделений кристаллов по
признаку формы их элементарной ячейки. Сингония включает группу
классов симметрии, обладающих одним общим или характерным элементом
симметрии при одинаковом числе единичных направлений.
Рис. 1-1. Основные виды сингоний и некоторые их комбинации
Сингонии группируются в три категории: высшая – единичные
направления отсутствуют, всегда имеется несколько осей порядка выше двух
(кубическая сингония); средняя – имеется одно единичное направление,
совпадающее с единственной осью (тетрагональная, тригональная и
гексагональная сингонии);
низшая – имеется
несколько единичных
направлений (триклиническая, моноклинальная и ромбическая сингонии ).
§2. Основные виды дефектов в кристаллах
Дефекты в кристаллах (от лат. defectus — недостаток, изъян),
нарушения
периодичности
монокристаллах.
занимают
В
строго
кристаллической
идеализированных
определённые
структуры
структурах
положения,
в
реальных
кристаллов
образуя
атомы
правильные
трёхмерные решётки. В реальных кристаллах (природных и искусственно
выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного
расположения атомов или ионов (или их групп).
Такое нарушение может заключаться в отсутствии атома в узле
решетки (вакансия), в замене атома данного вещества (своего атома) чужим
атомом, (атомом примеси), во внедрении лишнего атома (своего или чужого)
в межузельное пространство (Рис. 1-2).
точечными.
Они
вызывают
Подобные дефекты называются
нарушения
правильности
решетки,
распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов.
Рис. 1-2. Дефекты кристаллической решетки:
а - внедрившийся атом; б - вакансия
Кроме точечных существуют дефекты сосредоточенные вблизи
некоторых линий. Их называют линейными дефектами или дислокациями.
Дефекты такого вида нарушают правильное чередование кристаллических
плоскостей. Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая
дислокации.
Краевая дислокация обуславливается лишней кристаллической
полуплоскостью, вдвинутой между двумя соседними слоями атомов. Край
этой полуплоскости образует дислокацию данного вида.
Винтовую дислокацию можно представить как результат разреза
кристалла по полуплоскости и последующего сдвига лежащих по разные
стороны разреза частей решетки навстречу друг другу на величину одного
периода (Рис. 1-3).
Рис. 1-3. (с права на лево): Краевая и винтовая дислокации
кристаллов;
Основные представители двумерных дефектов - границы между
участками кристалла, повёрнутыми на разные (малые) углы по отношению
друг к другу; границы двойников; границы зёрен. Многие из поверхностных
дефектов представляют собой ряды и сетки дислокаций, а совокупность
таких сеток образует в поликристаллах границы зёрен; на этих границах
собираются примесные атомы и инородные частицы.
К объёмным дефектам относятся скопления вакансий, образующие
поры
и
каналы;
частицы,
оседающие
на
различных
дефектах
(декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора;
скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста.
Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства
кристаллов, в том числе и на их прочность. В частности дислокации служат
причиной того, что пластическая деформация реальных кристаллов
происходит под воздействием напряжений на несколько порядков меньших,
чел вычисленное для идеальных кристаллов. Дефекты. влияют на спектры
поглощения, спектры люминесценции, рассеяние света в кристалле,
изменяют электропроводность, теплопроводность, сегнетоэлектрические
свойства, магнитные свойства.
Дислокации являются местами скопления примесей. Дислокации
препятствуют процессам намагничивания и электрической поляризации
благодаря взаимодействию с границами доменов. Объёмные дефекты
снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и
магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации.
§3. Кристаллическая структура висмута и его свойства.
Виисмут — химический элемент 15-й группы шестого периода
периодической
системы
химических
элементов
Д. И. Менделее,
имеет атомный номер 83. Обозначается символом Bi. Простое вещество
представляет собой при нормальных условиях блестящий серебристый с
розоватым оттенком металл.
В соединениях висмут проявляет степени окисления −3, +1, +2, +3, +4,
+5. При комнатной температуре в среде сухого воздуха не окисляется, но в
среде влажного воздуха покрывается тонкой плёнкой оксида. Нагрев до
температуры плавления приводит к окислению висмута, которое заметно
интенсифицируется при 500 °C. При достижении температуры выше 1000 °C
сгорает с образованием оксида Bi2O3.
Висмут одновременно хрупкий и довольно мягкий, тяжелый
(плотность 9,8 г/см3), легкоплавкий (температура плавления 271°C). Для него
характерен сильный металлический блеск.. Для кристаллов висмута
характерно сложное двойниковое строение, которое можно увидеть только
под микроскопом.
Висмут
является
сильнейшим
диамагнетиком,
причем
эффект
диамагнетизма на нем можно наблюдать в простых лабораторных условиях, в
отличие от других доступных, но очень слабых диамагнетиках. Подвешенный
на тонкой нити образец висмута заметно на глаз отталкивается от любого
полюса магнита. Имея достаточно большие блоки висмута и мощный магнит,
даже в домашних условиях можно увидеть, что силы отталкивания
достаточно чтобы оторвать магнит от опоры.
Монокристаллический
висмут
обладает
ярко
выраженной
анизотропией механических и физических свойств, что во многом связано с
его
кристаллической
структурой.
Кристаллическая
решетка
висмута
относится к ромбоэдрической системе с двумя атомами на примитивную
ячейку и может быть получена из простой кубической решетки с одним
атомом на ячейку путем незначительных смещений атомов.
Кристаллы
висмута
являются
весьма
склонными
к
дефектообразованию. Анизотропия кристаллов висмута приводит к сильному
влиянию дефектов на физические свойства.
Висмут играет особую роль в физике металлов. Это обусловлено его
уникальными электронными свойствами. Число носителей тока в висмуте
порядка 10"5 на атом, их эффективные массы имеют порядок 0.1- 0.01 массы
свободного электрона, энергия Ферми в висмуте порядка нескольких сотых
электрон-вольта.
