автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Электрофизические основы контроля изображений наноструктуры поверхности в сканирующем туннельном микроскопе для изучения кластерных материалов

На правах рукописи

Тюриков Александр Валерьевич

УДК 621.385.833

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНТРОЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ НАНОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ В СКАНИРУЮЩЕМ ТУННЕЛЬНОМ МИКРОСКОПЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальности: 05.11.14 - технология приборостроения 05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск-2004

Работа выполнена в Институте Прикладной Механики УрО РАН

Научный руководитель: академик РАН, доктор технических наук, профессор

Липанов Алексей Матвеевич

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Шепковников Евгений Юрьевич

Официальные оппоненты: член-корр. РАН, доктор технических наук, профессор

Кондратьев В. В. (г.Н.Новгород)

Защита диссертации состоится 24 декабря 2004г. в 14 часов

на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 в Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН

кандидат физико-математических наук, доцент Хохряков Н. В. (г.Ижевск)

Ведущая организация: Институт физики прочности

и материаловедения СО РАН (г.Томск)

2004г.

Ученый секретарь диссертационного д.т.н., профессор

В.В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования является сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для изучения кластерных материалов (КМ), включающий зондирующее острие (30) измерительной головки для бесконтактного исследования наноструктуры поверхности образцов и технические средства для выделения, обработки и визуализации измерительной информации.

Предметом исследования являются модели наноструктуры поверхности, методики получения и обработки СТМ-изображений, пакет квантово-химических расчетов GAMESS, программно-аппаратурное обеспечение СТМ.

Актуальность темы связана с необходимостью более точного определения геометрических параметров моноядерных и малых ультрадисперсных частиц (УДЧ) КМ при исследованиях в области сканирующей туннельной микроскопии.

Туннельный ток, измеряемый СТМ, является электрофизическим параметром, имеющим принципиально квантовый смысл. Ток электронов через потенциальный барьер между двумя проводниками, обусловлен их корпускулярно-волновой природой, а также разностью уровней Ферми двух электродов. 30 СТМ (в идеальном случае являющееся атомарно острым) сканирует поверхность и регистрирует изменения высоты микрорельефа образца (топографический режим) или обеспечивает контроль зависимости тока от приложенного напряжения (спектроскопический режим). И в том, и в другом случае результат определяется электронно-квантовым строением как исследуемой поверхности, так и 30 СТМ. При известной электронной структуре 30 нанотопография образца определяется областью локализации электронных состояний поверхности, участвующих в электрофизическом процессе туннелирования. Зависимость туннельного тока от напряжения формируется электронными состояниями, подключающимися к туннелированию при увеличении разности уровней Ферми. Эта информация является исключительно важной при производстве и изучении геометрических, магнитных, каталитических и др. свойств УДЧ КМ; кроме того, она может быть использована для контроля чистоты материалов, применяемых при производстве приборов и их элементной базы.

Таким образом, разработка и исследование электрофизических основ контроля изображений наноструктуры поверхности УДЧ КМ (построенных на основе уже доказавших свою применимость методов численных расчетов электронной структуры) является актуальной задачей. Для ее решения необходимы исследование и анализ наиболее распространенных способов теоретического расчета электронного строения поверхности, создание программных средств, позволяющих применить численные методы для целей увеличения информативности СТМ-эксперимента.

Целью работы является разработка и научное обоснование физико-математических, алгоритмических, программных и методических средств для построения теоретических изображений наноструктуры поверхности образцов, а также программно-аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения КМ, внедрение которых имеет существенное значение для создания новых перспективных кластерных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов расчета электронной структуры

| РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I ШМ НОТИСА

поверхности образцов и туннельного тока;

- разработать модель нанотопографии поверхности СТМ-образцов, создать методику вычисления их туннельных спектров;

- рассчитать СТМ-изображения и туннельные спектры для ряда наиболее используемых УДЧ КМ, определить погрешность расчетов;

- создать методику атомного заострения зондирующих острий для сближения результатов моделирования и экспериментальных данных;

- разработать программно-аппаратурные средства, позволяющие на основе численных расчетов поверхностной электронной структуры и туннельных спектров УДЧ КМ, а также улучшения метрологических характеристик СТМ, обеспечивать более достоверную интерпретацию результатов экспериментальных данных.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические исследования и экспериментальную проверку полученных результатов. Работа выполнялась с применением математического и физического моделирования, в теоретических исследованиях использовались: методы расчета атом-но-электронной структуры поверхности, численные методы, теоретические основы информатики и программирования, методы обработки графической информации. В экспериментальных исследованиях применялись: теория измерений электрических и механических величин, статистические методы обработки результатов исследований, теория точности измерительных систем.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах:

- выполнены обоснование, выбор и анализ расчетной физико-математической модели для электронной структуры поверхности и тока туннельных переходов;

- проведены численные электрофизические исследования туннельных токов системы измерительная игла - подложка;

- получен ряд теоретических СТМ-изображений для контроля экспериментальных изображений наноструктуры поверхности УДЧ, наиболее часто используемых в областях каталитической химии, физикохимии ультрадисперсных систем, материаловедения, а также применяемых при производстве приборов и их элементной базы;

- дан анализ погрешностей численных исследований ультрадисперсных частиц;

- обоснован способ атомарного заострения 30 СТМ с помощью процесса полевого испарения для улучшения экспериментальных СТМ-изображений;

- предложена методика контроля заострения 30 туннельного микроскопа в процессе полевого испарения путем регистрации зависимости эмиссионного тока от радиуса кривизны острия;

- разработаны алгоритмы совмещения теоретических и экспериментальных СТМ-изображений с использованием метода наименьших квадратов;

- создан программно-методический комплекс для построения и визуализации теоретических СТМ-изображений в программном пакете STM-W3.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

Проведенные исследования позволили решить задачу более достоверной интерпретации СТМ-исследований УДЧ КМ.

Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР, проводимых ИПМ УрО РАН:

- «Разработка программно-аппаратных средств и методика изучения КМ на базе СТМ», выполненная в рамках постановления ГКНТ №811 от 28.8.90 (19902000г.);

- «Исследование закономерностей формирования кластеров и мезокомпози-тов» (2000-2005г.).

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании программно-аппаратурных средств для построения, обработки и визуализации теоретических и экспериментальных СТМ-изображений УДЧ КМ, а также в учебном процессе ИжГТУ.

Апробация и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 2001), международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ (Ижевск, 2002), международной конференции «Синер-гетические системы» (Улан-Удэ, 2002), научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2003), двух международных конференциях «Зондовая микроскопия-2003,2004» (Нижний Новгород).

Основной материал диссертации отражен в18 научных трудах, включая два патента на изобретения, а также патент и положительное решение о выдаче патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 172 наименований и приложения. Работа содержит 174 стр. машинописного текста, включая 65 рис., 4 табл. и приложение.

СОДЕРЖЕНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, ее научной новизны и определяет содержание и методы работы.

В первой главе представлен обзор современного состояния вопросов моделирования СТМ-эксперимента, представленный работами Дж. Терсоффа, Д.Р. Хаммана, С. Ногеррой, P.P. Шармой, Н.Д. Лангом, С. Сирачи, И.П. Батры, М.С. Хайкина, B.C. Эдельмана, В.И. Панова, Голубка, В.А.Быкова, В.К.Неволина, С.В.Гапонова, СВ. Савинова, Н.С. Масловой, А.О., И.А. Дорофеева, В.Л.Миронова и др. Дан анализ способов заострения 30 СТМ, рассмотрены вопросы химического и электрохимического травления, полевого испарения и ионной бомбардировки.

Определены методы расчета поверхностных волновых функций и электронно-атомной структуры поверхностей и кластерных материалов (рис.1). Показано, что при наличии эмпирических поправок наиболее перспективными являются полуэмпирические методы расчета, основанные на использовании линейной комбинации атомных ор-биталей, а в случае их отсутствия - неэмпирические (ab initio) методы, позволяющие рассчитать электронную структуру поверхности из первых принципов квантовой механики.

