Наноматериалы для радиоэлектронных средств. Ч. 1. Подготовка сканирующего туннельного микроскопа к диагностике и модификации наноматериалов (96

2) увеличивается число		источников		U
шума Uшум и паразитной генерации					Uшум	T1
(рис. 2.9). Например, шум и генерацию
может вызывать источник постоянного				0		t
смещения, подключаемый		ко	входу	Uшум		T2
ВВУ для смещения синусоиды генера-
тора вверх. Поэтому измерения шумо-
вого напряжения следует проводить бо-				0		t
лее тщательно	(например,	отключать
генератор и источник постоянного сме-				U	шум	T3
щения). Все найденные источники по-
грешностей нужно перечислить.
				0		t
2.4. Контрольные вопросы
1. Каковы	назначение	и	состав		Рис. 2.9
ВВУ?

2.Каковы характерные значения напряжений, токов, сопротивлений при работе ВВУ?

3.Почему в состав каждого канала ВВУ входит сумматор со взвешиванием?

4.Из каких соображений выбирают конкретные значения большого и малого шагов перемещений?

5.Можно ли так изменить схему сумматора со взвешиванием, чтобы избавиться от инвертора?

6.Опишите работу высоковольтного транзистора в схеме ВВУ.

7.Как изменится Kус ВВУ, если взять R = r в схеме с высоковольтным транзистором?

8.Каковы должны быть сопротивления R и r, чтобы ОУ не сгорел от высокого напряжения?

9.Каковы характерные значения выходной емкости ВВУ и чем они определяются?

10.Что можно сделать, чтобы довести максимальную скорость перемещения Vmax до скорости звука?

21

Работа № 3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНЕРЦИАЛЬНОГО НАНОДВИГАТЕЛЯ СТМ

Цель работы — изучение методики перемещения зонда СТМ на макроскопические расстояния нанометровыми шагами и закрепление теоретических знаний о нанодвигателях для модификации или диагностики наноматериалов.

3.1. Теоретическая часть

Для модификации и диагностики наноматериалов можно применять зонд (иглу) СТМ (рис. 3.1), перемещаемый с помощью двигателя в нанометровом диапазоне относительно наноматериала, нанесенного на проводящую подложку. Управляющие напряжения порядка нескольких вольт из ПЭВМ через интерфейс поступают в высоковольтный усилитель (ВВУ), где увеличиваются до сотен вольт для получения микронных перемещений в пьезокерамическом двигателе. Чтобы приблизиться к подложке на рабочее расстояние порядка 10 нм, нужно преодолеть начальный зазор между иглой и подложкой порядка 1 см. Этот сантиметровый начальный зазор обеспечивает пространство для замены иглы и подложки. Поэтому нанодвигатель СТМ должен обеспечивать перемещения как в рабочем нанометровом диапазоне по всем трем осям X, Y, Z, так и в сантиметровом диапазоне самое меньшее по одной оси Z перпендикулярно подложке. Для этого нанодвигатель СТМ делают из двух ступеней — грубой и точной. Точная ступень обеспечивает перемещения в диапазоне порядка 1 мкм с погрешностью 0,01 нм (значение одного шага).

Грубая ступень служит для перемещения иглы субмикронными шагами на сантиметровые расстояния (рис. 3.2). Один шаг грубой

22

ВВУ

	Осциллограф					Грубая ступень
						∆Z = 1 см ± 0,5 мкм
Двигатель						Точная ступень ∆X, ∆Y,
						∆Z = 1 мкм ± 0,01 нм
Зонд (игла)		Интерфейс
						Зонд (игла)
Y
			ПЭВМ
X
Z
	Рис. 3.1					Рис. 3.2

ступени должен быть меньше, чем весь диапазон перемещения точной ступени, чтобы избежать касания подложки иглой при их начальном сближении.

Точная ступень нанодвигателя часто представляет собой трипод из пьезокерамики (рис. 3.3). Здесь цифрами 1, 2, 3 обозначены бруски длиной около 5 см из пьезокерамики, соединенные (склеенные) под прямым углом в одной точке — вершине пирамиды, причем другие концы брусков жестко прикреплены болтами к массивному стальному основанию.