Сплавы висмута с кадмием, оловом, свинцом, индием, таллием,
ртутью, цинком и галлием, обладают очень низкой температурой плавления и
применяются в качестве теплоносителей и припоев, а также в медицине в
качестве фиксирующих составов для сломанных конечностей. Некоторые
легкоплавкие сплавы применяются в качестве элементов противопожарной
сигнализации, в качестве специальных смазок работающих в вакууме и
тяжелых условиях, в качестве клапанов (при расплавлении открывающих
просвет для протекания жидкостей и газов (например ракетных топлив), в
качестве предохранителей в мощных электрических цепях, в качестве
уплотнительных прокладок в сверхвысоковакуумных системах.
Металлический висмут особой чистоты служит материалом для
производства обмотки для измерения сверхсильных магнитных полей, ввиду
того, что при увеличении магнитного поля электросопротивление висмута
резко возрастает, и в то же время достаточно равномерно для того, чтобы по
изменению сопротивления обмотки, изготовленной из него, судить о
напряженности внешнего магнитного поля.
Было установлено, что в области контакта сплава висмут-сурьма с
металлом возникает сверхпроводимость вследствие инжекции из металла,
что
позволит
использовать
комбинацию
полупроводниковых
и
сверхпроводящих свойств в одном материале. Это позволит создать новый
класс устройств.
Висмут и сурьма являются полуметаллами с малым перекрытием
валентной зоны и зоны проводимости, в монокристаллах при увеличении
содержания сурьмы происходит изменение зонной структуры и при
концентрации сурьмы более 8 % полуметалл превращается в полупроводник.
Варьируя концентрацию сурьмы и легирующих добавок можно на основе
висмута получить целое семейство полупроводниковых материалов для
различных областей науки и техники.
Рис. 1-4. Внешний вид монокристалла висмут-сурьма
Глава
2.
Методика
экспериментальных
исследований
металлографическим способом.
§1. Химическое травление.
Травление — группа технологических приёмов для управляемого
удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием
специально подбираемых химических реактивов. Ряд способов травления
предусматривает активацию травящих реагентов посредством других
физических явлений, например, наложением внешнего электрического поля
при электрохимическом травлении, ионизацией атомов и молекул реагентов
при ионно-плазменном травлении и т. п.
Если
часть
поверхности,
подвергаемой
травлению,
требуется
сохранить, то она защищается (химически или механически) путём
наложения специальной маски.
Основные виды травления:
1)
химическое («жидкое»),
2)
электрохимическое
3)
ионно-плазменное
(«сухое»).
Процесс травления включает в себя:
1)
подготовку поверхности (например, механические шлифовка и
полировка, обезжиривание);
2)
взаимодействие
травителя
или электролита (растворы кислот,
растворы и расплавы солей и щелочей, другие органические и неорганические
жидкости, плазма) с обрабатываемым материалом;
3)
очистку поверхности от травителя и продуктов травления (как
правило, это отмывка каким либо растворителем).
Процесс
травления
может
сопровождаться
газовыделением.
В
частности, кислотное травление металлов часто сопровождается выделением
водорода, что требует применения особых мер безопасности.
Обычно при процессе травления обрабатывается только поверхность,
однако при длительном травлении начинает стравливаться и материал под
маской вблизи её краёв, что может привести к порче заготовки.
При травлении монокристаллического материала скорость травления
повышается на механических дефектах и на дефектах кристаллической
решётки, также сказывается анизотропия свойств кристалла, то есть разные
грани кристалла травятся с различной скоростью: это различие используется
для проявления дефектов кристаллической решётки монокристалла, при этом
дефекты атомного масштаба провоцируют появление ямок травления.
Полученные ямки травления могут быть оценены как качественно, так и
количественно с использованием обычного оптического микроскопа.
§2. Методика травления и исследования
При
химическом
травлении
применялись четыре вида раствора.
монокристалла
висмут-сурьма
В данных травителях
применялись
вещества: азотная кислота, уксусная кислота, вода.
Азотная кислотаи (HNO3) — сильная одноосновная кислота. В водных
растворах она практически полностью диссоциирует на ионы. Азотная
кислота в любой концентрации проявляет свойства кислоты-окислителя..
Азотная кислота действует почти на все металлы (за исключением золота,
платины, тантала, родия, иридия).
Уксусная кислота (CH3COOH) — органическое вещество; слабая,
предельная одноосноовная карбоновая кислота. Свойства уксусной кислоты
меняются в зависимости от содержания в ней воды. Уксусная кислота
представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом.
Неограниченно растворима в воде.
В каждом растворе применены разные
пропорции веществ.
Содержание раствора ( азотная кислота; уксусная кислота; вода)
1)
6 : 4 : 2;
2)
6 : 2 : 2;
3)
4 : 4 : 2;
4)
2:6:2;
Время травления было различным при каждом травлении.
Одним из устройств, с помощью которых можно исследовать
поверхность
кристалла
висмут-сурьма
является
металлографический
микроскоп, представляющий собой особую оптическую систему (Рис. 2-1).
Рис. 2-1. Оптическая схема металлографического микроскопа
В данной работе рассматривается методика исследования поверхности
монокристалла
висмута
на
металлографическом
микроскопе
инвертированного типа Альтами МЕТ 1М (рис. 2-2).
Достоинством данной модели является наличие револьверного
устройства на 5 объективов, позволяющего оперативно сменить увеличение
изображения от 40х до 1600х.
Существенным преимуществом Альтами МЕТ 1М является наличие
цифровой камеры, позволяющей получать изображения поверхности в
реальном 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 ХУпозиционером производится перемещение вставки с образцом и выбирается
участок поверхности для исследования. Далее в зависимости от структуры
поверхности устанавливается соответствующее увеличение и делается МГМкадр.
Рис. 2-2. Металлографический микроскоп инвертированного типа
Альтами МЕТ 1М:
1 – основание, 2 – колесо регулировки яркости, 3 – предметный стол,
4- анализатор, 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 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 ХУпозиционером производится перемещение вставки с образцом и выбирается
участок поверхности для исследования. Далее в зависимости от структуры
поверхности устанавливается соответствующее увеличение и делается МГМкадр.
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 которое состоит
из главного меню, рабочей области, панелей инструментов съёмки и правки
изображений, а так же области специальных функций. К специальным
функциям программы относятся выбор калибровок, гистограмма, настройки
камеры и измерительный инструментов.
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; следует выбор
калибровок, который необходим для обозначения масштаба.