Во второй главе рассматриваются методы расчета туннельного тока, используемого для формирования СТМ-изображений. В приближении низких напряжений и температур (при которых обычно и проводятся эксперименты) для случая, когда игла моделируется локально сферической поверхностью (радиус кривизны которой R, а центр кривизны расположен в га) это выражение (согласно Дж.Терсоффу

Рис. 1. Классификация методов расчета электронной структуры поверхности

и Д.Р.Хаманну) приводится к виду:

где — поверхностная электронная плотность состояний с энергией Ферми

постоянная Планка; масса электрона; работа выхода электрона для поверхности 30 (в (1) единицы измерения энергии - эВ, расстояний -атомные единицы). Таким образом, имея информацию об электронных состояниях поверхности можно вычислить туннельный ток, а следовательно, и сформировать СТМ-изображение.

Из полуэмпирических методов наиболее известен метод сильной связи. Многие исследователи (в частности, У.Харрисон, В.А. Быков и др.) представляют кристалл в виде большого но, конечного кластера, при этом на «кристалл» наложены периодические граничные условия Борна-Кармана по двум, нормальным к поверхности направлениям. Результирующая «кристаллическая» волновая функция может быть представлена в виде линейной комбинации атомных орбиталей, центрированных на различных атомах кластера:

где / - обозначает суммирование по различным атомам, а п - по орбиталям различной симметрии, выбираемым в виде функций Слэтера-Костера. Коэффициенты разложения !//„ могут быть найдены решением системы линейных уравнений:

2>|Я|/?)в.-™,=0, (3)

где под аи/!- понимается совокупность и н д е к с^}г ¿м-и льтониан. Условием разрешимости этой однородной системы является обращение в нуль ее детерминанта, что позволяет определить энергетический спектр

Матричные элементы в (3) описывают взаимодействие различных электронных состояний и являются эмпирическими параметрами данного метода.

При вычислениях более удобно применять угловые зависимости вида х/г, у/г И г/г (используемые в волновых функциях Слетера-Костера), чем вида Тогда для

расчета матричных элементов (включающих в себя эти функции) необходимо разложить рассматриваемое состояние по сферическим функциям Расчеты соответствующих преобразований для всех типов орбиталей были получены Слетером и Косте-

ром. В случае наличия только р-ербиталей они записываются в следующем виде:

Е = V •

-К,,;

ЕХ!=п1Уп„-п1У№г,

где величина вида матричный элемент между двумя электронными состояниями; {¡,т,п} — совокупность направляющих коси нУу^орИ^о, с^-о в н ы е эмпирические параметры, называющиеся радиальными межцентровыми интегралами.

Рассчитав таким образом все матричные элементы, можно вычислить энергетический спектр кристалла, коэффициенты в уравнении (2), электронные волновые функции, а, следовательно, и искомые плотности состояний. На рис.2,3 показаны результаты расчета СТМ-нзображения поверхности графита в режиме постоянной высоты (г = 2.1 ), а также его сравнение с результатами полученными И.О.Шнейром и др.

Рис. 2. СТМ-изображения графита: а - теоретически рассчитанное / (.V. J') В точке ; = 2А ; б - экспериментальное СТМ-изображение полученное Шнейром и др.

Наиболее часто используемым из неэмпирических методов является самосогласованный метод Хартри-Фока, основанный на решении уравнений Рутаана.

Задача расчета электронной структуры поверхности может быть решена с использованием пакета для квантово-химических вычислений General Atomic and Molecular Electronic Structure System (GAMESS), дающего возможность первоприн-ципного (ab initio) самосогласованного расчета электронной структуры в рамках теории Хартри-Фока. Рис.4 демонстрирует теоретические СТМ-изображения адатомов меди (рис. 4а) и кобальта (рис. 46) на поверхности высокоориентированного пироли-тического графита (HOPG).

Приведены результаты расчетов теоретических СТМ-топографий для ряда атомов металлов, представляющих интерес в области каталитической химии, физикохи-мии ультрадисперсных систем, физики поверхности и материаловедения.

Третья глава посвящена разработке вопросов повышения достоверности СТМ-изображений путем улучшения остроты зондирующей иглы. Известно, что пространственное разрешение СТМ по нормали к поверхности образца для атомарно-чистых поверхностей достигает в благоприятных случаях сотых долей ангстрема.

Благодаря крутой зависимости J(Z) электронные шумы аппаратуры, дробовой шум туннельного тока и т.п. слабо влияют на результаты. Однако для «грязных» поверхностей шум по координате Z резко возрастает, доходя до долей микрометра.

Рис 3 Теоретическое «токовое» СТМ-изображение графита (100) 1(х,у) при г=2А

Рис 4 Теоретические СТМ-изображения адсорбции на HOPG атома а - меди, б

- кобальта

Максимальное разрешение в плоскости XY определяется, прежде всего, точностью позиционирования зонда. Важное значение для пространственного разрешения СТМ имеет геометрия острия зонда. При сканировании предельно плоских (атомно-плоских) поверхностей разрешение лимитируется диаметром атома на самом конце иглы (так называемый эффект последнего атома). Таким образом, для оценки предельного разрешения можно принять, что туннелирование происходит с единственного атома. Макроскопическая геометрия зонда не является определяющей для атомного разрешения.

Туннельные иглы, обладающие радиусом кривизны обычно получа-

ют путем электрохимического травления тонкой проволоки (диаметром ~ 0,2 мм). На рис. 5 приведено изображение кончика такой иглы, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии Е. Граугнардом и Т. Ли в лаборатории фирмы IBM. Видно, что «кончик» не является гладким, а образован микровыступами, оди-низ которых (наиболее близкий к образцу) и формирует туннельный ток. Его радиус кривизны значительно меньше, чем общий радиус кривизны иглы, однако (как показывают изображения, получаемые посредством полевого ионного микроскопа) микровыступы не являются атомарно острыми. Согласно рис.5, «кончик» 30 представляет собой совокупность микровыступов, из которых наиболее близкий к исследуемой поверхности «отвечает» за формирование туннельного тока. Таким образом, перед исследователем возникает необходимость формирования максимально острого микровыступа на «кончике» 30. Существует несколько методик формирования атомарно-острых микровыступов: с применением метода осаждения вещества из газовой фазы в электронном луче; с использованием метода ионной бомбардировки; с применением методов полевого заострения. Из них наиболее перспективными является последняя методика, которая позволяет формировать атомарно-острые микровыступы прямо в условиях СТМ (in situ). Остальные методики требуют специальных и достаточно сложно достигаемых условий (например, высокий вакуум, сверхнизкие температуры и т.д.).

Микровыступ, формирующий туннельный ток

Рис. 5. Изображение «кончика» зондирующего острия СТМ (Г!), полученного электрохимическим травлением

В методиках полевого заострения используют, в частности, метод полевой диффузии и метод полевого испарения. Их общность заключается в том, что атомарно-острый микровыступ формируется под влиянием высокого электрического поля. Однако, полярность поля в обоих случаях различна. В процессе полевой диффузии на острие формируется потенциал, положительный относительно второго электрода, а в процессе полевого испарения - отрицательный. В ходе полевой диффузии происходит эмиссия электронов с кончика 30, и при достижении поля величин ~1Л/А на конце 30 формируется атомарно-острый микровыступ. Поскольку поверхность иглы воздушного СТМ не является очищенной от примесей, то микровыступ, сформированный полевой диффузией, оказывается состоящим из адсорбированных атомов примесей, что является нежелательным для СТМ-эксперимента.

В методе полевого испарения происходит поляризация атомов в местах высокого электрического поля и их последующий отрыв. То есть процесс заострения полевым испарением связан не со «сборкой» атомов с поверхности иглы, а с их удалением. Понятно, что при наличии примесных атомов на острие (а в воздушном СТМ это является обязательным условием) первыми будут удалены именно эти атомы (в силу того, что химические связи типа «адсорбат-адсорбент» являются значительно мене прочными чем связи, удерживающие атомы вольфрама в кристаллической решетке). Кроме того, удаление примесей происходит при значениях поля, меньших, чем значения, необходимые для удаления атомов вольфрама (~6В/А). Поэтому заострение 30 полевым испарением необходимо сочетать с первичной очисткой кончика острия. Это может быть реализовано с помощью следующего алгоритма:

1. «Сборка» атомов примеси на кончике острия при помощи полевой диффузии.

