автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и исследование технологического и аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения кластерных материалов

На правах рукописи

Кизнерцев Станислав Рафаилович

УДК 621.385.833

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО И АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2004

Работа выполнена в Институте Прикладной Механики УрО РАН

Научный руководитель: академик РАН Липанов Алексей Матвеевич

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

ШелковниковЕвгений Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дементьев Вячеслав Борисович (г.Ижевск)

кандидат технических наук, доцент Никонов Александр Васильевич (г.Омск)

Ведущая организация: НКТБ «Пьезоприбор» (г.Ростов-на-Дону)

Защита диссертации состоится 24 ноября 2004г. в 16 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

Автореферат разослан «23»ноября 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совс

д.т.н, профессор

В.В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы связана с необходимостью получения наиболее полной измерительной информации о геометрических параметрах ультрадисперсных частиц (УДЧ) с размерами 10-1000А для создания кластерных материалов (КМ) с уникальными сочетаниями механических и физико-химических свойств. КМ на основе УДЧ обладают принципиально новыми механическими, магнитными, каталитическими и другими физико-химическими свойствами, в связи с чем находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Получение измерительной информации с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) требует последовательного выполнения двух этапов: обнаружения частиц на большой площади поверхности образца (10x10 мкм2) с относительно невысоким разрешением и определения геометрических параметров частиц (площадь исследуемой области ~ 1000* 1000 А2) с высоким (атомарным) разрешением. Очевидно, что оба этапа должны выполняться без замены сканирующего устройства (пьезо-сканера) невысокого разрешения на сканирующее устройство высокого разрешения, поскольку при такой замене теряется «привязка» сканирующего устройства к координатам обнаруженных частиц. Другим случаем, когда замена сканирующего устройства недопустима, является последовательное изучение топографии УДЧ КМ сначала на воздухе, затем в капле жидкости (например, при исследовании влияния процесса коррозии на поверхность новых материалов на основе УДЧ).

В результате возникает необходимость в создании универсальной измерительной головки, позволяющей без смены иглы и пьезосканера осуществлять изучение поверхности на воздухе и в жидких агрессивных средах, как с невысоким, так и с высоким (атомарным) разрешением. Очевидно, что к эксплутационным и метрологических характеристикам пьезоэлектрических устройств и измерительных игл универсальной измерительной головки предъявляются повышенные требования.

Использование в универсальной головке многосекционных сканеров, имеющих для исследования с высоким и невысоким разрешением отдельные секции, затруднено по двум причинам. Первая - сложность изготовления, вторая - затрудненность согласования по точности и диапазону перемещений привода образца и секции высокого разрешения сканера. Устранение этих причин требует разработки специализированных пьезоустройств, отличающихся повышенной сложностью изготовления, а также глубокую проработку технологических процессов, обеспечивающих достижение заданных характеристик этих пьезоустройств. При этом для использования усложненных механических конструкций следует предусмотреть дополнительные элементы виброакустической, электромагнитной и электростатической защиты.

Основные проблемы в области изготовления игл для СТМ заключаются в следующем. Для изготовления платиново-иридиевых игл обычно применяют метод механического среза (совмещенного с вытягиванием и разрывом места среза). При этом плохая воспроизводимость формы острия таких игл («скрученность)» не позволяет применять их для изучения микроучастков поверхности с резкими перепадами высот. Все это делает актуальной задачу создания конусообразных зондирующих игл (ЗИ) с острием стабильной макроскопической формы, завершающимся атомарным микровыступом. Наиболее часто для создания используемых в СТМ вольфрамовых и пла-тиново-иридиевых ЗИ используется пронят ^т;кТР|")?{ИМИЧрг'''пт травления метал-

лических заготовок цилиндрической формы, однако сопутствующая такому травлению электрохимическая полировка конического острия, без его «атомарной заточки» на специальном технологическом оборудовании, не позволяет получить требуемое разрешение СТМ. Поэтому необходимы надежные средства исключения электрополировки кончика игл.

Таким образом, исследования в области технологии изготовления специализированного СТМ, предназначенного для изучения УДЧ КМ с высоким разрешением и большим полем зрения имеют важное значение для создания новых материалов и являются актуальными.

Цель работы - разработка теоретических основ технологического и аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения ультрадисперсных частиц, используемых при создании перспективных кластерных материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- создать расчетную модель для описания процесса изготовления иглы методом химического травления;

- разработать технологию изготовления измерительных игл с повышенной жесткостью острия и с устранением процесса его электрополировки в момент перетрав-ливания заготовки;

- разработать технологию изготовления пьезосканеров с улучшенными метрологическими характеристиками;

- разработать технологию изготовления высокоточного инерционного пьезопривода образца;

- разработать технологию и оборудование для изготовления измерительных игл, пьезопреобразователей и других подсистем СТМ;

- создать средства программно-аппаратурной диагностики универсальной измерительной головки.

Объектом исследования является СТМ для изучения КМ, включающий зондирующую иглу, программно-аппаратурные средства для выделения, обработки и визуализации измерительной информации (ИИ).

Предметом исследования являются модели зондирующей иглы и ее заготовок, модели химического процесса изготовления ЗИ, программно-аппаратурное обеспечение СТМ.

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: численные методы, цифровая обработка изображений и сигналов, теоретические основы информатики и программирования, принципы и методология разработки САПР. В экспериментальных исследованиях применялись: теория измерения электрических и механических величин, статистические методы обработки результатов исследований, теория точности измерительных систем.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах:

- предложена исключающая электрополировку технология изготовления игл, в

которой переход от электрохимической к химической обработке осуществляется непосредственно перед моментом перетравливания «шейки» иглы, а окончательное пе-ретравливание «шейки» осуществляется химическим способом;

- созданы модель и методика численного моделирования протекания процессов химического травления игл на основе уравнений гидродинамики и уравнений химической кинетики; численные исследования, выполненные с помощью модели, позволили определить оптимальную форму «шейки» заготовки иглы в момент перехода от электрохимической к химической обработке заготовки;

- исследованы различные составы раствора электрохимической ячейки. Установлено, что оптимальным составом для электрохимической - химической обработки «шейки» вольфрамовой иглы является раствор: 1 часть 10 % КОН и 6 частей 10 % К3Ре(СЫ)б. Обосновано применение вспомогательного нейтрального раствора ССЦ в донной части ячейки, позволившего снизить влияние сил поверхностного натяжения основного раствора на форму «шейки» заготовки ЗИ и, соответственно, на радиус закругления и жесткость кончика иглы;

- обосновано применение в СТМ для изучения кластерных материалов многосекционного пьезосканера и комбинированного пьезоэлектрического-электродинамического привода образца. Установлен ряд технологических особенностей изготовления данных пьезоустройств. Показано, что при изготовлении межэлектродной изоляции пьезосканера следует сочетать механическое удаление с локальным химическим вытравливанием поверхности электродов. При изготовлении корпуса пьезопривода образца следует использовать немагнитные материалы, при изготовлении электродинамического источника - постоянные магниты. Рекомендован импульсный режим работы электродинамического источника, позволяющий снизить величину термодрейфов.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ электрохимической-химической обработки «шейки» иглы, позволяющий исключить электрополировку кончика иглы. Схема установки для изготовления игл данным способом с наклонным расположением заготовки.

2. Методика моделирования процесса химического травления «шейки» заготовки иглы.

3. Схема электрохимической ячейки с нейтральным раствором в нижней его части и активным электролитом в верхней части, расположением заготовки в нейтральном растворе и рабочей зоной перетравливания «шейки» заготовки на границе раздела двух сред, что позволяет изготавливать иглы с повышенной жесткостью кончика.

4. Технологические особенности изготовления изоляции многоэлектродного пьезосканера и комбинированного пьезоэлектрического-электродинамического привода образца.

5. Методы и средства технической диагностики пьезоустройств, основанные на серийно выпускаемых средствах измерений.