Далее выбирались калибровки, которые необходимы для обозначения
масштаба. После выбора калибровок проводится съёмка изображений.
На полученных изображениях измерялись линейные размеры и углы
структур. Для этого использовался соответствующий набор инструментов.
Отредактированные
кадры
сохраняются
в
заранее
выбранную
директорию.
Примеры полученных кадров приведены на рисунках 2-3, 2-4 и 2-5.
Рис. 2-3. Кадр поверхности скола монокристалла висмута после
действия травителя.
Рис. 2-4. Кадр поверхности скола монокристалла висмута после
действия травителя.
Рис. 2-5. Кадр поверхности скола монокристалла висмута после
действия травителя.
Остальные
графики
представлены в приложении 1.
распределения
плотности
дислокаций
§3. Металлографическое исследование поверхности кристалла.
Кристаллическая
структура
монокристалла
висмут-сурьма
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 висмут-сурьма на
поверхности образуются ямки травления в виде пирамидки, с основанием
равносторонних треугольников. Это связано с тем, что скорость растворения
поверхности кристалла травителем в местах нарушения кристаллической
структуры больше, чем в ненарушенных.
Области пересечения дислокацией поверхности кристалла наиболее легко
поддаются воздействию различных растворителей. Это связано с тем, что вокруг
линии дислокации в кристалле атомные связи искажены (растянуты, сжаты, либо
разорваны). В результате различной скорости травления на поверхности
кристалла в местах выхода дислокаций образуются характерные ямки травления.
Их форма зависит от кристаллографической ориентации данной поверхности,
структуры решетки.
В начале эксперимента было проведено полное
исследование
поверхности монокристалла висмут-сурьма до травления образца. Структура
кристалла однородна, без дефектообразования (Рис. 2-6. ).
Дислокации влияют не только на такие механические свойства, как
пластичность
и
прочность,
для
которых
присутствие
является
определяющим, но и на другие физические свойства. Например, с
увеличением
числа
дислокаций
уменьшается
плотность
кристалла,
возрастает внутреннее трение, изменяются оптические свойства, повышается
электросопротивление.
Дислокации
увеличивают
скорость диффузии в
кристалле и ускоряют другие процессы, протекающие с участием диффузии,
а так же уменьшают химическую стойкость кристалла.
Рис. 2-6. Поверхность монокристалла висмут-сурьма до воздействия
травителя.
В дальнейшем образец исследовался после химического травления.
При воздействии травителя на монокристаллы висмут-сурьма на плоскости
образуются ямки травления в виде пирамидки, с основанием равносторонних
треугольников.
Первое травление проводилось в течении 60 с. Содержание раствора:
азотная кислота; уксусная кислота; вода в соотношении 6 : 4 : 2. Реакция
проходила активно с выделением резкого запаха. Белый налет легко убрался
после обмывки кристалла спиртом; внешний блеск остался прежним.
Прочность кристалла не нарушена.
На поверхности остались области без дислокаций. Они сохранили
свой первоначальный вид (Рис. 2-7.).
Рис. 2-7. Область без дислокаций на поверхность кристалла.
На плоскости образовались ямки травления в виде пирамидки, с
основанием равносторонних треугольников. Длина ребра основания ямок и
углы образующих различны (Рис. 2-8.). На кристалле наблюдались обширные
зоны дислокаций. Они представлены почти на всей поверхности кристалла.
Углы ямок травления больше 60º.
Рис. 2-8. Ямки дислокаций после первого травления. Содержание
раствора: азотная кислота; уксусная кислота; вода в соотношении 6 : 4 : 2.
Время травления 60с.
Второе травление проводилось в течении 40 с. Содержание раствора:
азотная кислота; уксусная кислота; вода в соотношении 6 : 2 : 2. Реакция
проходила менее активно, чем в первом случае.
При воздействии второго травителя на монокристалл висмут-сурьма
внешний блеск изменился, на поверхности остался белый налет.
На
плоскости
так
же
образуются
ямки
травления
треугольников, с основанием равносторонних треугольников
в
виде
различной
длинны ребер. Углы ямок распределены в интервале 53º-64º (Рис. 2-9.) .
Рис. 2-9. Ямки дислокаций после второго травления. Содержание
раствора: азотная кислота; уксусная кислота; вода в соотношении 6 : 2 : 2.
Время травления 40с.
На
кристалле
уменьшилось
количество
больших
скоплений
дислокаций. Ямки травления представлены большой площадью, так же они
стали
более глубокими. Можно наблюдать различное огранение ямок,
особенно их дна. (Рис. 2-10.)
Рис. 2-10. МГМ-кадр поверхности скола монокристалла висмута поле
второго травления. Содержание раствора: азотная кислота; уксусная кислота;
вода в соотношении 6 : 2 : 2. Время травления 40с.
На
кристалле
уменьшилось
количество
больших
скоплений
дислокаций. Ямки травления представлены большой площадью, так же они
стали
более глубокими. Можно наблюдать различное огранение ямок,
особенно их дна.
Третье
травление осуществлялось в течении
60с. Содержание
раствора: азотная кислота; уксусная кислота; вода в соотношении 4 : 4 : 2.
Реакция была активной.
После воздействия третьего травителя на
монокристалл висмут-сурьма на поверхности остался белый налет.
На плоскости так же образуются ямки травления в виде пирамидки.
На всей поверхности представлены обширные зоны дислокаций, однако ямки
травления малого размера (Рис. 3-6.). Изменился и угол ямок травления, он
стал меньше, по сравнению с первыми случаями травления. Углы изменялись
в пределах 56º-63 º ( Рис. 2-11.).
Рис. 2-11. Участок поверхности скола монокристалла висмут-сурьма
после третьего травления. Содержание раствора: азотная кислота; уксусная
кислота; вода в соотношении 4 : 4 : 2. Время травления 40с.
Рис. 2-12. Ямки травления дислокации после третьего травления.
Содержание раствора: азотная кислота; уксусная кислота; вода в
соотношении 4 : 4 : 2. Время травления 40с.
Четвертое
Содержание
травление
кристалла проводилось в течении
40с.
раствора: азотная кислота; уксусная кислота; вода в
соотношении 6 : 4 : 2. Реакция была активной. После воздействия травителя
на монокристалл висмут-сурьма на поверхности белый налет отсутствует.