2. Удаление «собранного» выступа полевым испарением при создании поля

3. Повторение шагов 1 и 2 несколько раз для полного удаления примесей.

4. Заострение микровыступа с помощью удаления атомов полевым испарением при создании поля

Для реализации последнего шага необходима модель, позволяющая оценить величину поля в окрестности микровыступа применительно к условиям СТМ (в частности, в условиях небольшого промежуточного зазора между электродами и сравнительно невысокого напряжения, формирующего необходимое электрическое поле). При этих условиях величина поля, достаточная для инициирования процесса полевого испарения, достигается при остроте иглы, близкой к атомарной и обеспечивает ее дальнейшее заострение.

Для понимания механизма влияния геометрии микровыступа 30 на интенсивность и протекание процесса полевого испарения была выбрана система, состоящая из двух электродов, разделенных вакуумом (рис.6). Один из них представляет собой плоскость с потенциалом (на которой находится микровыступ 30 определенной

формы), а второй - заземленную плоскую поверхность, удаленную от первого электрода на расстояние

Рис. б.Система из двух электродов для расчета электростатического поля

Уравнением, определяющим поле потенциала в межэлектродном пространстве для вышеописанной системы, является уравнение Лапласа:

d'U

d2U .

(5)

где U- потенциал. Величина электростатического поля в каждой точке определяется градиентом потенциала:

В качестве параметров системы были выбраны: межэлектродное расстояние fif=30A; форма микровыступа - симметричная трапеция с нижним основанием 20А, верхним - 15А и высотой 5А. Потенциал верхнего плоского электрода принимался равным 20 В. Результаты расчетов электростатического поля в окрестности поверхности микровыступа 30 представлены на рис. 7а,б. Начальное состояние системы показано на рис. 7а. Видно, что области микровыступа с положительной кривизной соответствует высокий пик электростатического поля. «Провал» поля соответствует области с отрицательной кривизной 30. При этом величина поля является достаточной для начала процесса полевого испарения. Рис. 76 иллюстрирует развитие процесса полевого испарения после удаления углового атома. Наблюдаются пики, соответствующие профилю микровыступа с положительной кривизной, и провалы, соответствующие профилю с отрицательной кривизной.

а) б)

Рис. 7. Величина электростатического поля в окрестности поверхности микровыступа 30: а- на начальном этапе, б - после испарения углового

атома.

Очевидно, что подобный сценарий отрыва угловых атомов (находящихся в местах наибольшей положительной кривизны) может быть распространен на дальнейший процесс полевого заострения 30.

Предложена методика контроля остроты микровыступа 30 путем измерения тока полевой электронной эмиссии. Согласно работе КЛ.Дженсена и проведенных исследований зависимость эмиссионного тока от локального радиуса кривизны острия имеет экспоненциальный характер и показана на рис. 8. Структурная схема СТМ, реализующего предложенную методику, представлена на рис.11.

В четвертой главе дан сравнительный анализ методов расчета туннельного тока между зондирующей иглой СТМ и подложкой. Рассмотрены квазиклассический подход к расчету туннельного тока (модель Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна) и квантовый метод Бардина-Терсоффа-Хаманна.

Показано, что модель Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна (в отличие от метода Бар-дина-Терсоффа-Хаманна) неспособна выявить локальные максимумы туннельного спектра, описывающие переходы электронов с различными энергетическими состояниями.

В квантовом методе Бардина-Терсоффа-Хаманна используется приближение слабой связи, когда взаимодействие между 30 СТМ и поверхностью образца признается слабым по сравнению с ситуацией отсутствия этого взаимодействия. В таком приближении выражение для туннельного тока имеет вид:

Рис. 8. Зависимость эмиссионного тока от радиуса кривизны острия

где индекс V нумерует молекулярные орбитали (состояния) поверхности, а ц— поверхностные состояния иглы; Ег,Е/1— соответственно, энергии состояний поверхности и иглы; ^—туннельное напряжение между иглой и поверхностью; /(£)-распределение Ферми. Туннельный матричный элемент Бардина М^. определяется как:

А'

2т ^

Показано, что если разложение ¡.I-ГО электронного состояния иглы и У-ГО состояния поверхности по гауссовым примитивам записывается в виде:

(8)

Проведено численное моделирование туннельной проводимости ряда адсорбированных на HOPG атомов металлов. На рис.9 представлены для примера теоретически рассчитанные спектры адатомов цинка и свинца

Рис. 9.Теоретически рассчитанные туннельные спектры адатомов на HOPG: а - цинка; б - свинца

В пятой главе получены оценки расчета теоретических СТМ-изображений, дано описание разработанного программно-аппаратурного обеспечения СТМ.

Для сравнения результатов эксперимента с теоретически полученными СТМ-изображениями были разработаны алгоритмы поворота, масштабирования и сдвига теоретического изображения относительно экспериментального для обеспечения их максимального «совпадения» (рис. 10). Сравнение теоретических и экспериментальных изображений HOPG показало, что ошибка теоретического расчета относительно экспериментальных данных составляет -20%. Ошибка расчета может быть объяснена погрешностью вычислений методом Хартри-Фока, несовершенством теории Барди-на-Терсоффа-Хаманна (не учитывающей взаимодействие 30 и исследуемой поверхности), неоптимальным «совпадением» анализируемых СТМ-изображений.

Разработаны аппаратурные средства для повышения достоверности измерительной информации при изучении УДЧ КМ (в частности, СТМ для изучения УДЧ КМ (рис. 11), устройство для изготовления измерительных игл СТМ (рис.12) и устройства для микроперемещений объекта, конструкции которых защищены 3 патентами РФ). Создан программный пакет STM-W3 (включающий подсистему построения и обработки теоретических СТМ-изображений, модуль совмещения теоретических и экспериментальных СТМ-изображений).

Рис. 10. Алгоритмы: а — поворота и масштабирования теоретического СТМ-изображения; б — сдвига теоретического

изображения относительно экспериментального

Рис.11. Структурная схема СТМ для изучения УДЧ КМ (ВВУ - высоковольтный усилитель; БАУ - блок адаптивного управления; ДУ -дифференциальный усилитель; СП - сигнальный процессор; К

- коммутатор; БИТТ - блок измерения туннельного тока; БУТП - блок управления туннельным промежутком; БК

- блок компенсации; БР - блок регистрации; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь); 30 -зондирующее острие; МИП -массово-инерционный привод сближения)

и

Рис. 12. Изготовление многоступенчатых острых измерительных игл для последующего заострения 30 методом полевого испарения: а - схема установки (1 - заготовка; 2 - электролит; 3 - пластина; 4 - блок микрометрической подачи; 5 - оптический микроскоп; 6 - жидкий контакт; 7 -ванна; 8 - источник света; 9 - фотоприемник); б - конечная стадия получения 30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе комплексных исследований разработаны и научно обоснованы физико-математические, алгоритмические, программные и методические средства для построения теоретических и контроля экспериментальных изображений наноструктуры поверхности образцов, а также программно-аппаратурное обеспечение сканирующего туннельного микроскопа для изучения кластерных материалов, внедрение которых имеет существенное значение для создания новых перспективных кластерных материалов.

Основные результаты и выводы работы:

1. Проведены электрофизические численные расчеты теоретических СТМ-изображений, основанные на полуэмпирическом методе сильной связи. Показана возможность его применения в методике СТМ-исследований при достаточно простой адаптации для исследования различных металлов. Получены теоретические «токовые» СТМ-изображения пиролитического графита.

2. С помощью пакета квантово-химических расчетов ОЛМЕ88 выполнены пер-вопринципные самосогласованные численные расчеты поверхностной электронной структуры ультрадисперсных частиц кластерных материалов. Получены теоретические «токовые» и топографические СТМ-изображения, которые могут быть использованы для контроля экспериментальных изображений наноструктуры поверхности частиц в СТМ-исследованиях.