Когда бруски удлиняются или укорачиваются в нанометровом диапазоне вдоль своих осей (X, Y или Z), точка их соединения перемещается примерно на такие же расстояния. При этом изгибом брусков можно пренебречь из-за малого отношения длины бруска к ее изменению. К точке соединения прикрепляют тот объект, который нужно перемещать в нанометровом диапазоне (цифра 4 на рис. 3.3).

На боковые стороны каждого пьезокерамического бруска нанесены электроды в виде полосок (рис. 3.4) так, что получается конденсатор, содержащий пьезокерамику в качестве диэлектрика. Брусок изготовляют таким образом, что в нем есть внутреннее электрическое поле с напряжением Евнутр (пьезокерамика поляризована). К электродам прикладывается напряжение от внешнего ис-

23

	3	2
		1
	4
	Z	Евнутр

1

YX

	2
1	2
	Евнешн

Рис. 3.3		Рис. 3.4

точника, создающее внешнее электрическое поле с напряжением Евнешн. Когда направления Евнешн и Евнутр совпадают, брусок сжимается в направлении поперек поля (цифра 1 на рис. 3.3) и одновременно расширяется в направлении вдоль поля (цифра 2 на рис. 3.3).

Значения расширения и сжатия пропорциональны напряженности внешнего поля Евнешн (рис. 3.5). Образец в виде кубика со стороной h расширится вдоль поля и сожмется поперек поля на

∆h = KпьезоЕвнешн. Здесь коэффициент пропорциональности Kпьезо имеет характерное значение 0,1 нм/(В/см), т. е. во внешнем поле Евнешн = 1 В/см кубик удлинится на 0,1 нм вдоль направления поля и примерно на столько же укоротится в поперечном к полю направлении. Если брусок составлен из таких кубиков в направлении поперек поля, то укорочения кубиков складываются. Поэтому сокращение длины бруска ∆L пропорционально его длине L (см. рис. 3.5), напряжению U и обратно пропорционально толщине бруска

	∆L = Kпьезо	U	L.	(**)
		h2

При подаче напряжений UX, UY, UZ на соответствующие бруски X, Y, Z трипода они укорачиваются в нанометровом диапазоне вдоль своих осей X, Y, Z, и точка их соединения перемещается в нужном направлении.

24

					N
				Fтр
	∆h				m
		∆h ∆h = KпьезоЕвнешн
h					Fи = ma0
	h
		Сжатие ∆L = L∆h/h			N
∆h Утолщение			∆L			Fтр
					m

Евнутр	Евнешн
h
	Fи = ma1

L

Рис. 3.5 Рис. 3.6

Грубую ступень нанодвигателя можно выполнить в виде инерцоида (рис. 3.6). Масса m, которую нужно переместить, прижата к основанию силой N, так что сила трения покоя Fтр = µN, где µ — коэффициент трения между телом и основанием. С помощью двигателя основанию сообщается ускорение а0, поэтому на тело m в противоположных направлениях действуют сила трения Fтр и сила инерции Fи = ma0. Пока сила инерции меньше силы трения, тело неподвижно относительно основания и перемещается вместе с ним. Когда сила инерции Fи = ma1 превысит силу трения Fтр, тело начнет двигаться в противоположном направлении — скользить, пока ускорение а1, создаваемое двигателем, не уменьшится до прежнего уровня. Таким образом, один шаг инерцоида состоит из импульса ускорения со стороны двигателя, вызывающего проскальзывание тела по основанию. Направление шага противоположно направлению скачка ускорения.

Для управления инерцоидом желательно регулировать три параметра: 1) значение и направление скачка ускорения ∆а; 2) дли-

тельность τ этого скачка; 3) силу трения Fтр. Силу инерции Fинерц = = ma регулируют, задавая ускорение непосредственно с помощью двигателя. Если двигатель перемещает тело вдоль оси X по заданному закону X(t), то скорость меняется по закону V(t) = dX(t)/dt,

25

а ускорение a(t) = dV(t)/dt = d2X(t)/dt2. Силу трения Fтр = µN можно регулировать, изменяя силу прижима N. Это можно делать с помощью пружины, а также прикладывая к основанию ускорение вдоль линии действия силы N.

Получить скачок ускорения ∆а можно с помощью пилообразного закона движения X(t) (рис. 3.7). У такого способа есть следующие недостатки:

1)наличие лишнего скачка а1, что приводит к проскальзыванию в обратном направлении;

2)продолжительности скачка скорости τ0 и скачка ускорения τ1 не регулируются, так как определяются внутренними RC- параметрами схем, обеспечивающих движение X(t).