Кристалл вновь приобрел прежний блеск .
На плоскости
образуются ямки травления. Размеры областей с
повышенной плотностью уменьшились. В некоторых случаях наблюдается
дробление одной большой области на несколько более малых. Углы
дислокаций наблюдаются в диапазоне 49º-60º. (Рис. 2-13.)
Рис. 2-13. Поверхность скола монокристалла после действия
четвертого травителя. Содержание раствора: азотная кислота; уксусная
кислота; вода в соотношении 2 : 6 : 2. Время травления 60с.
Кристаллическая
структура
монокристалла
висмут-сурьма
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 висмут-сурьма на
поверхности образуются ямки травления в виде пирамидки, с основанием
равносторонних треугольников. Это связано с тем, что скорость растворения
поверхности кристалла травителем в местах нарушения кристаллической
структуры больше, чем в ненарушенных.
Области пересечения дислокацией поверхности кристалла наиболее легко
поддаются воздействию различных растворителей. Это связано с тем, что вокруг
линии дислокации в кристалле атомные связи искажены (растянуты, сжаты, либо
разорваны). В результате различной скорости травления на поверхности
кристалла в местах выхода дислокаций образуются характерные ямки травления.
На рисунке 2-14
представлено изображение поверхности висмут-
сурьма после травления. На нём видны дислокации, характерные для
поверхности висмута и висмутсодержащих материалов.
Рис. 2-14. Поверхность скола монокристалла висмут-сурьма.
Дислокации влияют не только на такие механические свойства, как
пластичность
и
прочность,
для
которых
присутствие
является
определяющим, но и на другие физические свойства. Например, с
увеличением
числа
дислокаций
уменьшается
плотность
кристалла,
возрастает внутреннее трение, изменяются оптические свойства, повышается
электросопротивление.
§4. Анализ и обработка экспериментальных данных
После визуального анализа поверхности монокристалла висмутсурьма, а так же измерения углов ямок дислокаций было проведено
исследование зависимости нахождения дислокаций от геометрии кристалла.
Данное исследование проводилось после каждого травления.
Было выбрано исследование распределения плотности дислокаций по
периметру
кристалла.
Схема
поверхности
кристалла
висмут-сурьма
представлена на рис. 2-15. Проход совершался вдоль прямых OA,OB,OD.
Кадр делался один за другим по направлению заданной оси. После чего
совершался подсчет дислокаций в кадре, находилась плотность дислокаций и
строились графики зависимости плотности дислокаций от расстояния.
А
В
O
D
Рис. 2-15. Схема поверхности монокристалла висмут-сурьма.
После первого травления по периметру кристалла наблюдалось
наиболее равномерное распределение плотности дислокаций, но они были
обширные. Характерные области представлены по прямой OA. (Рис. 2-16.)
Рис. 2-16. График распределения плотности дислокаций
вдоль направления ОA.
Второе травление показало, что количество обширных областей
дислокаций уменьшилось, но в целом распределение вдоль прямых
кристалла не однородно. (Рис. 2-17.)
Рис. 2-17. График распределения плотности дислокаций
вдоль направления ОA.
После третьего травления на графике (Рис. 2-18.) видно, что на
монокристалле висмут-сурьма появились неравномерные распределения
дислокаций, особенно по прямой OB.
Рис. 2-18. График распределения плотности дислокаций
вдоль направления ОВ.
Четвертое травление по визуальным критериям мало отличается от
первого, однако, так как наблюдается дробление больших областей
дислокаций на малые, то свойства кристалла все же изменились. Общая
картина распределения таких малых дислокаций
вдоль прямой OD
представлена на рис. 2-19.
Рис. 2-19. График распределения плотности дислокаций
вдоль направления OD.
Глава 3. Методика экспериментальных исследований.
§1. Основы сканирующей зондовой микроскопии, атомно-силовой
микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии.
Сканирующая
зондовая
микроскопия
-
современный
широко
распространенный и успешно применяемый метод исследования
свойств
поверхности твердого тела.
Первый из семейства сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) –
сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) - был создан в 1981 году
швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. В 1986 году
за создание туннельного микроскопа Г. Биннигу и Г. Рореру была присуждена
Нобелевская премия по физике. Вслед за туннельным микроскопом в течение
короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп (АСМ),
магнитно-силовой микроскоп (МСМ), электросиловой микроскоп (ЭСМ),
ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) и многие другие приборы,
имеющие сходные
принципы работы
и называемые
сканирующими
зондовыми микроскопами. В наше время зондовая микроскопия – это быстро
развивающаяся область техники и прикладных научных исследований.
Исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств в
сканирующих зондовых микроскопах проводится с помощью специальным
образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов
(острие) имеет размеры порядка десятков нанометров. Характерное
расстояние между зондом и поверхностью образцов в микроскопах по
порядку величин составляет 0,1 – 10 нм. В основе работы зондовых
микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью.
Например, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания
туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; в
основе
работы
атомно-силового
лежат
различные
типы
силового
взаимодействия, магнитно-силового и электросилового микроскопов.
Различным зондовым микроскопам присущи общие черты. Пусть
взаимодействие
зонда
с
поверхностью
характеризуется
некоторым
параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная
зависимость параметра Р от расстояния зонд – образец Р = Р(z), то данный
параметр может быть использован для организации системы обратной связи
(ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис. 3-1
показан общий принцип организации обратной связи сканирующего
зондового микроскопа.
Рис. 3-1. Схема организации системы обратной связи зондового
микроскопа
Система обратной связи поддерживает значение параметра Р
постоянным, равным величине P0, задаваемой оператором. Если расстояние
зонд – поверхность изменяется (например, увеличивается), то происходит
изменение (увеличение) параметра Р. В системе ОС формируется разностный
сигнал, пропорциональный величине ΔP = P - Po , который усиливается до
нужной величины и подается на исполнительный элемент. Исполнительный
элемент отрабатывает данный разностный сигнал, приближая зонд к
поверхности или отодвигая его до тех пор, пока разностный сигнал не станет
равным нулю. Таким образом можно поддерживать расстояние зонд-образец
с высокой точностью. В существующих зондовых микроскопах точность
удержания расстояния зонд-поверхность достигает величины ~ 0.01 Å. При
перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение
параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система
ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости
X,Y сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным
рельефу поверхности. Для получения СЗМ изображения осуществляют
процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над
образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина
сигнала
на
исполнительном
элементе,
пропорциональная
рельефу
поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в
исходную точку и переходит на следующую строку сканирования (кадровая
развертка), и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом сигнал
обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображение
рельефа поверхности Z = f(x,y) строится с помощью средств компьютерной
графики.