3. Проведены модельные эксперименты по изучению адсорбированных состояний ряда ультрадисперсных частиц кластерных материалов на химически инертной поверхности пиролитического графита.

4. Выполнены моделирование и расчет электростатического поля в окрестности микровыступов зондирующего острия сложной формы в целях обоснования атомарного заострения кончика иглы с помощью процесса полевого испарения в условиях СТМ. Показано, что величины поля в местах максимальной положительной кривизны достаточно для инициирования полевого испарения.

5. Предложена методика контроля атомной остроты зондирующих острий в процессе их заточки полевым испарением путем измерения эмиссионного тока.

6. На основе анализа основных методов расчета вольтамперных характеристик туннельного перехода показано, что приближение Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна не позволяет предсказать появление локальных максимумов вольтамперных характеристик (обусловленных различной интенсивностью переходов между различными квантовыми состояниями). При этом туннельный матричный элемент, входящий в выражение для туннельного тока в модели Бардина-Терсоффа-Хаманна, позволяет учитывать такие переходы.

7. Выполнены численные расчеты туннельного тока в рамках модели Бардина-Терсоффа-Хаманна. Рассчитаны туннельные спектры ряда ультрадисперсных частиц на слабореактивной подложке пиролитического графита.

8. С учетом проведенных численных исследований и рекомендуемых технических решений создан программный пакет 8ТМ^3, обеспечивающий формирование, обработку и визуализацию экспериментальных и теоретических СТМ-изображений.

9. Разработан сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий получать более достоверные изображения ультрадисперсных частиц кластерных материалов.

Создано устройство для изготовления зондирующих игл СТМ с целью их последующего заострения методом полевого испарения.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тюриков А.В., Коротаев М.Н., Шелковников Е.Ю. Модель сильной связи для а-железа // Тезисы докладов 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции- 4.9: Ижевск, 2001.- С. 140-141.

2. Тюриков А.В., Коротаев М.Н., Шелковников Е.Ю. Модельный расчет электронной плотности графитовой подложки // Тезисы докладов 5-й Российской уни-верситетско-академической научно практической конференции-4.9: Ижевск, 2001 -С. 142-143.

3. Коротаев М.Н., Тюриков А.В., Кузнецов А.П. Особенности визуализации на-норазмерных объектов кластерных материалов в программном пакете «STM-W» // Тезисы докладов 5-й Российской университетско-академической научно практической конференции, 4.9: Ижевск, 2001-С. 145-146.

4. Шелковников Е.Ю., Тюриков А.В., Коротаев М.Н. Вычисление электронной структуры поверхности а-железа // Моделирование технических систем. Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении. Материалы международной научно-технической конференции посвященной 50-летию ИжГТУ: Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2002.-С. 181-188.

5. Шелковников Е.Ю., Коротаев М.Н., Тюриков А.В., Плетнев МА Структура и возможности программного пакета «STM-W» сканирующего туннельного микроскопа // Моделирование технических систем. Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении. Материалы международной научно-технической конференции посвященной 50-летию ИжГТУ: Ижевск: изд-во ИжГТУ.- 2002.- С. 153161

6. Липанов A.M., Тюриков А.В., Шелковников Е.Ю., Коротаев М.Н. Построение СТМ-изображения поверхности графита с использованием метода линейных комбинаций атомных орбиталей // Химическая физика и мезоскопия.- 2002.- т.4.-№1.- С. 5-13.

7. Липанов A.M., Коротаев М.Н., Шелковников Е.Ю., Тюриков А.В. Программный пакет STM-W туннельного микроскопа для применения в исследованиях кластерных материалов // Химическая физика и мезоскопия.- 2002.- Т.4.- №1.- С. 13-28.

8. Липанов A.M., ТюриковА.В., Шелковников Е.Ю. Модельный расчёт электронной плотности графитовой подложки с кластером железа // Моделирование процессов в синергетических системах: Сб. статей. - Улан-Удэ - Томск: изд-во ТГУ, 2002.-С. 225-228.

9. Lipanov A.M., Tyurikov A.V., Shelkovnikov E.Yu., Gulyaev P.V.. Application of ab initio calculations for modeling STM images // Scanning Probe Microscopy - 2003, International Workshop, Nizhny Novgorod, IPM RAS, p.243-245.

10. Lipanov A.M., Gulyaev P.V., Shelkovnikov E.Yu., Tyurikov A.V. The specialized piezoelectric micromanipulators in STM for studying nanosize objects in cluster materials // Scanning Probe Microscopy - 2003.- International Workshop: Nizhny Novgorod, IPM RAS.- p.246-248.

20

025838

11. Тюриков А.В., Шелковников Е.Ю., Гуляев П.В. Построение СТМ изображений атомов переходных металлов // Материалы докладов научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства»: Ижевск, 2004.-С.151-156.

12. Тюриков А.В., Шелковников Е.Ю., Кизнерцев СР. Расчет СТМ-спектров переходных металлов // Материалы докладов научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства»: Ижевск, 2004.-С. 157-160.

13. Кизнерцев СР., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю., Тюриков А.В. Технология изготовления адаптивного пьезосканера сканирующего туннельного микроскопа // Материалы докладов научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства»: Ижевск, 2004- 165-171.

14. Lipanov A.M., Tyurikov A.V., Shelkovnikov E.Yu., Gulyaev P.V., Kiznertsev S.R. Method of obtaining the theoretical STM-spectra of ultradispersed particles // Scanning Probe Microscopy - 2004,- International Workshop: Nizhny Novgorod, IPM RAS.-p.168-170.

15. Lipanov A.M., Kiznertsev S.R., Gulyaev P.V., Shelkovnikov E.Yu., Tyurikov A.V. The software, hardware and technology peculiarities of STM for the nanosize particles dispersity control // Scanning Probe Microscopy - 2004.- International Workshop: Nizhny Novgorod, IPM RAS.- p.165-167.

16. Патент РФ №2205474 МКИ H01L41/09, H02 N 2/00. Устройство для микроперемещений / Липанов A.M., Кизнерцев СР., Тюриков А.В. и др.

17. Патент РФ №2218629 МКИ H01J37/285 Сканирующий туннельный микроскоп / Липанов A.M., Кизнерцев СР., Тюриков А. В. и др.

18. Положительное решение от 02.08.2004 о выдаче патента на полезную модель №20041223439/22(025596) H01J35/06 Устройство для изготовления зондирующих эмиттеров сканирующего туннельного микроскопа / Липанов A.M., Кизнерцев СР., Тюриков А.В. и др.

Бумага офсетная Формат 60x84/16 Объем 1п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ИПМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 ИД №04847 от 24.05.2001

ю р и к о в

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Краткий обзор истории, основных принципов и методик сканирующей зондовой микроскопии.

1.2. Анализ строения и состава кластерных материалов.

1.3. Обзор методов моделирования поверхностных явлений.

1.4. Анализ существующих методик подготовки и моделирования СТМ-исследований.

1.5. Обзор методов создания зондирующих острей CTM.

1.6. Выводы и постановка задачи.

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СТМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Электрофизическая интерпретация параметров наноструктуры поверхности в сканирующем туннельном микроскопе.;.

2.2. Основы методов расчета электронной структуры.

2.3. Полуэмпирические методы вычислений плотности состояний и энергетических спектров.

2.4. Использование первопринщпшых методов расчета электронной структуры.

2.5. Первопринципные расчеты теоретических СТМ-изображений кластеров металлов, адсорбированных на поверхности пиролитического графита.

2.6. Анализ ошибок вычислений электронной структуры и теоретических СТМ-изображений.

2.6.1. Точность метода Хартри-Фока.

2.6.2. Ошибка, определяемая использованием неполных базисных наборов.

2.6.3. Погрешность, обусловленная видом начального предположения в методе Хартри-Фока.

2.6.4. Суммарная оценка ошибок расчета электронной структуры методом Хартри-Фока.

2.7. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСТРИЯ И СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ АТОМАРНОГО ЗАОСТРЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА СТМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.1. Факторы, влияющие на качество СТМ-изображений.

3.2. Сравнительный анализ моделей игл для теоретических СТМ-исследований.

3.3. Формирование моноатомного острия измерительной иглы

3.3.1. Модель системы для расчета электрического поля в процессе полевого испарения.

3.3.2. Адаптация конечно-разностной сетки к условиям задачи.

3.3.3. Дискретный аналог уравнений в частных производных для двухмерной задачи.

3.3.4. Моделирование и расчет электростатического поля в межэлектродном пространстве.

3.4. Обзор вопросов применения эмиссионного тока для оценки качества атомарной заточки зондирующего острия.

3.5. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТУННЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Анализ приближений для расчета туннельного тока.

4.1.1. Приближение Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна.

4.1.2. Методика расчета туннельных спектров в приближении Бардина-Терсоффа-Хаманна.

4.2. Численные исследования туннельных спектров ультрадисп ерсных частиц кластерных материалов.

4.3. Анализ ошибок расчета туннельных спектров, обусловленных использованием теории БТХ.

4.3.1. Оценка адекватности модели БТХ.

4.3.2. Оценка погрешности использования численных методов интегрирования.

4.4. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПРОГРАММНО-АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СТМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ.

5.1. Особенности аппаратурных средств СТМ для повышения достоверности измерительной информации при изучении ультрадисперсных частиц кластерных материалов.

5.2. программное обеспечение СТМ для изучения УДЧ КМ.

5.3. Программные средства для работы с теоретическими СТМ-изображениями.

5.3.1. Подсистема построения и обработки теоретических СТМизображений.

5.3.2. Модуль совмещения теоретических СТМ-изображений.

5.4 Сравнение теоретических изображений с экспериментальными данными.

5.5. Выводы по главе 5.

Актуальность темы связана с необходимостью разработки электрофизических основ контроля изображений наноструктуры ультрадисперсных частиц (УДЧ) кластерных материалов (КМ) с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).

Туннельный ток, измеряемый СТМ, является электрофизическим параметром, имеющим принципиально квантовый смысл. Ток электронов через потенциальный барьер между двумя проводниками обусловлен их волновой природой, а также разностью уровней Ферми двух электродов. Зондирующее острие (30) СТМ (в идеальном случае являющееся атомарно острым) сканирует поверхность с зазором -5-10 А, определяемым заданной величиной туннельного тока (топографический режим), или обеспечивает контроль зависимости тока от приложенного напряжения (спектроскопический режим). И в том, и в другом случае результат определяется электронно-атомным строением как исследуемой поверхности, так и 3О СТМ. При известной электронной структуре ЗО нанотопография образца определяется областью локализации электронных состояний поверхности, участвующих в электрофизическом процессе туннелирования. Зависимость туннельного тока от напряжения формируется электронными состояниями, подключающимися к туннелиро-ванию при изменении разности уровней Ферми. Эта информация является исключительно важной при производстве УДЧ КМ и изучении их геометрических, магнитных, каталитических и др. свойств. Кроме того, она может быть использована для контроля чистоты материалов, применяемых при производстве приборов и их элементной базы. Именно поэтому исследование электрофизических основ контроля изображений наноструктуры УДЧ КМ с использованием СТМ является актуальной задачей.

Объектом исследования является СТМ для исследования КМ, включающий ЗО измерительной головки для бесконтактного исследования наноструктуры .поверхности образцов и технические средства для выделения, обработки и визуализации измерительной информации.

Предметом исследования являются модели наноструктуры поверхности, методики получения и обработки СТМ-изображений, пакет квантово-химических расчетов GAMESS, программно-аппаратурное обеспечение СТМ. и

Целью работы является разработка и обоснование физико

•А математических, алгоритмических, программных и методических средств для построения теоретических и контроля экспериментальных изображений наноструктуры поверхности образцов, а также программно-аппаратурного обеспечения СТМ для изучения КМ, внедрение которых имеет существенное значение для создания новых перспективных кластерных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих методов расчета электронной структуры поверхности образцов и туннельного тока;

- разработать модель нанотопографии поверхности СТМ-образцов, создать методику вычисления их туннельных спектров;

- рассчитать СТМ-изображения и туннельные спектры для ряда наиболее используемых УДЧ КМ, определить погрешность расчетов;

- предложить методику атомарного заострения ЗО для сближения результатов моделирования и экспериментальных данных;

- разработать программно-аппаратурные средства, позволяющие на основе численных расчетов поверхностной электронной структуры и туннельных спектров УДЧ КМ, а также улучшения метрологических характеристик СТМ, обеспечивать более достоверную интерпретацию результатов экспериментальных данных.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий теоретические исследования и экспериментальную проверку полученных результатов. Работа выполнялась с применением математического и физического моделирования, в теоретических исследованиях использовались: методы расчета атомно-электронной структуры поверхности, численные методы, теоретические основы информатики и программирования, методы обработки графической информации. В экспериментальных исследованиях применялись: теория измерения электрических и механических величин, статистические методы обработки результатов исследований, теория точности измерительных систем.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах:

- выполнены обоснование, анализ и выбор расчетной физико-математической модели для электронной структуры поверхности и тока туннельных переходов;

- проведены численные электрофизические исследования туннельных токов системы измерительная игла - подложка;

- впервые получен ряд теоретических СТМ-изображений для контроля экспериментальных изображений наноструктуры поверхности УДЧ, наиболее часто используемых в областях каталитической химии, физикохимии ультрадисперсных систем, материаловедения, а также применяемых при производстве приборов и их элементной базы;

- дан анализ погрешностей численных исследований ультрадисперсных частиц;

- впервые обоснован способ атомного заострения 30 СТМ (in situ) с помощью процесса полевого испарения для улучшения экспериментальных СТМ-изображений;

- предложена методика контроля заострения 30 туннельного микроскопа в процессе полевого испарения путем контроля зависимости эмиссионного тока от радиуса кривизны острия;

- разработаны алгоритмы совмещения теоретических и экспериментальных СТМ-изображений с использованием метода наименьших квадратов;

- создан программно-методический комплекс для построения и визуализации теоретических СТМ-изображений в программном пакете STM-W3.

Апробация и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 2001), международной научно-технической конференции, посвященной 50-лётию ИжГТУ (Ижевск, 2002), научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2003), международной конференции «Синергетические системы» (Улан-Удэ, 2002), двух международных конференциях «Зондовая микроскопия-2003,2004» (Нижний Новгород).

Основной материал диссертации отражен в18 научных трудах, включая два патента на изобретения, а также патент и положительное решение о выдаче патента на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 173 .'наименований и приложения. Работа содержит 173 стр. машинописного текста, включая 65 рис., 4 табл. и приложение.

Основные результаты и выводы работы:

1. В результате численных расчетов теоретических СТМ-изображений, основанных на пояуэмпирическом методе сильной связи, показана возможность его применения в методике СТМ-исследований при достаточно простой адаптации, для изучения различных металлов. Получены теоретические токовые» СТМ-изображения пиролитическогб графита.

2. С помощью пакета квантово-химических расчетов GAMESS выполнены первопринципные самосогласованные численные расчеты поверхностной электронной структуры ультрадисперсных частиц кластерных материалов. Получены теоретические «токовые» и топографические СТМ-изображения, которые могут быть использованы для контроля экспериментальных изображений . наноструктуры поверхности частиц в СТМ-исследованиях. 3. Приведены модельные эксперименты по изучению адсорбированных > состояний ряда ультрадисперсных частиц кластерных материалов на химически инертной поверхности пиролитического графита;

4. Выполнены моделирование и расчет электростатического поля для зондирующего острия в окрестности микровыступов сложной формы в целях обоснования атомарного заострения кончика острия с применением процесса полевого испарения в условиях СТМ.

5. Предложена методика контроля остроты зондирующих острий в процессе их заточки полевым испарением путем измерения эмиссионного тока.

6. На основе анализа основных методов расчета вольтамперных характеристик туннельного перехода показано, что приближение Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна не может предсказать появление локальных максимумов вольтамперных характеристик (обусловленных различной интенсивностью переходов между различными квантовыми состояниями). При этом туннельный'матричный элемент • (входящий в выражение для туннельного тока в модели Бардина-Терсоффа-Хаманна) позволяет учитывать такие переходы.

7. Выполнены численные расчеты туннельного тока в рамках модели Бардина-Терсоффа-Хаманна. Рассчитаны туннельные спектры ряда ультрадисперсных частиц на слабореактивной подложке пиролитического графита.

8. На основе анализа погрешности численных расчетов СТМ-изображений показано, что погрешность расчетов топографических изображений составляет -20%, а спектров туннельной проводимости -16%; такая j ошибка- обусловлена, в . основном, использованием теории Бардина

-к- -П-" ~ '

Терсоффа-Хаманна, не учитывающей взаимодействие поверхностных электронных состояний и электронных состояний зондирующего острия.

9. С учетом проведенных численных исследований и рекомендуемых технических решений создан программный пакет STM-W3, обеспечивающий формирование, обработку и визуализацию экспериментальных и теоретических СТМ-изображений.

10. Разработан-сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий получать более достоверные изображения ультрадисперсных частиц кластерных материалов. Создано устройство для изготовления зондирующих острий

- -к ->•

СТМ с целью их последующего заострения методом полевого испарения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе комплексных исследований разработаны и научно-обоснованы физико-математические, алгоритмические, программные и методические средства для построения теоретических и контроля экспериментальных изображений наноструктуры поверхности образцов, а также программно-аппаратурное обеспечение сканирующего туннельного микроскопа для изучения металлических ультрадисперсных частиц, внедрение которых имеет существенное значение для создания новых перспективных кластерных материалов.

1. Binnig G., Rohrer Н. Scanning tunneling microscopy 11 Helvetica Physica Acta.- 1982.-V. 55.-P .726.

2. Куейт Ф. Вакуумное туннелирование: новая методика в микроскопии //Физика за рубежом. Сер. А. Москва.-Мир.- 1988,-С. 93111.

3. Grafstrom S., Kowalski J., Neumann R. Design and detailed analysis of a scanning tunneling microscope//Meas. Sci. Technol.- 1990,-V. l.-P. 139146.

4. Альтфедер И.Б., Володин А.П., Хайкин M.C. Малогабаритный низкотемпературный сканирующий туннльный микроскоп П ПТЭ.- 1989.- №5,-С. 188-190.

5. Хайкин М.С. Сканипующий туннельный микроскоп с большим полем зрения// ПТЭ.-1989.- №1.- С. 161-165.—

6. Эдельман B.C. Высоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп//ПТЭ,- 1989,-№4,- С. 149-153.

7. Трояновский A.M., Эдельман B.C. Неоднородные электронные состояния у поверхности скола висмута /1 Зондовая микроскопия-99. Материалы Всероссийского совещания,- Нижний Новгород, 1999.- С. 74-84.

8. ЖТФ,- 1987,- 13(15).- С. 937-941.

9. Маслова Н.С., Панов В.И., Савинов С.В., Туннельная спектроскопия локализованных состояний единичных примесных атомов на поверхности полупроводников //УФН.- 20Q0.- Т.170.- №5.- С. 575-578.

10. Неволин В.К. Туннелирование пространственно локализованных частиц // Материалы конференции «Зондовая микроскопия-2000».- Нижний Новгород, 2000.- С. 127

11. Неволин В.К. Физические основы туннельно-зондовой нанотехно-логии // Электронная промышленность.- 1993.- №10.- С. 8-11.

12. А.С. 1604136 Н02 N 2/00 Н01 L 41/09 Голубок А.О., Давыдов Д.Н., Тимофеев В.А. и др. Пьезоманипулятор

13. Голубок А.О. и др. Исследование методических и инструментальных принципов построения вакуумного туннельного электронного микроскопа.- 1988.- 150-НИР-И.- №гос. регистрации 01860134855,- №инвентарный 02880076244.- 175*с.

14. Голубок А.О и др. Сканирующий туннельный микроскоп при атмосферном давлении,,// Сборник Научное приборостроение. Выпуск Электронно-ионная оптика.- Ленинград: Наука, 1989.- С. 72-76.

15. Быков В.А. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхности: Дис. докт. техн. наук. М., 2000,- 393 с.

16. Быков А.В. Новые приборы й разработки в сканирующей зондовой микроскопии // Материалы всероссийского совещания "Зондовая микроско-пия-98".- Нижний Новгород, 1998.- С. 110-111.

17. Bykov V., Golovanov A., Shevyakov V. Test structure for SPM tip shape deconvolution // Appl. Phys. A.- 1998.- V. 66.- P. 499-502.

18. Быков В.А. и др. Электроника и программное обеспечение универсальных сканирующих зондовых микроскопов НТ-МДТ // Зондовая микро-скопия-99. Материалы Всероссийского совещания. Нижний Новгород, 19991. C. 327-333, . . ".• ^ ^ -1"

19. Dorofeyev I., Fuchs Н., Jersch J. Fluctuating electromagnetic fields over a corrugated surface // Scanning Probe Microscopy-2003, International Workshop.- Nizhny Novgorod: IPM RAS, 2003,- P. 186-187.

20. Jersch J. , Dorofeyev I., H.Fuch's H., Maletzky T. Fluctuating Near Field Microscopy // Scanning Probe Microscopy-2003, International Workshop.- Nizhny Novgorod: IPM RAS, 2003.- P. 188-190.'

21. Gaponov\S.V., Gribkov B.A., Mironov V.L., Treskov S.A., Volgunov

22. D.G. AFM investigations of nanometer-scale metal clusters formation on silicon surface // 'Scanning Probe Microscopy-2003, International Workshop.- Nizhny Novgorod: IPM RAS", 2003,- P. 166-167.

23. Mironov V.L., Gaponov S.V. et al. SPM investigations of phase distribution in lead phthalocyanine-perylene derivative composite films // Scanning Probe Microscopy-2003, International Workshop.- Nizhny Novgorod: IPM RAS, 2003.-P. 279-281.

24. Jansen r", Kempen H, Wolf R.M. // J. Vac. Sci. Technol. В.- 1996.-V.14.-P. 1173-1178.

25. Pecina O., Schmickler W., Chan K.Y., Henderson D.J. // J. Electroanal. Chem.- 1995,- V. 396.- P. 303-307.

26. Pan J., Jing T.W., Lindsay S.M. // J. Phys. Chem.- 1994,- V. 98.- P. 4205-4208.

27. Halbritter J. et al. // Electrochim. Acta.- 1995.- V. 40.-№10.- P. 13851398.

28. Bard A.J. et al. // Ann. Chim.- 1997.- V. 87.-P. 1531.

29. Tersoff Land Hamann D.R. // Phys. Ref. Lett.- 1985,- V. 31,- №2.- P. 805-813.35>. Tersoff J-Hamarin D.R. // Phys. Ref. В.- 1985.- V. 38,- №12,- P. 805813.

30. Tersoff J. // Phys. Ref. В.- 1989.- V. 40.- №17,- P. 11990-11993.

31. Данилов А.И. // Успехи химий.- 1995.- Т. 64.- С. 818-833.

32. Ed." W.J. Guntherodt R. Wiesendanger Scanning Tunneling Microscopy.

33. Berlin: Springer Verlag, 1991.■

34. Губин С.П. Химия кластеров достижения и перспективы // ЖВХО им. Д.И. Менделеева.-. 1987.- Т. 32.- №1.- С. 3-11.

35. Федоров В.Е., Губин С.П., Кластерные материалы // ЖВХО им. Д.И. Менделеева.- 1987.- Т. 32.- №1.- С. 31-36.

36. Сергеев В.А., Васильков А.Ю., Лисичкин Г.В., Парофазный метод синтеза кластерных металлических 'катализаторов // ЖВХО им. Д.И. Менделеева.- 1987.- Т.32.- №1,- С. 96-100.

37. Федоров Б.В., Танаев И.В. Энергонасыщенные системы и кластеры //ЖВХО им. Д.И. Менделеева.- 1987,- Т. 32.- №1.- С. 43-47.

38. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы.- М.: Наука, 1986.- 367 с.

39. Петров Ю'.И. Физика малых частиц.- М.: Наука, 1982, 360 с.

40. Варгафтик М.Н. От полиядерных комплексов к коллоидным металлам // ЖВХО им. Д.И. Менделеева .- 1987,- Т: 32.- №1.- С. 36-43.

41. Словохотов Ю.Л., Стручков Ю.Т. Архитектура кластеров // ЖВХО им'.'Д.И^Менделеева"- 1987 Т. 32.- №1.- С. 11-19.

42. Соколов В.И., Топологический дизайн кластерных структур // ЖВХО им. Д.И. Менделеева,- 1987.- Т. 32,- №1.- С. 19-24,

43. Семененко К.Н., Кластер-глобула: металлическая фаза // ЖВХО им. Д.И. Менделеева.- 1987.- Т. 32,- №1,- С. 24-31.

44. Blochl Р.Е. // Phys. Rev. В.- 1994,- V. 50.- №24.- Р. 17953-17958.

45. Krasovskii Е.Е. // Phys. Rev. В.- 1997.- V. 56.-№20,- Р. 12866-12874.

46. Krasovskii- Е. Е., А. N. Yaresko, V. N. Antonov // J. Electron Spectrosc. Relat. РЙепот.-A994,- V. 6-8":- P. 157.

47. Krakauer H., Posternak M. // Phys. Rev. В.- 1979.- V. 19.- №4.- P. 1706-1720.

48. Mattheiss H.F., Hamann D.R. // Phys. Rev. В.- 1984,- V. 29.- №10.- P. 5372-5382.

49. Holzwarth N. A. et al.// Phys. Rev. В.- 1997,- V. 50.- №4,- P. 20052018. " ■

50. FeibelmanP.J. // Phys. Rev. В.- 1988,- V. 38.- №3.- P. 1849-1856.t ." ••

51. Rhee f.Y.T/ Phys. Rev. В.- 1995.- V. 51r- №24.-P. 17390-17398.

52. Cohen M. L. // Science.-1986.- V. 234,- P. 549.

53. Kohn W., Hohenberg P. // Phys. Rev. В.- 1964,- V. 136,- P. 864.

54. Kohn W., Sham L. J.// Phys. Rev. A.- 1965.- V. 140.- P. 1133.

55. Schroedinger E. // Ann. Phys. (Leipzig).- 1926.- V. 79.- P. 361.

56. Thomas L. H. // Proc. Camb. Philos. Soc.- 1927,- V. 23,- P. 542.- 62.Fermi E. // Rend. Accad. Nazi. Lincei.- 1927.- V. 6.- P. 602.

57. Heitler W., London. F. Z. // Phys.- 1927.- V. 44.- P. 455.

58. Mulliken R. S. // Phys. Rev.- 1928.- V. 32,- P. 186.

59. Hartree E>. R. // Proc. Camb. Philos. Soc.- 1928.- V. 24,- P. 89.

60. Fock V. Z. //J. Phys.- 1930.- V. 61.- P. 126.

61. Rootaetn C'.C.J. // Rev. Mod. Phys.- 1950.- V. 23.-P. 690.

62. Pople J.A., Nesbet R.B. // J. Chem. Phys.- 1954.- V. 22,- P. 571.

63. Parr R.G. // J. Chem. Phys.- 1952,- V. 20.- P. 1499.

64. Pariser R., Parr R.G. // J. Chem. Phys.- 1953.- V. 21.- P. 466.

65. Pople J.A. // Trans. Faraday Soc.- 1953.- V. 49.- P. 1375.

66. Pople J.A. et al. // J. Chem. Phys.- 1965.- V. 43.- P. 129.

67. Boys S.F. //-Proc. R. Soc. London.- 1950.- V. 209.- P. 542.—< ^ -i

68. Hidelci Hashimoto etal. // J. Mol. Struct.- 2002.- V. 604.- P. 125-146.

69. Santos J. D., Longo E., Taft C. A. // J. Mol. Struct.- 2003.- V. 625.- P. 189-197.i

70. BirotM. et al // J. Mol. Struct.- 2003,- V. 604,- P. 179-189.'

71. Nigam S., Patel M. M., Ray A. // J. Phys. Chem. Sol.- 2000,- V. 61.-№9.-P. 1389-1398.°

72. Hurst J. K. et al. // Chem. Phys.- 1999.- V. 246,- P. 229-246.

73. Ahmed Mr/Khari Z.H. // Spec. Acta. A.--2000.- V. 56.- №5.- P. 965-981.

74. Marzec A. // Carbon.- 2000.- V. 38.- №13,- P. 1863-1871.

75. Basiuk V.A. // Spec. Acta. A.- 1999.- V. 55.- №14.- P. 2771-2782.

76. Basiuk V. A. et al. // Spec. Acta. A.- 2000.- V. 56.- №6.- P. 1157-1165.

77. Basiuk V. A. et al. // Spec. Acta. A.- 2001.- V. 57.- №3.- P. 505-511.

78. Sutton A.R. et al. The tight-binding bond model // Journal of Physics C.-1988.- У. 21.- P.jl43,2.

79. Slater J.C., Koster.G.F. //Phys. Rev.- 1954.- V. 94.- P. 1498.

80. Froyen S., Harrison W.A. // Phys. Rev. В.- 1979,- V. 20,- P. 2420.

81. Tatar R.C., Rabii S. // Phys. Rev. В.- 1982,- V. 25,- P. 4126.

82. Chen C.J., Origin of atomic rbsolution on metal surfaces in scanning tunneling microscopy // Phys. Rev. Lett.- 1990.- Y. 65.- №4,- P. 448-451.

83. Tekman E., Ciraci S. Theory of anomalous of the corrugation Al(lll) surface obtained from scanning tunneling microscopy // Phys. Rev. В.- 1990,- V. 42.- P. 'Г8601863".

84. Tekman E., Ciraci S. Atomic Theory of scanning tunneling microscopy //Phys. Rev. В.- 1989.-V. 40.-P. 10286-10293'.

85. Bardeen J. // Phys. Rev. Lett. 1961.- V. 6,- P. 57.94.' Tersoff J., Lang N.D. // Phys. Ref. Lett.- 1990.- V. 65,- №9.- p. Щ21135.

86. Бом Д. О возможности интерпретации квантовой теории на основе представлений о «скрытых» параметрах. Вопросы причинности в квантовой механике-/'Сб.--переводов-под ред. Я.П.Терлецкого а А.А.Гусева.- М.:Наука, 1955.-С. 34.

87. Selloni A, et al. // Phys. Rev. В.- 1985,- V. 31.- P. 2602.

88. Lang N. D. // Phys. Rev. В.- 1986.- V. 34.- P. 5947.

89. Васильев С.Ю., Денисов A.B. Особенности туннельно-спектро-J---скопических измерений" в конфигурации воздушного сканирующего туннельного микроскопа // ЖТФ,- 2000.- Т. 200.- В. 1.- С. 100.

90. Stroscio J. A., Feenstra R. М., Fein А. P. // Phys. Rev. Lett.- 1986.- V. 57,- P. 2579.

91. Duke С. В., Silverstein S. D., Bennett A. J. // Phys. Rev. Lett.- 1967.-V. 19.-P. 315-318.

92. Duke C.B., Kleiman G.G., Stakelon Т.Е., Microscopic theory of tunneling: general theory and application to the static impurity // Phys. Rev. В.- 1972.- V. 6.~№4.- P. 2389-2409: '< -й T>v'

93. Caroli C., CombescOt R., Noziere P., Saint James D. // J. Phys. C.-1971.-V. 4.-P. 916.

94. Binnig, G. Garcia N., Rohrer H., Electron metal-surface interaction potential with vacuum tunneling: Observation of the image force // Phys. Rev. B.-1984.-V., 30.-№8.-P. 4816-4818.

95. Fink. H.W. // IBM J. Res. Develop.- 1986.- V. 30.- P. 461.

96. Batson P.E. // IBM J. Res. Develop.- 2000.- V. 44.- №4,- p. 32.. . 106. Johnson H.W. et al. // J. Electrochem. Soc.- 1971.- V. 118.- P. 1909.