Достоверность полученных результатов основывается на данных натурных испытаний, использовании аттестованных измерительных средств, согласованности расчетных и экспериментальных данных.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить задачу создания универсальной измерительной головки, а также технологического и программно-аппаратурного обеспечения СТМ для изучения КМ.

Рекомендации по выбору химического состава раствора (сочетание 10 % раствора красной кровяной соли и 10 % раствора КОН в соотношении 6:1 соответственно) электрохимической ячейки для изготовления вольфрамовых зондирующих игл позволяют изготавливать иглы при малых и нулевых (химическое травление) токах с высокой степенью контроля за формой игл. Применение данного раствора в сочетании с ССЦ в донной части электрохимической ячейки позволяет изготавливать многоступенчатые иглы с высокой жесткостью и повторяемостью формы кончика.

Предложены методики и схемы установок для изготовления игл. Показано, что наклонное расположение иглы позволяет непосредственно перед отрывом нижней части ее заготовки определять момент времени перехода от электрохимического травления к химическому.

Разработаны достаточно просто реализуемые схемы диагностики пьезоуст-ройств, основанные на применении серийно выпускаемых измерительных приборов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании программно-аппаратных средств и методов для изучения параметров микрорельефа КМ и электрофизических характеристик реконструированных поверхностей, а также в учебном процессе ИжГТУ.

Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР, проводимых ИПМ УрО РАН: «Разработка программно-аппаратных средств и методика изучения КМ на базе СТМ» (1990-2000), «Исследование закономерностей формирования кластеров и мезокомпозитов» (2000-2005г.), а также НИР, выполненных УДГУ в рамках научной программы «Университеты России - фундаментальные исследования»: «Разработка программно-аппаратных средств и исследование связей атомной структуры, электронного строения и химического состава с целью оптимизации электрофизических характеристик реконструированных поверхностей» (1995-1997) и «Разработка и исследование новых методов сканирующей туннельной микроскопии» (1998-1999).

Апробация и публикации.

Основной материал диссертации отражён в 24 научных публикациях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и приложения (акты об использовании результатов работы). Работа содержит 157 стр. машинописного текста, включая 41 рис. и приложение.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также новые научные результаты, предмет и методы исследований.

В первой главе определены основные направления исследований, необходимых для достижения поставленной цели.

Установлено, что достигнутый к настоящему времени уровень развития кон-структорско-технологического обеспечения туннельной микроскопии не позволяет реализовать на базе существующих СТМ полноценный инструмент (высокоэффективный прибор) для изучения УДЧ КМ (например, для контроля дисперсности час-

тиц). Обзор современной технической базы туннельной микроскопии позволил установить ряд причин, препятствующих этому. Одна из причин состоит в объективном конфликте между требованиями к высокому разрешению и большому полю зрения, характерном при использовании в системе развертки СТМ пьезоэлектрических сканирующих устройств. Дополнительную весомость данной причине придает неизбежное отставание технологического обеспечения от конструкторского, обусловленное большим разнообразием имеющихся устройств и их продолжающейся специализацией под определенный вид микроскопов. Другая причина, актуальная для туннельной микроскопии в целом - это сложность изготовления атомарно острых зондирующих игл со стабильной, повторяемой геометрической формой и высокой резонансной частотой кончика острия.

Решение задач, связанных с устранением именно этих первостепенных причин, имеет большое значение для создания СТМ и изучения КМ, поэтому им будет уделено основное внимание.

Во второй главе разработаны математическая модель и методика численного решения задачи процесса химического травления ЗИ.

Электрохимическое травление, используемое для изготовления игл СТМ, позволяет получать острия микроскопически гладкими из-за так называемой «электрополировки» (т.е. преимущественного стравливания микровыступов иглы). Кроме того, изменяя напряжение, концентрацию электролита и геометрию электродов в электрохимической ячейке, можно в значительной мере влиять на общую форму и на радиус закругления кончика ЗИ. Недостатком данного метода является то, что при пе-ретравливании «шейки» заготовки иглы происходит интенсивная электрополировка кончика острия ЗИ, вызванная высокой величиной напряженности электрического поля в окрестности поверхности атомарных микровыступов, имеющих малый радиус кривизны.

Поэтому для получения атомарно острых и гладких ЗИ предложено использовать комбинацию электрохимического травления (производимого на первом этапе и используемого для полировки и придания необходимой формы заготовке ЗИ) и химического травления (применяемого на втором этапе перетравливания заготовки для

на кончике острия в момент разрыва

Проведено моделирование процесса химического травления при формировании острия ЗИ. На рис.1 представлена аппроксимация заготовки ЗИ сложной формы совокупностью цилиндров, на рис.2 - объект моделирования (который представляет собой металлическое цилиндрическое тело, погруженное в равномерно вращающийся сосуд с травящей жидкостью).

Основные положения и допущения постановки задачи:

совокупностью цилиндров

формирования атомарных микровыступов «шейки» заготовки).

Рис.1. Аппроксимация заготовки 30 сложной

- процесс изотермический;

- плотность, вязкость и коэффициент диффузии травящей несжимаемой жидкости постоянны в пределах всего объема на протяжении всего времени травления;

- рассматриваемые процессы, протекают при существенно дозвуковых скоростях;

- в системе отсутствует градиент давления (изобарические условия).

Создана модель процесса изготовления игл методом химического травления на основе уравнений химической кинетики и гидродинамики:

Рис.2. Объект исследований

где А, п — константы для данной реакции; с- концентрация травящей жидкости; Е - энергия активации для данной реакции; Т - температура на поверхности ЗИ; р — плотность травящей жидкости; радиальная координата цилиндрической системы отсчета; й полная гидродинамическая скорость; {/—ее угловая компонента; И — коэффициент диффузии; Ц— динамическая вязкость. Первое уравнение отражает зависимость скорости травления на поверхности (отнесенной к единице поверхности) как химической реакции. Уравнения (2), (3) описывают поведение концентрации и угловой компоненты скорости соответственно, а уравнение (4) представляет собой уравнение неразрывности (представляющее закон сохранения массы). В (2)-(4) плотность р является функцией концентрации с:

р = р]П + р2(\-с), (5)

где Р| — плотность травящей жидкости; р2 — плотность продуктов травления (в общем случае р1 Ф рг).

Рассмотрены дискретные аналоги уравнений в частных производных для двумерных задач. Контрольный объем элемента разностной сетки представлен на рис.3. В общем случае уравнение в частных производных, описывающее перенос обобщенной переменной Ф имеет вид:

^ + <Цу{рйФ) = <Л'у(уГф\ Э/

(6)

где Г - обобщенный коэффициент. В случае уравнения для компоненты скорости и: Ф = г1!, а Г = р; в уравнении для концентрации: Ф = с, Г = И. Конечно-разностный

дискретный аналог обобщенного дифференциального уравнения (6) в соответствии с методом Патанкара выглядит как:

аРФР=аЕФЕ+ая,Фцг+а„Ф„+а3ФБ+Ъ, (7)

двумерных задач

ар=аЕ+а^+аи+а5 + аар (верхний индекс О относится к величинам, рассчитанным на предыдущем временном слое). Из уравнения (2) следует,

Рис.3. Контрольный объем эле- чт0 *" опРеДелен,я поля концентраций (неоохо-мента разностной сетки для димого для расчета СККЮИ травления) следует

сначала определить поле гидродинамической компоненты скорости (/, решив уравнения (3), (4). Дискретный аналог для этих уравнений получается из общего случая путем замены величины Ф компонентами скорости и, а коэффициента Г - гидродинамической вязкостью //. При этом, вязкость жидкости считается постоянной во всей системе.

Проведены численные исследования разработанной модели. Обеспечены сходимости вычислительных процессов как при интегрировании по времени, так и по пространственным переменным. Определение скорости травления на границе заготовки ЗИ происходит посредством вычисления поля концентрации травящей жидкости, которое в свою очередь, рассчитывается через поле гидродинамических скоростей. Результаты численных исследований представлены на рис.4,5.