Наряду
микроскопы
с
исследованием
позволяют
изучать
рельефа
различные
поверхности,
свойства
зондовые
поверхности:
механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие.
Атомно-силовая микроскопия.
Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году Гердом
Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером . Основой работы
АСМ является силовое взаимодействие между зондом и поверхностью,
которое регистрируют специальные зондовые датчики (рис. 3-2).
Рис. 3-2. Зондовый датчик.
Со стороны поверхности на зонд действует сила, приводящая к изгибу
консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу
взаимодействия зонда с поверхностью.
Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дерВаальса.
Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный
характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших
расстояниях и отталкивание на малых. Получение АСМ изображений
рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли
зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко
используются оптические методы (рис. 3-3).
Рис. 3- 3. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового
датчика АСМ
Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение
полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а
отраженный
пучок
фотоприемника.
попадал
в
центр
фоточувствительной
При сканировании образца в режиме
области
с постоянным
расстоянием между зондом и исследуемой поверхностью зонд перемещается
вдоль поверхности. Пространственное разрешение АСМ определяется
радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей
отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ,
позволяющие
получать
атомарное
разрешение
при
исследовании
поверхности образцов.
Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится
с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой
упругую консоль – кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце. Один
конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании - держателе.
На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы.
Сканирующая туннельная микроскопия.
В
сканирующей
туннельной
микроскопии
присутствуют
три
концепции: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само
сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в
других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а
также в телевизионной технике. Сканирующий туннельный микроскоп не
содержит линз, поэтому изображение не искажается из-за аберраций.
Рис.3- 4. Схема туннелирования электронов через потенциальный
барьер в туннельном микроскопе.
Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния
позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом
в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой
электромеханическую систему с отрицательной обратной связью.
Высокое
пространственное
разрешение
СТМ
определяется
экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до
поверхности. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой
вероятностью
находится
либо
одиночный
выступающий
атом,
либо
небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много
меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Атом, выступающий
над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние,
равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость
туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет,
в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на
кончике зонда.
Рис. 3-5. Реализация атомарного разрешения в сканирующем
туннельном микроскопе.
С помощью
таких зондов удается получать
пространственное
разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими
исследовательскими группами на образцах из различных материалов.
Область применения сканирующих туннельных микроскопов – это в
основном физика поверхности твердых тел.
§2. Техника эксперимента
СЗМ NanoEducator
Поскольку СЗМ стал одним из базовых инструментов нанотехнологии,
становится совершенно очевидной необходимость внедрения СЗМ в учебный
процесс. С этой целью и разработан Сканирующий зондовый микроскоп для
учебных целей NanoEducator. Его отличительными особенностями являются:
− простота в обращении;
− отсутствие сложных настроек и юстировок;
− использование видеокамеры для визуального контроля состояния
зонда;
− недорогой и многократно восстанавливаемый зонд;
− дружественный программный интерфейс в Apple Mac OS X 10.5
Leopard;
− подключение электронного блока к компьютеру через USB порт;
− многозадачность, обеспечивающая возможность пользования
компьютером одновременно с работой прибора;
−комплектация прибора необходимыми для учебного процесса тестобъектами.
СЗМ
измерений
NanoEducator
туннельной
позволяет
и
реализовать
атомно-силовой
различные
микроскопий
и
методы
может
использоваться не только в учебных, но и в научных целях при
исследованиях в области физики и технологии микро и наноструктур,
материаловедения, катализа, физики и химии полимеров, трибологии,
цитологии и т. п.
Конструкция СЗМ NanoEducator
В основе работы СЗМ NanoEducator лежит использование зависимости
величины взаимодействия между зондом и поверхностью исследуемого
образца от величины расстояния зонд-образец. Взаимодействие может быть
токовым (за счет туннельного тока) или силовым.
Детектируя
туннельный
ток,
протекающий
при
постоянном
электрическом смещении между зондом и образцом, можно исследовать
только проводящие объекты, в то время как, детектируя силу взаимодействия
зонд-поверхность,
можно
исследовать
как
проводящие,
так
и
диэлектрические образцы. Чем резче зависимость тока или силы от
расстояния между зондом и образцом, тем выше пространственное
разрешение СЗМ, причем характер этой зависимости определяется физикохимическими свойствами исследуемой поверхности. Пространственное
разрешение определяется также радиусом закругления кончика зонда,
уровнем механических вибраций и тепловых дрейфов конструкции, а также
уровнем
электронных
шумов
измерительной
аппаратуры.
Кончик
вольфрамовой иглы затачивается путем электрохимического травления и
имеет радиус закругления вершины менее 100 нм.
В СЗМ NanoEducator игла-зонд закрепляется неподвижно. Образец
может перемещаться относительно иглы по трем пространственным
координатам:
− X, Y – в плоскости образца;
− Z – по вертикали перпендикулярно плоскости XY.
При работе прибора образец движется в плоскости XY ( построчно,
таким образом, что кончик иглы постепенно проходит над всей заданной
площадью образца с шагом Δ. Этот процесс называется сканированием. В
процессе сканирования зонд может находиться над участками поверхности,
имеющими различные физические свойства, в результате чего величина и
характер взаимодействия зонд-образец будут изменяться. Кроме того, если на
поверхности образца есть неровности, то при сканировании будет изменяться
и расстояние ΔZ между зондом и поверхностью, соответственно будет
изменяться и величина локального взаимодействия.
На рисунке 3-6 представлена конструкция измерительной головки СЗМ
NanoEducator. На основании (1) установлен сканер с держателем образца и
механизм
подвода
на
основе
шагового
двигателя.