Этих недостатков лишена схема движения X(t) по параболе (рис. 3.8). Вместо двух неконтролируемых продолжительностей скачков скорости τ0 и ускорения τ1 здесь осталась одна — продолжительность τ0 перехода от одной параболы к соседней в месте их пересечения. Скачок ускорения а1 всегда имеет нужный знак, поэтому нет обратного проскальзывания.

Параболический закон движения основания X(t) задается с помощью ПЭВМ. Программа последовательно выводит табулированные значения Xn через интерфейс в виде значений напряжения Un. Эти значения Un поступают в высоковольтный усилитель

(ВВУ) и далее на обкладки бруска оси Z пьезотрипода, где они превращаются в значения координаты Zn по формуле (**).

Роль основания играет сантиметровой длины трубка 2 (рис. 3.9), прикрепленная к вершине трипода 4 (см. рис. 3.3). Вдоль этой трубки может проскальзывать зонд 1 (см. рис. 3.9) — игла в виде заостренной проволоки диаметром около 1 мм, прочно закрепленная в позолоченном держателе 3, который прижимается к нижней части трубки плоской пружиной 4.

Наименьшая продолжительность одного шага инерцоида равна периоду повторения Т параболического закона движения (см. рис. 3.8). В течение скачка ускорения а1 держатель иглы скользит внутри трубки 2 (см. рис. 3.9), преодолевая силу трения Fтр = µN. Здесь сила прижима N равна сумме силы тяжести держателя 3 и силы сжатия пружины 4.

26

X(t)

τ0

X0

0	T
		t
V(t)	V0	= X0/T
V0

0	t

V1 V1 = X0/τ0

τ1

a(t)

a1

a1 = V1/τ1

a0 = 0

0

t

a1

Рис. 3.7

X(t)

X0

0T/2

V(t) V0

0

V0

a(t)

a0

τ0

T t

V0 = X0/T

t

a0 = V0/(T/2)

0	t

a1 a1 = 2V0/τ0

Рис. 3.8

Наименьшая воспроизводимая длина шага скольжения тела по основанию зависит от шероховатостей соприкасающихся поверх-

	ностей и от условий скольжения (например,
	от наличия промежуточных частичек или	4
	смазывающего слоя). С целью избавиться	1
	от этой зависимости, желательно устранять
	контакт между телом и основанием на вре-	2
	мя скольжения так, чтобы во время скачка
		3
	ускорения а1 тело свободно летело над по-
	верхностью основания, не соприкасаясь с	Рис. 3.9
	ним. Для этого на время действия скачка а1
		27

смещают трубку вниз на заданное расстояние путем подачи прямоугольного импульса напряжения на бруски X и Y пьезотрипода (см. рис. 3.3). В результате наименьшая воспроизводимая длина одного шага достигает 30 нм.

3.2.Расчетная часть

•Расчитать параметры (длину L и толщину h — см. рис. 3.5) брусков X, Y, Z для пьезотрипода, необходимого для перемещения держателя иглы на расстояние 1 мкм при наличии следующих требований:

1) пьезокерамика имеет коэффициент чувствительности

0,1 нм/(В/см);

2)напряжение от источника питания не должно превышать 300 В;

3)длина L не должна превышать 10 см;

4)толщина h не должна быть меньше 0,5 мм.

•Расчитать значение скачка ускорения а1, необходимого для начала скольжения держателя по основанию (по внутренней поверхности трубки) при наличии следующих требований:

1) масса держателя 1 г;

2) сила прижима N держателя к основанию равна силе тяжести, действующей на держатель;

3) коэффициент трения держателя по основанию равен 0,1.

•Сравнить найденное значение скачка ускорения а1 с ускорением свободного падения g и оценить длительность τ0 этого скачка, для которой перемещение за один шаг составляет 100 нм.

•Расчитать параметры (амплитуду U0 и период Т) параболического закона напряжения U(t) на пьезодвигателе, необходимого для инерциального перемещения держателя иглы при наличии следующих требований:

1)минимальный промежуток времени ∆t между последовательными значениями U(t) и U(t + ∆t) равен длительности вывода числа из ПЭВМ через интерфейс и составляет 50 мкс;

2)средняя скорость перемещения держателя 1 мм/мин;

3)длина одного шага перемещения 50 нм;

4)длительность одного шага 1 мс.