97. Mirkin M.V., Fan Fu-Ren F., Bard A.J. // J. Electroanalytical Chem.-1992.- V. 328.- P. 47-62.

98. Tsulcada M.et al. Quantum theory of scanning tunneling microscopy and spectroscopy and its application to surface electronic processes // j. Mol. Catalysis.- 1993.- V. 82.- P. 253-263.

99. Bruno Pi // Phys. Rev. Lett.- 1997.- V. 79,- P.4593.

100. Pareek T. P., Bruno P., Magnetic scanning tunneling microscopy with a1 1ш .two-terminal nonmagnetic tip: Quantitative results // Phys. Rev. В.- 2001,- V. 63.-P. 165424.

101. Мюллер Э.В., Цонг T.T. Полевая ионная микроскопия. Полеваяионизация и испарение,- М: Наука, 1980.- 224 с.

102. Alcama Y. et al // J. Vac. Sci. Technol.- 1990.- A. 8.- P .421.•1

103. Фрейберг Г.Н. Изготовление-тонких автоэлектронных эмиттеров // Приборы и техника эксперимента.- 1967,- №6.- С. 176-178.

104. Musselman I.H., Russell Р.Е. // J. Vac. Sci. Technol.- 1990.- A. 8.- P.3558.

105. Положительное решение от 02.08.2004 о выдаче патента на полезную модель'№20041223439/22(025596) H01J35/06. Устройство для изготовления зондирующих эмиттеров сканирующего туннельного микроскопа / Ли-панов A.M., Кизнерцев С.Р., Тюриков А.В. и др.

106. Мазилова Т.И. Радиационно-стимулированное формирование микрозондов сканирующих туннельных микроскопов // ЖТФ.- 2000.- Т. 70.В. 2.-С. 102.

107. Biegelsen D.K.et al. // Appl. Phys. Lett.- 1989,- №54.- P. 1223.

108. Шредник В.H. и др. К теории динамических измений поверхности во время высокотемпературного полевого испарения // ЖТФ.- 2003.-Т. 73,- В. 9.- С. L20, ■ I

109. Блашенков Н.М. и др. Полевое испарение вольфрама в присутствии адсорбированной воды // Письма в ЖТФ.- 2004.- Т. 30.- В. 12.- С. 50.

110. Попл Дж. Квантово-химические модели // УФН.- 2002.- Т. 173.-№3.-С. 353.

111. Schneir J. et al. Tunneling microscopy study of the graphite surface in air and water // Phys:Rev. В.- 1986 .- V. 34.- №8.- P. 4979-4984.

112. Raghavachari K., Trucks G. W., Pople J. A., Head-Gordon M. // Chem. Phys. Lett.- 1989.- V. 157.:P. 479. '

113. Gordon M. S. I I' Chem. Phys. Lett.- 1980,- №76,- P. 163.

114. Pople J.A., Head-Gordon M., Raghavachari K. J. // Chem. Phys.-1987.-V. 87.-P. 59,68.

115. Moller Chr., Plesset M.S. // Phys. Revi- 1934.- V. 46.- P. 618. 127,.KristaanJR., Pople J.A. // J. Quantum Chem.- 1978,- V. 14.- P. 91.

116. Krishnan R, Frisch M.J., Pople J. A. // J. Chem. Phys.- 1980.- Y. 72-P. 4244.

117. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химия: Учебное пособие.- М.:Изд-во МГУ, 1991.- 384 с.

118. Binkley J. S., Pople J. A., Henre, W. J. // J. Am. Chem. Soc.~ 1980.-№102.-P. 939.

119. Pietro W. J., Henre W. J. // J. Am. Chem. Soc.- 1982,- №104,- P. 2797. 132: Pietrd WT J. et al! //J. Am. Chem. Soc.-1982.- №104,- P. 5039.

120. Henre W. J., Ditchfield R, Pople J. A. // J. Chem, Phys.- 1972,- №56.-P. 2257.

121. Hariharan P. C., Pople J. A. // Theor. Chim. Acta.- 1973.- №28.- P.213.

122. Bowkett K.M., Smith D.A. Field Ion Microscopy.- Amsterdam: North-Holland publishing Co., 1970.- 235 p.

123. Graugnard E., Lee T. Nanoscale Physics.- http://www.physics.pur-due.edu/nanophys/index.htm.169

124. Владимиров. Г.Г. Физические процессы при массопереносе с ост-рий: Дисс-.: дож. физ.-мат. наук. Л., 1989.- 357с.

125. Nagaoka К. et al. Field Emission Spectroscopy From Field-Enhanced Diffuson-Growth Nano-Tips7/ Applied Surf. Sci.- 2001.- V.' 1'82.- P. 12.

126. Кошляков H.C. и др. Уравнения в частных производных математической физики.- М:Высшая школа, 1970.- 712 с.

127. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости^М.: Энергоиздат, 1984.- 15I.e.143., Horridge М. Sparce Solver for Delphi.- http://www.mo-nash.edif.au/sparsolve/mdexihtm.

128. Блашенков H.M. и др. Полевое испарение вольфрама в присутствии адсорбированной воды,// Письма в ЖТВ.- 2004.- Т. 30.- В.- 12,- 2004.- С. .50.

129. Хайкин М.С. Сканирующий туннельный микроскоп с большим полем зрения//ПТЭ.- 1989.-№1.-С. 161-165.

130. Не J. et Ы. // Surf. Sci.- 1991.- V. 246.- Р .348.

131. He.J„ Cutler P.H., Miskovsky N.M. // Appl. Phys. Lett.- 1991.- V. 59.-P.1644>- . .

132. Lang N.D., Yacoby A., Imry Y. // Phys. Rev. Lett- 1989.- V. 63.- P.1499,

133. Gohda Y, Watanabe S. // Phys. Rev. Lett.- 2001.- V. 87.- P. 177601.

134. Gohda Y.,Watanabe S. // Surf. Sci.- 2002.- V. 516.- P. 265.

135. Yuasa K. et al. // Surf. Sci.- 2002.- V. 520,- P. 18.

136. JensenK.L. et al. // Appl. Surf. Sci.- 1997.- V. 111.- P. 204-212.153 . Martin E,E. et.al. // Wright Air Development Division Technical Report.- I960,- P. 59-20.

137. BarbourJ.P. et al. // Phys. Rev.- 1953.- Y. 92.-P. 45.

138. Gamow G. //Z. Phys.- 1928.- V. 51.- P. 204.j§ниц10Щ. J.G.,- Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film // J. Appl. Phyz.-1963,-V. 34,-№6,-P. 1793-1803.

139. Sabio M., Topiol S. 3s- versus ls-type gaussuan primitives: Modification of the 3-21G(*) basis set for sulphur atom. // J. Comput. Chem.- 1989.- №10.-P. 660-672.

140. Mclean A. D., Chandler G. S. // J. Chem. Phys.- 1980.- №72.- P.5639.

141. Soler J.M., Baro A.M., Garcia N. // Phys. Rev. Lett.- 1986.- V. 57.-P.444.

142. Durig U., Gimzewski J.K., Pohl D. // Phys. Rev. Lett.- 1986.- V. 57.-P.2403. .i6% Ciraci S.rBatra-I.P. // Phys. Rev. В.- 1987,- V. 36.- P. 6194.

143. Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. // Phys. Rev. Lett.- 1986.- V. 56.- P.930.

144. Гончаров В.JI. Теория интерполирования и приближения функций.- М: Гостехиздат, 1954.- С. 27.

145. Хемминг Р.В. Численные методы.- М: Наука, 1968.- С. 130.

146. Патент РФ №2218629 МКИ H01J37/285. Сканирующий туннельный микроскоп / Липанов A.M., Кизнерцев С.Р., Тюриков А.В. и др.

147. Патент РФ №2205474 МКИ H01L41/09, Н02 N 2/00. Устройство для микроперемещений объекта / Лиианов A.M., Кизнердев С.Р., Тюрйков А.В. и др.•

148. Тюрйков А.В. и др. Методика построения теоретических СТМ-изображений ультрадисперсных частиц кластерных материалов // Сборник трудов международного научно-технического форума "Высокие технологии-2004".- ч.З: Ижевск, 2004,- С.162-167.