Подвод
зонда,
закрепленного на зондовом датчике силового взаимодействия (3) к образцу
можно также осуществлять с помощью винта ручного подвода (5). Датчик
взаимодействия закрепляется при помощи винта фиксации датчика (4).
Предварительный выбор места исследования на образце осуществляется с
помощью винтов перемещения сканера с образцом (6).
Рис.3-6. Внешний вид измерительной головки СЗМ NanoEducator 1 –
основание, 2 – держатель образца, 3 – зондовый датчик силового
взаимодействия, 4 – винт фиксации датчика, 5 – винт ручного подвода, 6 –
винты перемещения сканера с образцом, 7 – защитная крышка с
видеокамерой.
Зондовый датчик силового взаимодействия состоит из игольчатого
зонда 1 (Рис. 3-7,а), закрепленного на трубчатой пьезоэлектрической консоли
(кантилевер) 2, которая, в свою очередь, закреплена на неподвижном
основании 3. Одна часть пьезоэлектрического трубчатого кантилевера
используется как пьезовибратор, а другая - как датчик механических
колебаний.
К пьезовибратору подводится переменное электрическое напряжение с
частотой,
равной
резонансной
частоте
электромеханической
системы
кантилевер-зонд. Кантилевер колеблется вокруг равновесного положения. В
процессе колебаний зонд отклоняется от равновесного положения на
величину А, равную амплитуде его вынужденных механических колебаний,
при этом на второй части пьезоэлемента возникает переменное электрическое
напряжение, пропорциональное смещению зонда. При приближении зонда к
поверхности образца зонд начинает касаться образца в процессе колебаний.
Степень взаимодействия зонда с поверхностью образца увеличивается, а
амплитуда колебаний уменьшается.
Рис.3-7. Зондовый датчик силового взаимодействия.
Формирование и обработка СЗМ изображений.
Сканирование поверхности в сканирующем зондовом микроскопе
можно
сравнить
с
движением
электронного
луча
по
экрану
в
электроннолучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии сначала в
прямом, а затем в обратном направлении (строчная развертка), после чего
переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда
осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием
пилообразных напряжений, которые формируются цифро-аналоговыми
преобразователями. Информация о рельефе поверхности регистрируется в
большинстве случаев на прямом проходе.
Обычно, СЗМ кадры представляют собой квадратные матрицы.
Визуализация СЗМ кадров производится средствами компьютерной графики,
в основном, в виде трехмерных (3D) и двумерных яркостных (2D)
изображений.
СЗМ изображения, наряду с полезной информацией, содержат также
много побочной информации, искажающей данные о морфологии и
свойствах поверхности. Искажения в СЗМ изображениях поверхности могут
вызывать такие факторы, как:
постоянная составляющая
постоянный наклон
неидеальность сканера
шумы аппаратуры
нестабильность контакта зонд-образец
шумы, связанные с внешними вибрациями.
Методы обработки изображений
Методы обработки и анализа, реализованные в программе Scan Viewer
можно разделить на группы:
1. − Сглаживающие фильтры;
2. − Градиентные фильтры;
3. − Фильтры резкости;
4. − Нелинейные фильтры;
5. − Преобразования изображений;
6. − Сечение;
7. − Статистика;
8. − Вычитание поверхностей;
9. − Фурье анализ.
Если применить к АСМ-кадру однин из методов, появляется новый
кадр – результат действия метода.
§3. Результаты экспериментальных исследований и их обработка.
В ходе эксперимента было установлено, что наиболее оптимальными
параметрами сканирования в режиме АСМ являются: шаг зонда 300-400 нм,
скорость хода при сканировании порядка 5-10 мкм/с, скорости прямого и
обратного проходов равные. Для режима СТМ были подобраны следующие
параметры: шаг зонда составлял 32мкм. Скорость была установлена на 1.5
при прямом проходе, 5.0 при обратном проходе. Рабочая точка составляла 0.5
мА. Туннельное напряжение составляло 2.01 В.
Для сканирования использовалась вольфрамовая
которой затачивался путем электрохимического травления.
игла-зонд, кончик
Рис. 3-8. АСМ-изображение поверхности скола монокристалла
висмута. Размер участка сканирования 35 на 35 мкм.
На рисунке 3-8 видно, что поверхность висмута имеет пороговую
структуру в виде чередования борозд, холмов и плоских участков
поверхности, а так же большого количества окислов и дефектов. Известно,
что окислы очень мягкие, поэтому при движении зонда по поверхности
возникает прилипание иглы, в результате наблюдаются помехи.
Представление кадра в трёхмерном виде (рис. 3-9,10) не только
контрастно выявило структуру поверхности, но и визуализировало рельеф
поверхности, который отражает некоторую направленность шероховатости
образца.
Рис.3-9,10. Трехмерные АСМ-изображения поверхности скола
монокристалла висмута, полученные с помощью СЗМ NanoEducator.
Рис.3- 11 Фурье-образ кадра.
Анализ Фурье-образа кадра (рис.3-11) не показал наличие
выделенных максимумов, а лишь выявил присутствие
выделенного
направления шероховатости поверхности.
На рисунке 3-12 представлено ещё одно АСМ-изображение
поверхности монокристалла висмута.
Рис. 3-12 АСМ-изображение поверхности скола монокристалла
висмута. Размер участка сканирования 25 на 26 мкм.
Для улучшения кадра была применена медианная фильтрация
фильтром 3х3, а так же вычитание поверхности
заметно улучшили
изображение (рисунок 3-13).
Рис. 3-13 Преобразование АСМ-изображения поверхности скола
монокристалла висмута методом вычитания поверхности и применения
медианной фильтрации.
Рис.3-14 Фурье-образ кадра.
Фурье-анализ (рис.3-14) кадра показал отсутствие каких-либо
выделенных максимумов, что говорит как об отсутствии какого-либо порядка
в расположении объектов, так и об отсутствии на кадре регулярных помех
типа вибраций.
Так же представлен трёхмерный вид кадра (рисунок 3-15),
который позволяет оценить глубину и ширину
ям и холмиков. Разность
высот составляет от 10 до 100 мкм.