28

3.3.Экспериментальная часть

•Собрать схему измерения характеристик инерциального нанодвигателя под руководством преподавателя.

•Подготовить нанодвигатель. Для этого:

1)отсоединить провода X, Y, Z между нанодвигателем и выходом ВВУ;

2)очистить держатель иглы и внутреннюю поверхность трубки кусочком бумаги, смоченной в смеси спирта и воды. Бумагу проталкивать в трубку в виде комочка, как поршень, с помощью подобного игле стержня. Затем повторить процедуру, но применяя не мокрую, а сухую бумагу. Проверить визуально, не осталось ли бумажных волокон на держателе и трубке;

3)взяв пинцетом держатель иглы за кончик, расположить держатель внутри трубки примерно посередине так, чтобы кончик иглы выходил из трубки примерно на 2 мм;

4)расположить рядом с нанодвигателем линейку с миллиметровыми делениями, поместив большое деление на уровне кончика иглы.

• Подготовить для осциллографа щуп с делителем 1:10. С этим

щупом шкала «Вольт/Дел» осциллографа становится в 10 раз грубее, т. е. если переключатель «Вольт/Дел» установлен на «10», то при измерении щупом напряжения 10 В, на экране осциллографа отклонение составит не 1 клетку, а 0,1 клетки. Таким щупом измеряют высокие напряжения, поступающие с выхода ВВУ на обкладки пьезодвигателя.

•Соединить нанодвигатель, ВВУ, осциллограф, интерфейс ПЭВМ по разработанной схеме измерения.

•Измерить временные характеристики параболического напряжения на выходе ЦАП СТМ с помощью осциллографа и ПЭВМ. Для этого:

1) включить питание осциллографа, ПЭВМ и блока управления СТМ, как описано в работе № 1;

2) запустить программу управления СТМ в режиме инерцоида. Соединить вход осциллографа с выходом «Zб» ЦАП СТМ. Подстроить развертку, усиление и синхронизацию осциллографа, чтобы кривая занимала почти весь экран. Зарисовать осциллограмму с указанием всех ее параметров в клетках. Перевести клетки в соот-

29

ветствующие единицы (напряжения — в вольты, а длительности

—в миллисекунды);

3)изменяя параметры инерцоида в программе управления СТМ, изучить изменения осциллограмм. Отдельно в увеличенном виде измерить и зарисовать участок осциллограммы в области пересечения парабол;

4)выйти из режима инерцоида в программе управления СТМ (клавиша Esc).

• Подготовить ВВУ. Для этого:

1)убедиться, что включено питание ПЭВМ, блока СТМ и запущена программа управления СТМ;

2)Перед включением источника напряжения +300 В установить переключатель «V» (напряжение стабилизации) в положение «5», переключатель «mА» (ток стабилизации) — в положение «30»;

3)включить питание источника +300 В переключателем «Вкл», при этом загорится лампочка «Сеть» над переключателем. Переключателем «V» постепенно набирать напряжение +299 В, следя за индикатором «Режим стабилизации». Перед каждым повышением напряжения нужно убедиться, что этот индикатор из режима «Ток» вернулся в режим «Напряж»;

4)с помощью щупа с делителем 1:10 удостовериться, что напряжение на входе «+300» ВВУ равно +300 В.

• Измерить временные характеристики нанодвигателя. Для этого:

1)запустить режим инерцоида в программе управления СТМ;

2)щупом с делителем 1:10 измерить и зарисовать осциллограммы на выходах X, Y, Z ВВУ;

3)выйти из режима инерцоида в программе управления СТМ (клавиша Esc);

4)записать время начала измерения tнач в таблицу «Характеристики нанодвигателя» и запустить инерцоид клавишей «Пробел»;

5)следить за перемещением держателя иглы относительно из-

мерительной линейки. Когда перемещение ∆L достигнет заранее заданной величины (например, 2 мм), остановить инерцоид клавишей Esc. Записать время конца измерения tкон и ∆L в таблицу «Характеристики нанодвигателя». Зная длительность τ одного шага инерцоида, найти число шагов Nшаг и длину одного шага Lшаг;

30