Рис.5. Радиальные распределения кон-Рис. 4. Профили 30 до и после травления центрации и угловой компоненты гидродинамической скорости Полученные результаты дают представление о механизме процесса химического травления ЗИ в растворе электролита. Разработанная методика численного решения задачи травления заготовки может быть использована для расчета параметров травления и позволяет детально рассмотреть особенности процесса. Из сопоставле-

ния расчетных профилей ЗИ до и после химического травления выбираются профиль «шейки» заготовки и параметры процесса химического травления, необходимые для формирования острия ЗИ с заданными параметрами (формой кончика острия, определяющего его малый радиус и высокую резонансную частоту, а также достаточное количество атомарных микровыступов).

В третье главе проведен сравнительный анализ различных устройств для получения зондирующих игл СТМ. Показано, что одним из основных недостатков известных методов получения игл является электрополировка кончика иглы при кратковременном неполном выключении тока травления в момент перетравливания «шейки» заготовки. Результатом этого является сглаживание атомарных микровыступов на кончике иглы.

Предложена методика изготовления игл, лишенная этого недостатка. Электрохимическое локальное травление проволочной заготовки 1 осуществляется в капиллярном электроде из пластины 3 в центральном ее отверстии (рис.б) пленкой из

Рис.6 Устройство для изготовления игл СТМ

Рис.7 Многоступенчатая игла

проточного электролита, формируемого с помощью соединенных прорезями с центральным отверстием - двух боковых, предназначенных соответственно для подачи свежего и приема отработанного электролитов. Блок 9 микрометрической подачи заготовки, снабженный оптическим микроскопом 10, позволяет сформировать острие ЗИ в виде последовательности ступенек (рис.7).

Непосредственно перед отрывом нижняя часть заготовки 1 под действием собственного веса начинает колебательное движение, регистрируемое, например, оптронной парой 15. При этом формирователь 16 вырабатывает импульс, отключающий источник напряжения 13. Таким образом, непосредственное перетравливание заготовки 1 осуществляется химическим травлением, что позволяет исключить процесс электрополировки. Это

дает возможность сохранить все атомарные микровыступы на кончике ЗИ и увеличить разрешающую способность СТМ. Для уменьшения радиуса кривизны поверхности микроострия, во время травления вдоль заготовки 1 через ее среднюю часть (область формирования микроострия) пропускают электрический ток от регулируемого источника тока 17. Благодаря резкому повышению пластичности в области формирования острия при отрыве нижней части

заготовки происходит вытягивание острия с меньшим радиусом кривизны, который можно регулировать изменением тока регулируемого источника тока 17. Плотность тока в сечении «шейки» заготовки 1 устанавливается в пределах 102 - 104 А/мм2 в момент отрыва заготовки и пропорциональна требуемой кривизне острия.

Приведено описание установок для изготовления игл, в том числе реализую-

Рис.8. Внешний вид установок для изготовления игл а - в кольцевом электроде с проточным электролитом, б - с травлением в большом объеме электролита на границе раздела сред;

Изучение игл, полученных травлением в большом объеме электролита, показало, что в результате действия сил поверхностного натяжения смачивается большая поверхность иглы, а это приводит к формированию тонкой и удлиненной «шейки» и снижению жесткости кончика острия. Одним из вариантов решения данной проблемы является травление игл в кольцевом электроде с натянутой пленкой электролита. Однако у данного способа имеется недостаток - накопление продуктов реакции, удаление которых с помощью постоянной подачи свежего электролита усложняет установку изготовления игл (рис 8а).

Травление в большом объеме электролита позволяет снизить влияние продуктов реакции на протекание процесса травления. Однако в этом случае действие сил поверхностного натяжения жидкости приводит к образованию тонкого и удлиненного кончика острия иглы за счет смачивания большой площади заготовки. Избежать

формирования такого кончика иглы в данном случае позволяет разработанная установка, в которой в донной части электрохимической ячейки имеется нейтральный раствор ССЦ с размещенной в нем основной частью заготовки иглы. Над раствором ССЦ расположен активный электролит, при этом травление «шейки» иглы происходит строго на границе раздела сред. Это позволяет, перемещая заготовку относительно границы раздела, осуществлять изготовление многоступенчатых высокожестких игл (подобных изображенной на рис.7).

Для определения оптимальных режимов работы установок выполнены исследования влияния различных параметров электрохимической ячейки на протекание процессов травления.

Исследования, связанные с выбором раствора для электрохимического-химического травления показали:

- традиционные растворы КОН и №ОН малопригодны для химического травления;

- красная «кровяная» соль КзРе(С1^)б позволяет вести травление как электрохимическим, так и химическим способом;

- процесс электрохимического травления в растворе КэРе(СН)б протекает медленно, поэтому для уменьшения времени травления его следует использовать в сочетании с №ОН или с КОН.

Графики зависимостей тока травления от напряжения на электродах электрохимической ячейки приведены на рис.9. Из рис.9 следует, что оптимальным раствором является смесь 10 % КОН И 10 % КзРе(СМ)б с соотношением 1:6, которая позволяет осуществлять травление игл при небольших напряжениях и с достаточно высокими токами (а значит обеспечивает большую скорость травления). Также данный раствор позволяет осуществлять травление «шейки» иглы при нулевом напряжении (то есть химическим способом). Из графиков, представленных на рис. 9, следует, что значение напряжения (для смеси с соотношением 1:6)

следует выбирать из диапазона 0-20В. Использование напряжений большей величи-

I,

мА 88

64 40 16

-8

-25 -15 -5 5 15 и. В 00 4 5 9 0 13 5 18 и, В

а) б)

Рис.9. Кривые зависимости тока травления вольфрамовой проволоки диаметром 1.0 мм от напряжения в растворе (1 - медленное нарастание напряжения; 2 - быстрое нарастание напряжения): а -10 % КОН и 10 % К3Ре(СК)в с соотношением 1:1; б - 10 % КОН и 10 % К3Ре(СЫ)66 с соотношением 1:6

ны может приводить к повышенному выделению газов, осложняющих получение шейки необходимой формы. Данный режим для предложенной смеси позволяет осуществлять обработку «шейки» иглы без возникновения процессов пассивации.

Избежать выхода в режим пассивации иглы позволяет травление на переменном токе, когда при отрицательных значениях напряжения происходит растворение оксидной пленки. Графики зависимости тока травления от импульсного напряжения различной формы показаны на рис. 10,11.

Рис.10. Изменение тока травления при воздействии импульсного напряжения прямоугольной формы (амплитуда и длительность положительного импульса 6В и 80 мс соответственно, длительность отрицательного импульса с амплитудой отрицательного импульса:

Рис.11. Изменение тока травления при воздействии синусоидального напряжения амплитудой 2.5В, частотой 50Гц, смещением постоянной составляющей: а-3.5 В;б- 1.5В

Исследования показали, что увеличение длительности и амплитуды отрицательного импульса напряжения приводит к увеличению тока травления во время действия положительной части импульса. Оптимальным (для получения высокой скоро-

сти травления) значением длительности отрицательного импульса прямоугольной формы следует считать величину ~ 16мс, а длительности положительного импульса прямоугольной формы значением - 5-10 мс. При использовании напряжения синусоидальной формы оптимальными значениями амплитуды и смещения постоянной составляющей являются 2,5В и 1,5В соответственно.

Усовершенствование технологии изготовления высокожестких игл с высокой стабильностью формы острия имеет большое значение для исследования УДЧ КМ методами сканирующей туннельной микроскопии. Тем не менее, повышение эффективности данных исследований, позволяющее говорить о туннельном микроскопе как о специализированном приборе для изучения УДЧ, невозможно без решения ряда других задач. Одной из них является разработка новых пьезоэлектрических устройств и технологий их изготовления.

В четвертой главе рассмотрены вопросы изготовления универсальной измерительной головки (рис.12) СТМдля изучения КМ. Показано, что его отличительными особенностями являются большое поле зрения и высокое разрешение. Приведено

Рис.12. Универсальная измерительная головка: а- внешний вид; б - конструкция описание защищенной патентом конструкции СТМ, предназначенного для контроля дисперсности кластерных материалов. Установлено, что одной из определяющих особенностей данной конструкции является применение сканера с дополнительной короткой секцией, имеющей меньший коэффициент преобразования напряжение-перемещение. Показано, что при изготовлении такой конструкции появляется необходимость в повышении надежности работы СТМ посредством улучшения средств защиты от внешних помех, совершенствования технологии изготовления его пьезо-сканера, обеспечения работоспособности СТМ при использовании коротких секций пьезосканера путем изменения конструкции и технологии изготовления пьезоприво-да образца, совершенствования средств и методик проверки блоков СТМ.

В работе описана многоступенчатая система виброакустической защиты. По-

казано, что для эффективной защиты СТМ от внешних акустических и электромагнитных воздействий следует использовать несколько коаксиальных колпаков. Внешние колпаки предназначены для защиты всего механического блока СТМ. Один из них изготавливается из материала, обладающего высокими шумопоглощающими свойствами (например, поролона), а другой - предназначен для защиты от электростатических и электромагнитных воздействий. В процессе его изготовления из стали СТЗ на внешнюю и внутреннюю поверхности колпака методом гальванической обработки наносится слой меди толщиной ~ 100 мкм. Это снижает поверхностное сопротивление колпака и повышает эффективность электромагнитной защиты. Внутренние колпаки предназначены для защиты непосредственно измерительной головки СТМ. На замкнутых внутренней или внешней поверхностях одного из этих колпаков может быть закреплен материал из пермаллоя (например, лента). В качестве внутреннего колпака возможно применение и несущих элементов конструкции СТМ.

Для защиты от вибраций пола и фундамента здания предложена многоступенчатая система защиты. Механический блок СТМ вывешивается на пружинном подвесе, расположенном на тяжелой станине, которая установлена на песчаной подушке. Песчаная подушка представляет собой первую ступень виброзащиты и изготавливается следующим образом. От уровня пола на глубину ниже основания фундаментных блоков здания лаборатории формируется траншея глубиной 50-70 см, которая заполняется песком. Вторая ступень системы виброзащиты - пружинный подвес. Для демпфирования колебаний подвеса следует использовать мощные самариевые магниты. Третья ступень может быть выполнена в виде сейсмического фильтра, либо в виде активного устройства виброзащиты.

Рассмотрены вопросы изготовления многоэлектродного сканера (рис.14) для изучения УДЧ КМ, имеющего отдельные секции для исследований с большим полем зрения (длинные секции) и с высоким разрешением (короткие секции). Поскольку пьезоэлементы сканеров выпускаются промышленностью со сплошными электродами и при обжиге серебряной пасты происходит вкрапление серебра в керамику, то основное внимание уделено вопросам формирования межэлектродной изоляции, которая снижает взаимное влияние

этих секций ДРУГ на ДРУга. Проведен сравнительный анализ различных технологий изготовления электродных секций сканера (с применением воска, фоторезиста и нитролака для защиты неудаляемой части электродов). Для изготовления электродных секций (межэлектродной изоляции) пьезосканера предложена комбинированная методика, включающая: нанесение защитного покрытия (нитроэмаль НЦ25 или позитивный фоторезист ПФ-2), механическое удаление верхней части покрытия с разделительных межэлектродных секций без деформации пьезокерамики и локальное травление оставшегося покрытия с последующим мониторингом характеристик пьезосканеров.

Мониторинг готовых пьезоэлементов выполнялся по схеме: удаление остаточных вкраплений серебра и зачистка «рваных» границ электродов на участках раздела,

Рис.14. Многоэлектродный сканер

обработка (выжигание) протравленных участков импульсами тока, измерение сопротивления участков раздела, определение резонансной частоты сканера и взаимного влияния его каналов X и У.

Удаление вкраплений серебра и зачистку границ электродов следует осуществлять скрайбером с применением микроскопа (например, МБС-9, при увеличении х20). Далее протравленные участки подвергаются обработке «выжиганием» переменным напряжением 36 В. С этой целью используется понижающий трансформатор (36 В, 5 А), к вторичной обмотке которого подключен щуп с двумя электродами (выполненными из латуни ЛС59-1), при этом зазор между электродами в процессе выжигания следует поддерживать в пределах 0,2-2 мм. Методика удаления вкраплений состоит в следующем. Один из электродов скользит по границе электродной поверхности, а второй - на расстоянии 0,3 мм по поверхности с удаляемым проводящим слоем. При появлении вкраплений серебра между электродами происходит электрический пробой (выжигание) части участка. Перемещение электродов производится по периметру границы рисунка пьезосканера. После этого щуп с электродами смещается на 0,2-0,Змм и процесс выжигания повторяется. Выполняется «сканирование» всей поверхности, однако в результате операции могут остаться единичные точечные вкрапления (~ 0,1 мм), не оказывающие влияния на работу пьезоэлемента.

Измерение сопротивления изоляции между электродными секциями осуществлялось при помощи мегометра М4100/3. При обнаружении замыкания производилась повторная обработка этого участка поверхности импульсами тока.

Одной из важнейших задач, возлагаемых на инерционный пьезопривод образца, является сближение образца с острием до необходимой величины туннельного промежутка с установлением сканера в середину динамического диапазона. При использовании коротких секций такого пьезосканера возникают трудности сближения зондирующего острия микроскопа с поверхностью исследуемого образца. Это обусловлено тем, что точность пьезопривода образца остается неизменной, а диапазон перемещений зондирующего острия вдоль оси Ъ при работе короткой секции снижается.

На основе анализа путей повышения точности позиционирования предложен пьезоэлектрический инерционный привод (рис.15) с возможностью компенсации негативного действия силы трения. В данном приводе для компенсации силы трения применен электродинамический источник, механически не связанный с перемещаемым объектом. Определены основные технологические особенности -.^-...^.ммН! изготовления такого привода. Так, например, корпус привода следует изго-Рис.15. Внешний вид комбинированного ташшвать из немагнитных мате пьезопривода (1 - пьезотрубка, 2 - пружи- из нержавеющей стали ны, 3 - постоянный магнит; 4 - переме- 36НХТЮ ГОСТ 10994-74 или латуни щаемый объект; основание катушки). лс 59-1 гост 15527-70. Кроме того,

установлено, что такие характеристи-

ки привода как технологичность сборки, энергопотребление, тепловыделение улучшаются, если использовать в электродинамическом источнике постоянные магниты, так как электромагниты в процессе работы выделяют тепловую энергию, которая приводит к температурным дрейфам конструкции. При использовании электромагнитов магнитопроводы следует изготавливать из материалов с линейной кривой намагничивания, например, из железоникелькобальтовых сплавов. Это позволяет снизить потери на гистерезис при перемагничивании и повысить качество управления приводом. При этом более целесообразным является импульсный режим работы электромагнитов, который снижает выделение тепловой энергии. Для повышения точности перемещений держателя столика его лучше изготавливать из полированной кварцевой стеклянной трубки. Подгонку пружин привода (после изготовления) к диаметру держателя осуществляют вручную с помощью шлифовальных паст. При этом рабочий держатель, предназначенный для эксплуатации в приводе, в процессе подгонки не используется, так как это позволяет сохранить его поверхность.

Применение в СТМ для изучения УДЧ КМ многоступенчатых игл, усложненных пьезоэлектрических устройств и технологий их изготовления требует разработки адекватных их сложности средств диагностики.

В пятой главе рассмотрены конструкторско-технологические средства для изготовления и диагностики различных подсистем СТМ.

Рассмотрена задача диагностики многосекционных пьезосканеров и приводов комбинированных приводов образца. Описан измерительный стенд (рис.16) , предназначенный для диагностики работоспособности и определения метрологических характеристик этих устройств. В состав стенда входят ЭВМ, блок интерфейса (БИ) ЭВМ с блоком управления и коммутации (БУ), блок питания (БП), осциллограф С1-79, генератор ГЗ-109, микрофон МКЭ-3, оптический отсчетный микроскоп МПБ-2, прибор показывающий с индуктивным преобразователем

модель 214 (ППИП-214). Одной из основных отличительных особенностей стенда является наличие ЭВМ, позволяющей реализовывать сложные методики испытаний. Стенд позволяет определять резонансные частоты пьезосканеров, а также скорость и точность позиционирования комбинированного привода образца. Для измерения последних двух характеристик предложена методика испытаний, в которой определяется средняя величина шагового перемещения после серии управляющих импульсов, что позволяет определять не только скорость и точность перемещений привода, но и оптимальные режимы его работы.

Приведено описание методики диагностики качества игл СТМ на основе определения шумовых характеристик туннельного тока до сближения иглы с поверхностью и после сближения при замкнутой и разомкнутой системе регулирования туннельного промежутка.

Рис.16. Структура измерительного стен-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе комплексных исследований разработаны и научно обоснованы теоретические основы технологического и аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения ультрадисперсных частиц кластерных материалов, что способствует созданию новых перспективных кластерных материалов.

Основные выводы и результаты:

1. Разработаны методика и технология изготовления игл с последовательным переходом от электрохимического к химическому травлению, позволяющая исключить электрополировку кончика игл и повысить разрешающую способность СТМ. Установлен оптимальный химический состав для травления вольфрамовых игл по данной методике в соотношении 1:6 соответственно).

2. Создана модель процесса изготовления игл методом химического травления. Проведены численные исследования этой модели, получены рекомендации по формированию малого радиуса и заданного профиля зондирующего острия.

3. Предложено наклонное расположение заготовок игл для определения момента отрыва заготовки по началу колебательного движения. Разработаны оптические средства регистрации этого движения.

4. Для изготовления игл в большом объеме электролита предложено осуществлять травление на границе раздела двух сред - нейтрального СС14 в донной части ячейки и смеси КОН с К3Ре[(СК)6] в верхней.

5. Обосновано применение (в СТМ для контроля дисперсности УДЧ КМ) и разработаны конструкции многосекционного пьезосканера, комбинированного пьезоэлектрического - электродинамического привода образца и многоступенчатой системы виброакустической, электростатической и электромагнитной защиты. Установлены основные особенности, касающиеся технологии изготовления данных устройств.

6. Показано, что для изготовления межэлектродной изоляции многосекционного пьезосканера следует применять механическое удаление верхней части покрытия и локальное травление оставшегося покрытия с последующим мониторингом характеристик сканера.

7. Определены материалы и режимы работы комбинированного привода образца СТМ. Установлено, что для снижения температурных дрейфов привода целесообразно в его электродинамической системе применять постоянные магниты и импульсные режимы работы.

8. Разработаны средства диагностики СТМ и отдельных блоков. Предложены методики диагностики работоспособности сканера, комбинированного пьезопривода образца, системы регулирования туннельного промежутка, а также зависящих от них метрологических характеристик СТМ.

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Липанов А. М., Кизнерцев С. Р., Осипов Н. И. Об улучшении характеристик туннельного микроскопа //Датчики электрических и неэлектрических величин.-Барнаул, 1993г.-ч.2-С. 109.

2. Кизнерцев СР., Плетнёв М.А., Шелковников Е.Ю. Технология изготовления игл для сканирующего туннельного микроскопа // Датчики электрических и неэлектрических величин.- Барнаул, 1995.- С.153.

3. Липанов A.M., Кизнерцев СР., Шелковников Е.Ю. Программно-аппаратурное и технологическое обеспечение сканирующего туннельного микроскопа // Современные проблемы внутренней баллистики РДТТ.-Ижевск, 1996.- С.276-285.

4. Липанов A.M., Шелковников Е.Ю., Кизнерцев СР. Применение туннельной микроскопии и спектроскопии для исследования кластерных материалов // Новые высокие технологии быстрого моделирования и прототипирования. - Ижевск, 1997. -С. 179-184.

5. Липанов A.M., Кизнерцев СР., Шелковников Е.Ю. и др. Адаптивное сканирование образцов в методах туннельной микроскопии // Сб. докл. Второй Междунар. конф. по внутрикамерным процессам и горению (ICOC-96).- Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 1997.-С.537-543.

6. Кизнерцев СР., Шелковников Е.Ю., Гуляев П.В. Пьезопреобразователь для сканирующего туннельного микроскопа // Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997.- С89-91.

7. Гуляев П.В., Кизнерцев СР., Коротаев М.Н. Адаптивный сканирующий туннельный микроскоп // Кластерные системы и материалы. Новые высокие технологии быстрого моделирования и прототипирования: Тезисы докл. науч. молодежной школы-Ижевск, 1997.-С19.

8. Кузнецов П.Г., Кизнерцев СР., Шелковников Е.Ю. Аппаратурная и программная реализация метода сканирующей туннельной спектроскопии // Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов-Барнаул, 1997.-С62.

9. Кизнерцев СР., Шелковников Е.Ю., Барков А.Ю. Повышение точности выделения информации в туннельном микроскопе // Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов.-Барнаул, 1997.-С95-97.

10. Шелковников Ю.К., Гуляев П.В., Кизнерцев СР. Адаптивное считывание информации в туннельном микроскопе // Информационно-измерительные системы на базе наукоемких технологий. Труды науч.-молодеж. школы- Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 1998.—С.108-111.

11. Гуляев П. В., Кизнерцев СР., Леньков СВ. Активная система виброзащиты сканирующего туннельного микроскопа // Тезисы докл. 5 Российской Университет-ско-академической конф.- Ижевск, 2001.- Ч.9.- С.136-137.

12., Плетнев МА., Морозов С.А., Кизнерцев СР. Электрохимические исследования поликристаллического железа методами сканирующей туннельной микроскопии // Тезисы докл. 5 Российской Университетско-академической конф.- Ижевск, 2001.-С134-135.

13. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников ЕЛО., Кизнерцев СР. Система активной виброзащиты сканирующего туннельного микроскопа // Химическая физика и мезоскопия.- 2ООЗ.-Т.5.-№2.- С.260-267.

14. Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю., Кизнерцев СР. Адаптивная дискретизация растровых изображений в туннельном микроскопе // Химическая физика и мезоскопия.- 2ООЗ.-Т.5.-№2.- С.268-275.

15. Чухланцев КА, Шелковников ЕЛО., Кизнерцев СР., Гудцов Д.В. Аппаратурные и конструктивно-технологические особенности многоцелевого СТМ на основе сигнального процессора // Материалы НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства».- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003г.- С. 161-164.

16. Кизнерцев СР., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю. Технология изготовления

адаптивного пьезосканера сканирующего туннельного микроскопа // Материалы НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства».-Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003г.-С.165-171.

17. Гуляев П.В., Кизнерцев СР., Шелковников Е.Ю. Универсальный измерительный стенд для экспериментальных исследований метрологических характеристик СТМ // Материалы НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства».- Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003г.- С.172-177.

18. А.В. Тюриков, Е.Ю. Шелковников, СР. Кизнерцев, Расчет СТМ-спектров переходных металлов // Материалы НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образование и производства»: Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004.- 157-160.

19. А.М. Lipanov, A.V. Tyurikov, E.Yu. Shelkovnikov, P.V. Gulyaev, S.R Kiznertsev, Method of obtaining the throretical STM-spectra of ultradispersed particles // Scanning Probe Microscopy - 2004.- International Workshop: Nizhny Novgorod, IPM RAS.-p.l68-170.

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

21. Патент на полезную модель 35489 МПК 7 H02N2/00, H01L41/09. Пьезома-нипулятор / Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников Е.Ю., Кизнерцев СР.

22. Патент РФ №2205474 МКИ H01L41/09, Н02 N 2/00. Устройство для микроперемещений / Липанов A.M., Кизнерцев СР., Тюриков А.В. и др.

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

24. 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.

Пописано в печать 23.11.2004 Бумага офсетная Формат 60x84/16 Объем 1,2 п.л. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии ИПМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 ИД №04847 от 24.05.2001

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ПРИМЕНЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Изучение кластерных материалов с применением СТМ.г.

1.2. Пьезоэлектрические устройства туннельного микроскопа и технология их изготовления.

1.3. Измерительные иглы СТМ и методы их получения.

1.3.1. Электрохимический процесс анодного растворения металлов.

1.3.2. Обзор методов изготовления игл туннельного микроскопа.

1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ.

2.1. Общая модель для анализа процесса химического травления широкой пластины.

2.2. Моделирование процесса химического травления измерительной иглы.

2.2Л. Модель травления зондирующего острия.

2.2.2.0сновные положения и допущения.

2.2.3. Граничные и начальные условия задачи травления цилиндра.

2.2.4. Дискретные аналоги уравнений в частных производных для двухмерных задач.

2.2.5. Расчет поля скоростей.

2.2.6. Вычисление поля концентраций.

2.2.7. Адаптация конечно-разностной сетки к условиям задачи.

2.2.8. Результаты моделирования.

2.3. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИГЛ.

3.1. Общие положения.

3.1.1. Приготовление заготовок образцов.

3.1.2. Выбор электролитов.

3.2. Обоснование режима травления.

3.3. Нахождение оптимального состава электролита.

3.4. Определение оптимальных режимов травления на переменном токе.

3.5. Разработка установок для изготовления измерительных игл.

3.5.1. Устройства для получения игл.

3.5.2. Формирование зондирующих острий в трехэлектродной электрохимической ячейке.

3.5.3. Устройство для получения многоступенчатых заготовок измерительных игл.

3.6. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ СТМ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КЛАСТЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Отличительные характеристики измерительной головки туннельного микроскопа для изучения металлических ультрадисперсных частиц.

4.2. Технология изготовления систем защиты измерительной головки от внешних воздействий.Х

4.2.Х. Система защиты от внешних акустических и электромагнитных воздействий. Х

4.2.2. Система виброзащиты СТМ.Х

4.3. Технологические отличия создания пьезосканеров.Х

4.4. Технологические особенности изготовления инерционного т привода.X

4.5. Конструкция туннельного микроскопа и технологические особенности его сборки.12Х

4.6. Выводы по главе 4.Х

ГЛАВА 5. ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТМ.ХЗО

5.Х. Общие положения.ХЗО

5.2. Аппаратура и методы технической и метрологической диагностики пьезоэлектрических устройств.Х

5.3. Методы и средства настройки установки для травления игл.Х

5.4. Особенности программно-аппаратурного обеспечения универсальной измерительной головки.Х

5.5. Выводы по главе 5.Х

Актуальность темы связана с необходимостью получения наиболее полной измерительной информации о геометрических параметрах ультрадисперсных частиц (УДЧ) с размерами 10-1000А для создания кластерных материалов (КМ) с уникальными сочетаниями механических и физико-химических свойств. КМ на основе УДЧ обладают принципиально новыми механическими, магнитными, каталитическими и другими физико-химическими свойствами, в связи с чем находят широкое применение во всех областях науки и техники.

Получение измерительной информации с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) требует последовательного выполнения двух этапов: обнаружения частиц на большой площади поверхности образца ~(10х10 мкм ) с относительно невысоким разрешением и определения геометрических параметров частиц (площадь исследуемой области ~100x100 А2) с высоким (атомарным) разрешением. Очевидно, что оба этапа должны выполняться без замены сканирующего устройства (пьезосканера) невысокого разрешения на сканирующее устройство высокого разрешения, поскольку при такой замене теряется «привязка» сканирующего устройства к координатам обнаруженных частиц.

В результате возникает необходимость в создании универсальной измерительной головки, позволяющей без смены иглы и пьезосканера осуществлять изучение поверхности на воздухе и в жидких агрессивных средах как с невысоким, так и с высоким (атомарным) разрешением. Очевидно, что к экс-плутационным и метрологическим характеристикам пьезоэлектрических устройств и измерительных игл универсальной измерительной головки СТМ предъявляются повышенные требования.

Использование в универсальной головке многосекционных сканеров, имеющих для исследования с высоким и невысоким разрешением отдельные секции, затруднено по двум причинам. Первая - сложность изготовления, вторая - затрудненность согласования по точности и диапазону перемещений привода образца и секции высокого разрешения сканера. Устранение этих причин требует разработки специализированных пьезоустройств, отличающихся повышенной сложностью изготовления, а также детальной проработки технологических процессов, обеспечивающих достижение заданных характеристик этих пьезоустройств. При этом для использования усложненных механических конструкций следует предусмотреть дополнительные элементы виброакустической, электромагнитной и электростатической защиты.

Основные проблемы в области изготовления игл для СТМ заключаются в следующем. Для изготовления платиново-иридиевых игл обычно применяют метод механического среза (совмещенного с вытягиванием и разрывом места среза). При этом плохая воспроизводимость формы острия таких игл не позволяет применять их для изучения микроучастков поверхности с резкими перепадами высот. Все это делает актуальной задачу создания конусообразных измерительных игл (ИИ) с острием стабильной макроскопической формы, завершающимся одним атомом. Наиболее часто для создания используемых в СТМ вольфрамовых и платиново-иридиевых ИИ используется процесс электрохимического" травления металлических заготовок цилиндрической формы, однако сопутствующая такому травлению электрохимическая полировка конического острия не позволяет получить требуемое разрешение СТМ. Поэтому необходимы надежные средства исключения электрополировки атомарных микровыступов кончика игл.

Таким образом, исследования в области технологии изготовления специализированного СТМ, предназначенного для изучения УДЧ КМ с высоким разрешением и большим полем зрения имеют важное значение для создания новых материалов и являются актуальными.

Цель работы - разработка теоретических основ технологического и аппаратурного обеспечения специализированного сканирующего туннельного микроскопа для изучения ультрадисперсных частиц, используемых при создании перспективных кластерных материалов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- создать расчетную модель для описания процесса изготовления иглы методом химического травления;

- разработать технологию изготовления измерительных игл с повышенной жесткостью острия и с устранением процесса электрополировки его атомарных микровыступов в момент перетравливания заготовки;

- разработать технологию изготовления пьезосканеров с улучшенными метрологическими характеристиками;

- разработать технологию изготовления высокоточного инерционного пьезопривода образца;

- разработать технологию и оборудование для изготовления измерительных игл, пьезопреобразователей и других подсистем СТМ;

- создать средства программно-аппаратурной диагностики универсальной измерительной головки.

Объектом исследования является СТМ для изучения КМ, включающий измерительную иглу, программно-аппаратурные средства для выделения, обработки и визуализации измерительной информации.

Предметом исследования являются модели измерительной иглы и ее заготовок, модели химического процесса изготовления ИИ, программно-аппаратурное обеспечение СТМ.

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: численные методы, цифровая обработка изображений и сигналов, теоретические основы информатики и программирования, принципы и методология разработки САПР. В экспериментальных исследованиях применялись: теория измерения электрических и механических величин, статистические методы обработки результатов исследований, теория точности измерительных систем.

Научная новизна работы состоит в следующих результатах:

- предложена исключающая электрополировку атомарных микровыступов кончика острия технология изготовления игл, в которой переход от электрохимической к химической обработке осуществляется непосредственно перед моментом перетравливания «шейки» иглы, а окончательное пере-травливание «шейки» осуществляется химическим способом;

- созданы модель и методика численного моделирования протекания процессов химического травления игл на основе уравнений гидродинамики и уравнений химической кинетики; численные исследования, выполненные с помощью модели, позволили определить оптимальную форму «шейки» заготовки иглы в момент перехода от электрохимической к химической обработке заготовки;

- исследованы различные составы раствора электрохимической ячейки; установлено, что оптимальным составом для электрохимической-химической обработки «шейки» вольфрамовой иглы является раствор: \ часть 10% КОН и 6 частей 10% КзРе(С1М)б; обосновано применение вспомогательного нейтрального раствора ССЦ в донной части ячейки, позволившего снизить влияние сил поверхностного натяжения основного раствора на фор* му «шейки» заготовки ИИ и, соответственно, на радиус закругления и жесткость кончика иглы; предложено размещать основную часть заготовки в нейтральном растворе;

- обосновано применение в специализированном СТМ для изучения кластерных материалов многосекционного пьезосканера и комбинированного пьезоэлектрического-электродинамического привода образца; установлен ряд технологических особенностей изготовления данных пьезоустройств; показано, что при изготовлении межэлектродной изоляции пьезосканера следует сочетать механическое удаление с локальным химическим вытравливанием электродов; при изготовлении корпуса комбинированного пьезопривода сближения следует использовать немагнитные материалы, при изготовлении электродинамического источника - постоянные магниты; рекомендован импульсный режим работы электродинамического источника, позволяющий снизить величину термодрейфов.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Способ электрохимической-химической обработки «шейки» иглы, позволяющий исключить электрополировку атомарных микровыступов ее кончика. Схема установки для изготовления игл данным способом с наклонным расположением заготовки.

2. Методика моделирования процесса химического травления «шейки» заготовки иглы.

3. Схема электрохимической ячейки с нейтральным раствором в нижней ее части и активным электролитом в верхней части, расположением заготовки в нейтральном растворе и рабочей зоной перетравливания «шейки» заготовки на границе раздела двух сред, позволяющая изготавливать иглы с повышенной жесткостью ее кончика.

4. Технологические особенности изготовления многоэлектродного пьезосканера (использование скрайбирования и локального травления для получения межэлектродной изоляции) и комбинированного пьезоэлектрического-электродинамического привода сближения (применение немагнитных материалов, постоянных магнитов).

5. Методы и средства технической диагностики пьезоустройств, основанные на применении серийно выпускаемых измерительных приборов.

Достоверность полученных результатов основывается на данных натурных испытаний, использовании аттестованных измерительных средств, согласованности расчетных и экспериментальных данных.

Практическая ценность и внедрение результатов работы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить задачу создания универсальной измерительной головки, а также технологического и программно-аппаратурного обеспечения СТМ для изучения КМ.

Рекомендации по выбору химического состава раствора (сочетание 10% раствора красной кровяной соли (КзРе(С1М)б) и 10% раствора КОН в соотношении 6:1 соответственно) электрохимической ячейки для изготовления вольфрамовых измерительных игл позволяют изготавливать иглы при малых и нулевых (химическое травление) токах с высокой степенью контроля за формой игл. Применение данного раствора в сочетании с СС14 в донной части электрохимической ячейки позволяет изготавливать многоступенчатые иглы с высокой жесткостью и повторяемостью формы ее кончика.

Предложены технология и схемы установок для изготовления игл, в которых наклонное расположение заготовки иглы позволяет непосредственно перед отрывом нижней ее части определять момент времени перехода от электрохимического травления к химическому.

Методы и средства диагностики пьезоустройств, основанные на использовании серийно выпускаемых измерительных приборов, достаточно просто реализуемы.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и совершенствовании программно-аппаратных средств и методов для изучения параметров микрорельефа КМ и электрофизических характеристик реконструированных поверхностей, а также в учебном процессе ИжГТУ.

Работа выполнялась в соответствии с планами госбюджетных НИР, проводимых ИПМ УрО РАН: «Разработка программно-аппаратных средств и методика изучения КМ на базе СТМ» (1990-2000г.), «Исследование закономерностей формирования кластеров и мезокомпозитов» (2000-2005г.), а также НИР, выполненных УДГУ в рамках научной программы «Университеты России - фундаментальные исследования»: «Разработка программно-аппаратных средств и исследование связей атомной структуры, электронного строения и химического состава с целью оптимизации электрофизических характеристик реконструированных поверхностей» (1995-1997г.) и «Разработка и исследование новых методов сканирующей туннельной микроскопии» (1998-1999г.).

Апробация и публикации.

Основной материал диссертации отражён в 24 научных публикациях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и приложения (акты об использовании результатов работы). Работа содержит 161 стр. машинописного текста, включая 51 рис. и приложение.

5.5. Выводы по главе 5

1. Предложена методика испытаний инерционного пьезоэлектрического привода с электродинамическим источником вспомогательного воздействия на перемещаемый объект. В методике определение средней величины шагового перемещения после серии управляющих импульсов позволяет определять не только скорость и точность перемещений привода, но и оптимальные режимы его работы.

2. Для технической диагностики инерционного пьезоэлектрического привода с электродинамическим источником вспомогательного воздействия на перемещаемый объект в аппаратуре диагностики следует заложить токовые ключи для управления электродинамическим источником, возможности задания числа управляющих импульсов для определения средних шага и скорости привода.

3. При изготовлении программно-аппаратурных СТМ для изучения ультрадисперсных частиц следует применять управляющие блоки, позволяющие выполнять большой объем вычислений для реализации методов адаптивного управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе комплексных исследований разработаны теоретические основы технологического и аппаратурного обеспечения сканирующего туннельного микроскопа для изучения ультрадисперсных частиц кластерных материалов. Разработка данных основ позволила решить задачи создания высокожестких зондирующих игл, пьезосканера с высоким разрешением и большим полем зрения, необходимых для создания на базе СТМ прибора для контроля дисперсности частиц. В ходе работ был получен ряд научных результатов, основные из которых приведены ниже.

1. Предложена технология изготовления игл с последовательным переходом от электрохимического к химическому травлению, позволяющая исключить электрополировку атомарных микровыступов кончика острия игл и повысить разрешающую способность СТМ. Установлен химический состав раствора электрохимической ячейки, позволяющий реализовать предложенную технологию - смесь 10% КОН и 10 % К3Ре (С1Ч)б в соотношении 1:6 соответственно.

2. Создана модель процесса изготовления игл методом химического травления, основанная на уравнениях гидродинамики и химической кинетики. Проведены численные исследования этой модели, которые позволили получить рекомендации по формированию малого радиуса кончика и необходимого профиля зондирующего острия, а также определить оптимальную форму «шейки» заготовки иглы- в момент перехода от электрохимической к химической обработке заготовки.

3. Предложено наклонное расположение заготовок игл, позволяющее определять момент отрыва нижней относительно «шейки» части заготовки по началу ее колебательного движения. В качестве регистрирующего устройства данного движения предложено использовать оптические средства, для которых разработаны схемы реализации.

4. Для изготовления игл или предварительной обработки заготовки в большом объеме электролита предложено осуществлять травление на границе раздела двух сред — нейтральной с высокой плотностью в донной части ячейки и активной в верхней. Установлено, что для вольфрамовых игл этими средами могут быть СС14 и 5% раствор КОН, ЫаОН или смесь КОН с К3Ре(СМ)б. При этом для изготовления высокожестких многоступенчатых игл заготовку иглы следует располагать в нейтральном растворе (для снижения площади смачивания).

5. Обосновано применение (в специализированном СТМ для контроля дисперсности УДЧ КМ) многосекционного пьезосканера, комбинированного пьезоэлектрического — электродинамического привода образца и многоступенчатой системы виброакустической, электростатической и электромагнитной защиты. Предложены конструкции и представлены основные технологические особенности изготовления данных устройств.

6. Показано, что для изготовления межэлектродной изоляции многосекционного пьезосканера следует применять механическое удаление верхней части покрытия и локальное травление оставшегося покрытия с последующим мониторингом характеристик сканера.

7. Определены материалы и режимы работы комбинированного привода образца СТМ. Установлено, что для снижения температурных дрейфов привода целесообразно в его электродинамической системе применять постоянные магниты и импульсные режимы работы.

8. Разработаны средства диагностики СТМ и его отдельных блоков. Предложены методики диагностики работоспособности сканера, комбинированного пьезопривода образца, системы регулирования туннельного промежутка, а также зависящих от них метрологических характеристик СТМ.

1. Губин С.П. Химия кластеров - достижения и перспективы // ЖВХО им. Д.И.Менделеева.-1987.-Т.32.-1.-С. 3-11.

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

3. Фёдоров Б.В., Тананаев И.В. Энергонасыщенные системы и кластеры // ЖВХО им. Д.И.Менделеева.-1987.-Т.32—№ 1 -С. 43-47.

4. Словохотов Ю.Л., Стручков Ю.Т. Архитектура кластеров // ЖВХО им. Д.И.Менделеева.—1987-Т.32.-№1- С. 11-19.

5. Пискорский В.П., Липанов A.M., Балу сов В. А. Магнитные свойства ультрадисперсных (кластерных) частиц//ЖВХО им. Д.И.Менделеева.-1987-Т.32.-Ш.-С. 47-51.

6. Новиков Ю.Н., Вольпин Е.В. Кластеры металлов в матрице графита и их каталитические свойства // ЖВХО им. Д.И.Менделеева.-1987.-Т.32-№1- С. 69-75.

7. 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.

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

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

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

11. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ М.:- Химия, 1985.- 592с.

12. Кодолов В.И., Липанов A.M. // Кластерные системы и технологии быстрого моделирования и прототипирования / С.3-15.

13. Кипнис А .Я. Кластеры в химии.- М.: Химия, 1981- 64с.

14. Липанов A.M., Бесогонов А.П. плазмогазодинамическая установка для получения и сбора кластеров //Кластерные материалы:Докл. 1 Всесоюзн. конф.-Ижевск, 1991.- С.95-99.

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

16. Липанов А.М., Вахрушев A.B., Шуппсов A.B., Стремоусов Ю.А. Исследования диспергирования порошков до ультрадисперсного состояния при энергетическом воздействии //Прикладная механика 1991- Т.27 - №2 — С. 160165.

17. Липанов А.М., Вахрушев А.В.Задача о диспергировании порошковых материалов взрывом //Прикладная механика- 1991.-Т.27 №2 - С.47-53.

18. Канунникова О.М., Гильмутдинов Ф.З., Кожевников В.И., Трапезников В.А. Методы фотоэлектронных исследований неорганических материалов,-Ижевск: изд-во Удм. ун-та, 1992-250с.

19. Лихтенштейн Г.И. Кластеры в биологических объектах // ЖВХО им. Д.И.Менделеева.-1987.-Т.32.-№ 1.- С.61 -69.

20. Хохряков Н.В. Параметрический метод сильной связи для расчёта физических свойств углеродных систем: Дис.канд. физ.-мат. наук Ижевск, 1996.-100с.

21. Елецкий A.B., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода // УФН-1995.- Т. 165.- С.977-1009.

22. Пасынский A.A., Еременко И.Л. Химическое конструирование гетероме-таллических магнитоактивных кластеров // ЖВХО им. Д.И.Менделеева-1987.-t.32—№1- С.88-96.

23. Кукина М.А., Подольская И.П. Кластеры в процессах очистки углеводородных фракций // ЖВХО им. Д.И.Менделеева.-1987.-Т,32-№1.- С.51-55.

24. Костикова Г.П., Корольков Д.В. Особенности электронного строения кластерных комплексов переходных металлов // ЖВХО им. Д.И.Менделеева-1987-Т.32.—№1.- С.55-61.

25. Липанов А.М. и др. Установка для диспергирования порошковых частиц при сбросе давления // Кластерные материалы: Докл. 1 Всесоюзной конф.-Ижевск, 1991.- С.95-98.

26. Лахно В.Д. Кластеры в физике, химии, биологии.- Ижевск: НИЦ РХД, 2001.-256с.

27. Васильков А.Ю. и др. Криохимический синтез нанометровых металлических частиц контролируемой нуклеарности //Кластерные материалы: Тез. докл. 1 Всесоюзной конф.-Ижевск, 1991.- С. 18.

28. Белошапко А.Г. и др. Ударноволновой синтез оксидных порошков в ультрадисперсном состоянии // Кластерные материалы: Тез. докл. 1 Всесоюзной конф.-Ижевск, 1991.- С. 10.

29. Норматов И.Ш., Гаибуллаева З.Х, Мирсаидов У. Получение и исследование мелкодисперсных порошков кобальта // Кластерные материалы: Тез. докл. 1 Всесоюзной конф.- Ижевск, 1991.- С. 51.

30. Оленин А.Ю. Воздействие ультразвукового поля на процессы нуклеации кластеров металлов // Кластерные материалы. Тез. докл. 1 Всесоюзной конференции.-Ижевск, 1991.- С. 55.

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

32. Анализ поверхности методами оже и рентгеновской спектроскопии / Под ред. Д.Бриггса и М.П.Сиха. М.: Мир, 1987.-598с.

33. Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела — М.: Мир, 1980.- 448с.

34. Кук И., Силверман П. Растровая туннельная микроскопия // ПНИ.—1989-№2 —С.3-22.

35. Липанов A.M., Шелковников Е.Ю., Волгунов Д.В., Миронов В.Л., Петру-хин A.A. Сканирующий туннельный микроскоп для исследования поверхности кластерных материалов //Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов. Барнаул, 1997. - С.81-82.

36. Шелковников Е.Ю. Измерение параметров микрорельефа поверхности кластерных материалов с помощью туннельного микроскопа // Информационно-измерительные системы на базе наукоёмких технологий. -Ижевск С.40-48.

37. Шелковников Е.Ю., Осипов Н.И., Фофанов Г.В. Исследование кластерных материалов с помощью сканирующего туннельного микроскопа // Кластерные системы и материалы. Ижевск, 1997. - С.43.

38. Липанов A.M., Шелковников Е.Ю., Кизнерцев С.Р. Применение туннельной микроскопии и спектроскопии для исследования кластерных материалов // Новые высокие технологии быстрого моделирования и прото-типирования. Ижевск, 1997. - С. 179-184.

39. Эдельман B.C. Сканирующая туннельная микроскопия // ПТЭ.-1989-№5 С.25-49. .

40. Bykov V.A. et al. Peculiarities of SPM design and methods for biology application // Scanning Probe Microscopy 2002: Proceedings of International Workshop.- N. Novgorod, 2002.- P. 261.

41. Bykov V.A. Modern Tendency of SPM Technique Developments //Scanning Probe Microscopy — 2002: Proceedings of International Workshop.- N. Novgorod, 2002.- P. 78.

42. Липанов A.M., Кизнерцев С.P., Шелковников Е.Ю. Программно-аппаратурное и технологическое обеспечение сканирующего туннельного микроскопа // Современные проблемы внутренней баллистики РДТТ.-Ижевск, 1996.- С.276-285.

43. Касаткин Э.В., Небурчилова Е.Б. Сканирующая туннельная микроскопия поверхности платины при контролируемом потенциале и аппаратура для таких измерений //Электрохимия-1996.-Т. 32.-№8.-С. 917-927.

44. Uosaki R., KitaH. // J. Vac. Sei. and Technol. A.-1990.-V8.-N1.-P.520.

45. Italya K., Sugawara S., Sachikata K, Furuya N. // J. Vac. Sei. and Technol. A.-1990.-V8.-N1.-P.515.

46. Данилов А.И. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности //Успехи химии,1995.-Т.64,-№8.-С. 818-833.50.