Рис. 3-15 Трехмерное АСМ-изображение поверхности скола
монокристалла висмута полученное с помощью СЗМ NanoEducator.
На рисунке 3-16 представлено характерное изображение скола
кристалла сплава висмут-сурьма.
Рис. 3-16 АСМ-изображение поверхности скола кристалла сплава
висмут-сурьма. Размер участка сканирования 45 на 40 мкм.
На нем видно, что поверхность сплава так же имеет пороговую
структуру в виде чередования борозд и холмов.
Представление кадра в трёхмерном виде (рис. 3-17) визуализировало
рельеф
поверхности,
шероховатости образца.
который
отражает
некоторую
направленность
Рис. 3-17 Трехмерное АСМ-изображение поверхности скола кристалла
сплава висмут-сурьма полученное с помощью СЗМ NanoEducator.
Рис.3-18 Фурье-образ кадра.
Анализ Фурье-образа кадра (рис. 3-18) подтвердил присутствие
выделенного направления шероховатости поверхности.
На рисунке 3-19 представлено изображение поверхности сплава
висмут-сурьма после травления. На нём видны дислокации, характерные для
поверхности висмута и висмутсодержащих материалов. Были измерены углы
дислокаций. Они оказались равны 600 .
Рис. 3-19 АСМ-изображение поверхности скола кристалла сплава
висмут-сурьма. Размер участка сканирования 40 на 45 мкм.
Так же было получено трёхмерное изображение этого кадра.
Рис. 3-20 Трехмерное АСМ-изображение поверхности скола кристалла
сплава висмут-сурьма полученное с помощью СЗМ NanoEducator.
Рис.3-21 Фурье образ кадра.
Анализ Фурье-образа кадра (рис. 3-21) показал наличие выделенного
направления шероховатости поверхности.
На рисунке 3-22 представлено изображение участка поверхности
монокристалла со ступеньками скола.
Рис. 3-22. АСМ-изображение поверхности скола кристалла сплава
висмут-сурьма. Размер участка сканирования 26 на 28 мкм.
Для кристаллов висмута и сплава висмут-сурьма характерно сложное
двойниковое строение, которое можно увидеть на следующем рисунке.
Рис. 3-23 АСМ-изображение поверхности скола кристалла сплава
висмут-сурьма. Размер участка сканирования 35 на 35 мкм.
Кроме АСМ-кадров были получены СТМ-кадры монокристаллов
висмута и кристаллов сплава висмут-сурьма. Один из них представлен на
рис 3-24. На нем видно, что скол имеет чешуйчатую структуру в виде
плоских плато, ограниченных ступеньками. Высота ступеней составляет
порядка 70 – 120 нм.
Рис. 3-24. СТМ - кадр поверхности скола монокристалла висмута
.Размер 8.12x8.12 мкм.
Рис. 3-25. Трехмерный СТМ - кадр поверхности скола монокристалла
висмута.
Рис.3-26. Фурье – образ кадра.
Фурье-анализ этого кадра не показал выделенных направлений
шероховатости или каких-то периодических особенносте строения данного
участка поверхности.
В результате экспериментальных исследований была отработана
методика получения АСМ- и СТМ-кадров поверхности сколов монокристалла
висмута и кристаллов сплава висмут-сурьма на СЗМ NanoEdukator.
Было выявлено, что при скалывании в комнатной температуре
поверхность скола, в отличии от скола при температуре жидкого азота
представляет собой разнородную дефектную структуру в виде порогов,
покрытых окислами, террас и дислокаций.
Окислы являются плохопроводящим материалом, в следствии чего
исследование структуры висмута следует проводить в течение небольшого
промежутка времени после скалывания.
Итак, с помощью СЗМ NanoEducator можно выявить некоторые
особенности структуры поверхностей монокристаллов висмута. Это позволит
объяснить
некоторые
физические
свойства
висмута,
обусловленные
дефектностью его структуры и уточнить особенности его применения в
качестве конструкционного материала для современных приборов.
Использование
сканирующей
зондовой
микроскопии
наряду
с
традиционными методами контроля позволяет получить более подробную
картину качества и совершенства монокристаллов, что даст возможность
проанализировать причины вариаций параметров монокристаллов висмута.
Использование комплексного подхода к исследованию монокристаллов
(химическое
травление, металлографический и рентгеновский анализы,
СЗМ) позволит осуществлять контроль степени их дефектности, выявлять их
влияние, что позволит достичь воспроизводимости свойств получаемых
монокристаллов.
Заключение
Проведено комплексное
исследование монокристаллов висмут-
сурьма с помощью микроскопа Альтами МЕТ 1М и СЗМ NanoEdukator. В
результате
травления
подобранными
поверхности
травителями
монокристалла
получены
специально
качественные
снимки
обнаруженных в кристалле дефектов.
В ходе эксперимента отработана методика исследования поверхности
скола монокристалла висмута и висмутсодержащих материалов в режимах
атомно-силовой микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии на
СЗМ NanoEdukator, подобраны оптимальные параметры сканирования. Это
позволило получать 2-х и 3-х мерные АСМ- и СТМ-кадры структуры
поверхности скола монокристалла висмута и скола кристалла сплава висмутсурьма в режиме реального времени, несущие достоверную информацию о
конфигурации исследуемой поверхности.
Визуальный анализ и исследование зависимости нахождения
дислокаций
от геометрии кристалла позволили определить оптимальный
раствор травителя из всех используемых. Им стал первый травитель, в
составе которого азотная кислота, уксусная кислота и вода входят
соотношении 6 : 4 : 2.
в
Выявление особенностей дефектообразования на поверхности
кристаллов висмута и действие на него различных травителей дают
возможность
применение
выяснить
висмута
некоторые
в
физические
качестве
свойства,
функционального
уточнить
материала
в
высокотехнологичном производстве, создавать приборы с определенными
параметрами.
На срезе были обнаружены борозды, ступеньки различных размеров,
дислокации и присутствие выделенного направления шероховатости.
Таким образом использование комплексного подхода к исследованию
монокристаллов
сплавов
висмут-сурьма
(химическое
травление,
металлографическое рассмотрение, использование методов СЗМ анализ
экспериментальных данных) позволит осуществлять контроль степени их
дефектности, выявлять их влияние на физические свойства. Использование
компьютерного анализа изображений значительно расширило возможности
традиционной
микроскопии,
позволяя
получить
более
объективную
информацию.
Получаемые при этом результаты исследований открывают широкие
перспективы
направленному
изменению
свойств
поверхности,
что
чрезвычайно важно для практических применений в самых различных
областях технологий. Прежде всего, такие исследования важны для
микроэлектронной промышленности, химической технологии и т.д.
Список использованной литературы
1.
Ван – Бюрен Х. Г., Дефекты в кристаллах, М.: Мир, 1969. – 96с.
Перевод с английского
2.
Офицеров А. В. Исследование электронных свойств поверхности
висмута методами сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии.
Дис. канд. физ.-мат. наук. М.:ИФП им. П.Л.Капицы РАН .-2004.- 120 с.
3.
М. Беккерт , Х. Клемм, Способы металлографического травления,
М.: Металлургия, 1988. –400с.
4.
Киселев В. Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики
поверхности.
5.
Марков О. И., Хрипунов Ю. В. Диагностика структуры
поверхности, полученной при электроискровой резке монокристаллов
висмута//1-я Всероссийская научная конференция. Методы исследования
состава и структуры функциональных материалов. МИССФМ-2009. Тезисы
докладов. Новосибирск. 2009. 275с.
6.
В. В. Усова, Т. П. Плотникова, С. А. Кушакевич, травление титана
и его сплавов, М.: Металлургия, 1984. –128с.
7.
Е. Ю. Кокориш, Н. Н. Шефталь. Статья «Дислокации в
полупроводниковых кристаллах». Ежемесячный Научный журнал «успехи
физических наук». Ноябрь, 1960. с. 479–494.
8.
Пул Ч. – мл., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2009.
9.
Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии,
– 336с.
Российская академия наук, Институт физики микроструктур. Нижний
Новгород, 2004 г. - 110 c.
10. Хрипунов Ю. В. Методика исследования поверхности скола
монокристаллов
висмута
с
помощью
сканирующей
туннельной
микроскопии» // Вестник науки. Выпуск 8. Орел. ОГУ. 2009. с.110
11. Егоров-Тисменко Ю. К. Кристаллография и кристаллохимия:
учебник. – М.: КДУ, 2005. 592 с.
12. И. В. Савельев. Курс общей физики, книга 3: Астрель, 2001.
13. Попов Г. М., Шафрановский И. И. Кристаллография. – М.: ысшая
школа. 1972.
14. Чернов А. А. и др. Современная кристаллография. Т. 3. – М.:
Наука, 1980.
15.Неволин В.К Основы туннельно-зондовой нантехнологии, Москва,
1996.
16. Чупринов Е. В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М. А. Кристаллография. –
М.: Издательство физико-математической литературы. 2000.
17.
Келли А., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах.
М.: 1974. 504 с.
18. Хрипунов Ю. В. Методика исследования поверхности скола
монокристаллов висмута с помощью атомно-силовой микроскопии// Вестник
науки. Выпуск 9. Орел. ОГУ. 2010. с. 168-172.
19. Пантелеев В. Г., Егорова О. В., Клыкова Е. И. «Компьютерная
микроскопия» - М.: Техносфера, 2005. – 304с.
20. Любалин
М.
Д.
Рост
кристаллов
в
расплаве.
Кристаллографический анализ и эксперимент. – СПб.: Наука, 2008.- 391 с.
21. Сангвал
К.
Травление
кристаллов:
Теория,
эксперимент,
применение: Пер. с Англ. М.: Мир, 1990. 492 с.
22.
Руководство по эксплуатации микроскопа Альтами МЕТ 1М. ООО
«Альтами». 2010. 16 с.
23.
Руководство пользователя Altami Studio 2.0. ООО «Альтами».
2010. 90 с.
24. Розин К. М., Гусев Э. Б.: Практическое руководство по
кристаллографии и кристаллохимии. Методы описания кристаллических
структур. Учеб. пособие для вузов. – М.: Металлургия, 1985. 168 с.
25. Чупрунов Е. В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М. А. Кристаллография:
Учебник для вузов. М.: Издательство Физико-математической литературы.
2000. 496 с.
26. Пунин Ю. О., Штукенберг А. Г. Автодеформационные дефекты
кристаллов. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. Ун-та, 2008. 318 с.
27. Амелинкс С. Методы прямого наблюдения дислокаций. Пер. с
англ. Изд. «Мир» М.: 1968. 440 с.
28.
Корчагин П. С. Статья «Исследование структуры поверхности
монокристаллов висмут-сурьма». Вестник студенческих работ ОГУ. Выпуск
3. Изд-во_ГОУ ВПО «ОГУ». 2011. С 100-102.
29. АношинаО. В., Корчагин П. С., Марков О. И., Сорокин А. В.,
Хрипунов Ю. В. Статья «Особености дефектообразования на поверхности
монокристалла
висмута».
Ежемесячный
Научный
журнал
«Молодой
ученый». №5 (16) Т1. 2010. С. 22-26
30.
Хрипунов Ю. В., Корчагин П. С. Статья «Методика исследования
поверхности кристаллов висмута методами металлографии». Сборник
научных работ физико-матиматического факультетата ОГУ «Вестник науки».
Выпуск 10. Изд-во_ГОУ ВПО «ОГУ» 2011. С. 184-188.
31. Хрипунов Ю. В., Марков О. И. Исследование дислокационных
структур поверхности кристаллов висмута//Труды 53-й научной конференции
МФТИ Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. Ч. 5.
Физика и квантовая электроника. М.:, 2010. С. 195-196.
32. Марков
О.
И.,
Хрипунов
Ю.
В.
Некоторые
аспекты
металлографических исследований монокристаллов висмут-сурьма//Ученые
записки ОГУ. Серия: естественные, технические и медицинские науки. №4
(38). 2010. С 27-32.
33. Корчагин
П.
С.,
Марков
О.
И.,
Хрипунов
Ю.
В.
Автодеформационные дефекты нанокристаллов висмут-сурьма. Ученые
записки ОГУ. Серия: естественные, технические и медицинские науки. №3
(41). 2011. С. 61-66.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа