WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

«Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» И.В. Гусенко «Лабораторные работы на ...»

Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

И.В. Гусенко

«Лабораторные работы на

сканирующем зондовом микроскопе»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Ростов-на-Дону

Гусенко И.В.

Лабораторные работы на сканирующем зондовом микроскопе:

Учебно-методическое пособие. Ростов-на-Дону, 2008. 54 с.

Данное учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Приборостроение».

Пособие содержит практические рекомендации по сканированию в контактном и полуконтактном режиме, также подробно рассмотрено устройство сканирующего зондового микроскопа.

Содержание Введение 5 Модуль 1: Устройство сканирующего зондового микроскопа 7

1. Устройство сканирующего зондового микроскопа 7 Блок подвода и сканирования 1.1. 8 Универсальное основание и позиционер 1.2. 9 Устройство измерительной головки 1.3. 9 Зондовый датчик для АСМ измерений 1.4. 11

2. Техника безопасности при работе с микроскопом 11 Контрольные вопросы 12 Тестовые задания 12 Модуль 2: Подготовка к работе микроскопа и сканирование в 15 контактном режиме Лабораторная работа №1: Подготовка к работе сканирующего 15 зондового микроскопа Лабораторная работа №2: Выбор конфигурации и процедура 22 регулировки уровня сигнала DFL Лабораторная работа №3: Подвод образца к зонду и установка 24 рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи Лабораторная работа №4: Установка параметров сканирования 28 Лабораторная работа №5: Сканирование и изменение параметров 30 сканирования Контрольные вопросы 33 Тестовые задания 33 Модуль 3: Сканирование в полуконтактном режиме 35 Лабораторная работа №6: Выбор конфигурации и установка 35 рабочей частоты пьезодрайвера Лабораторная работа №7: Установка начального уровня сигнала 41 Mag и подвод образца к зонду Лабораторная работа №8: Установка параметров сканирования и 45 сканирование Контрольные вопросы 50 Тестовые задания 50 Список рекомендуемой литературы 52 Введение Работа посвящена разработке практикума, позволяющего познакомится с основными принципами работы сканирующих зондовых микроскопов и методами обработки получаемых изображений.

Среди инструментов для исследования микро- и нанообъектов сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) занимают заметное и все расширяющееся место. Электронный микроскоп, пришедший на смену световому, позволил увидеть гораздо более мелкие объекты и биологические структуры, чем были доступны при оптических наблюдениях. СЗМ в отличие от электронных не требуют высокого вакуума и особо сложного приготовления образцов. Они могут работать не только с твердыми, но и достаточно мягкими, объектами, в том числе биологическими препаратами, находящимися в жидкой среде, необходимой для их правильного функционирования.

Отличительной особенность СЗМ является крайне высокий уровень автоматизации измерений и широкое использование цифровых сигнальных процессоров в системе управления зондом и сканирования. Получаемое, при построчном сканировании, изображение исследуемой поверхности может содержать информацию о целом ряде характеристик: высоте, электропроводности, локальной емкости, люминесценции, рассеянии, модуле Юнга и коэффициенте трения. Этот широкий спектр измеряемых величин дополняется не мене широким набором методик направленной модификации поверхности на субмикронном уровне. Это разного рода электрические, оптические, химические и механические литографии, когда именно в микроскопической области контакта зонда с поверхностью происходит изменение свойств поверхности.





Уникальное сочетание разнообразных измерительных и модифицирующих возможностей делает СЗМ очень удобным инструментом, для разного рода нанотехнологических исследований. С одной стороны такие приборы видят каждый атом на поверхности и позволяют осуществлять манипуляции на уровне единичных атомов. С другой стороны эти приборы позволяют понять, как крепко сцеплены между собой атомы в нанокластерах и кластеры между собой.

Полная компьютеризация процесса измерения и обработки данных позволяет достаточно быстро осваивать методы управления и обработки.

Основываясь на вышеизложенных принципах и учитывая актуальность освоения современных методов исследования наноструктурированных объектов, был разработан лабораторный практикум, призванный обеспечить знакомство с основными методами СЗМ и особенностями работы с трехмерными изображениями поверхности и ее свойств. Акцент сделан на программных средствах управления приборами и алгоритмах обработки получаемых изображений. По выполнению работ студент получит достаточно полную картину, как о возможностях СЗМ, так и об основных производителях данного высокотехнологического оборудования, широко используемого при проведении работ в различных нанотехнологических направлениях, включая биофизические и медицинские исследования.

Лабораторные работы будут проводиться на сканирующем зондовом микроскопе Solver PRO-M.

Модуль 1:Устройство сканирующего зондового микроскопа Комплексная цель модуля: Изучить устройство микроскопа и его функциональных узлов. Освоить терминологию характерную для сканирующей зондовой микроскопии.

1. Устройство сканирующего зондового микроскопа Основными функциональными устройствами, входящими в состав прибора, являются:

измерительный блок:

блок подвода и сканирования;

измерительная головка;

сканер;

система управления:

СЗМ контроллер;

компьютер с интерфейсной платой;

система виброизоляции;

защитный колпак.

Общий вид прибора показан на Рис.

Solver PRO-M 1.

Рис. 1. Общий вид Solver PRO-M 1 – блок подвода и сканирования; 2 – измерительная головка; 3 – система видеонаблюдения; 4 – виброизолирующая платформа Фактически Solver PRO-M представляет блок подвода и СЗМ контроллер с широким набором механических, электромеханических и электронных модулей, блоков и узлов.

1.1. Блок подвода и сканирования Блок подвода и сканирования (далее – блок подвода) является базовым устройством прибора. Основное функциональное назначение блока - подвод (отвод) и позиционирование образца.

На блок подвода устанавливаются измерительные головки, сменные сканеры, держатели образца, термостолики, ячейки и т.п.

На Рис. 2 показан общий вид и основные элементы блока подвода.

Рис. 2. Блок подвода и сканирования 1 – платформа, 2 – опорная планшайба, 3 – стойки, 4

– универсальное основание, 5 – винт ручного подвода, 6 – позиционер, 7 – держатель образца, 8 – штуцер Блок подвода установлен на массивной платформе 1 на трех стойках 3. Весь узел блока подвода базируется на опорной планшайбе 2. Снизу планшайбы, под кожухом, находится механизм подвода образца к зонду. Сверху расположены универсальное основание 4 и позиционер 6, а также ответные части разъёмов. Кроме того, на опорной планшайбе имеется штуцер 8, который используется при работе с защитным колпаком для подачи газа либо откачки воздуха.

1.2. Универсальное основание и позиционер Универсальное основание закреплено на опорной планшайбе блока подвода, а позиционер установлен на подвижном цилиндре механизма подвода.

Рис. 4. Универсальное основание и позиционер Рис. 5. Позиционер 1 – 1, 2 – посадочные гнезда для установки микрометрические винты, 2 – измерительных головок; 3 – стойки для пружинные упоры установки зеркала; 4 - позиционер На универсальном основании имеются посадочные гнезда для установки измерительных головок (см. поз. 1, 2 на Рис. 4), а также стойки 3 для установки вспомогательного зеркала при работе с системой видеонаблюдения.

В позиционер устанавливают держатель образца, сканер, или другое устройство, на котором закрепляется образец. Позиционирование по осям XY осуществляется с помощью микрометрических винтов (см. поз. 1 на Рис.

5). Напротив микрометрических винтов расположены пружинные упоры 2, которые фиксируют устройство с образцом в позиционере, прижимая его к микрометрическим винтам. Диапазон позиционирования по осям XY составляет 55 мм. Точность позиционирования – 5 мкм.

1.3. Устройство измерительной головки На Рис. 6 показаны основные элементы универсальной измерительной головки.

б) а) Рис. 6. Устройство измерительной головки 1,2 – винты X,Y перемещений измерительного вкладыша; 3,4 – винты позиционирования фотодиода; 5 – ручка прижима; 6 – лазер; 7 – четырехсекционный фотодиод; 8 – разъем для подключения измерительного вкладыша; 9

– опорная площадка из поликора; 10 – корпус, 11 – измерительный вкладыш, 12 – основание Измерительная головка содержит оптическую систему регистрации изгибов кантилевера (включающую в себя лазер и четырехсекционный фотодиод) и измерительный вкладыш.

Винты XY перемещений столика (см. поз. 1, 2 на Рис. 6) служат для наведения лазерного луча на кантилевер. С их помощью кантилевер устанавливают в положение, когда лазерный луч попадает на его кончик. С помощью винтов позиционирования фотодиода поз.

(см. 3, 4) четырехсекционный фотодиод перемещают таким образом, чтобы отраженный от кантилевера луч лазера попал точно в центр фотодиода.

Измерительный вкладыш устанавливается на круглое основание измерительной головки (см. поз. 12 на Рис. 6) и прижимается ручкой прижима 5 к винтам перемещения 1 и 2. Измерительный вкладыш подключается к ответному разъему 8 в корпусе измерительной головки. На столике расположен держатель зондового датчика в котором закрепляется зонд.

Зондовый датчик устанавливается на поликоровую ступенчатую полочку 2 и прижимается прижимной пружиной 3. Пружина поднимается и опускается при помощи трапециевидного рычажка 4. Под поликоровой полочкой расположен пьезовибратор, который сообщает кантилеверу колебания с заданной частотой при использовании бесконтактных и полуконтактных методов измерений.

1.4. Зондовый датчик для АСМ измерений Зондовый датчик представляет собой упругую балку – кантилевер (см. поз. 2 на Рис. 7), закрепленную на кремниевом основании – чипе зондового датчика. На свободном конце кантилевера располагается собственно зонд в виде острой иглы.

В АСМ применяются в основном зондовые датчики с кантилеверами двух типов:

в виде балки прямоугольного сечения (Рис. 7 а);

треугольные кантилеверы, образованные двумя балками (Рис. 7 б).

–  –  –

Время отведенное на тест: 5 минут.

Количество баллов – 5.

Модуль 2:Подготовка к работе микроскопа и сканирование в контактном режиме Комплексная цель модуля: Научиться на практике подготавливать микроскоп к работе, осуществлять наведение лазера на кантилевер, подведение кантилевера к образцу, задание параметров сканирования Лабораторная работа №1: Подготовка к работе сканирующего зондового микроскопа В лабораторной работе №1 рассматривается общая подготовка прибора к работе и проведения измерений всеми методами сканирующей зондовой микроскопии. Общая подготовка включает операции, которые необходимо выполнить при подготовке прибора к работе с использованием любого из АСМ методов. В лабораторных работах предполагается, что сканирование происходит в конфигурации сканирование образцом и кантилевер уже установлен в гнездо.

1.1. Последовательность операций выполняемых при подготовке прибора к проведению измерений

1. Включить прибор. Включение монитора, системного блока и контроллера осуществляется при помощи тумблера, который расположен на передней панели.

2. Запустить программу. Запуск программы осуществляется при помощи ярлыка программы Nova.exe, который расположен на рабочем столе.

3. Включить виброзащиту. Включение виброзащиты осуществляется при помощи тумблера, который расположен на передней панели.

4. Проверить наличие кантилевера.

5. Включить лазер и индикатор фотодиода.

6. Навести лазерный луч на кантилевер.

7. Настроить положение фотодиода.

8. Поставить измерительную головку.

9. Подготовить образец.

10. Установка образца.

1.2. Включение лазера и фотодиода.

Включить и выключить лазер можно при помощи кнопки Laser, расположенной справа в строке основных параметров (Рис. 1, кнопка находится во включенном состоянии).

Рис. 1 Панель основных операций При загрузке программы по умолчанию кнопка Laser находится во включенном состоянии.

Для того чтобы настроить оптическую систему откройте окно настройки оптической системы при помощи нажатия кнопки Aiming на панели основных операций (Рис. 1).

1.3. Наведение лазерного луча на кантилевер Для того чтобы определить, как лазерный луч проходит относительно кантилевера, нужно взять измерительную головку и приподнять ее примерно на 1015 см над листом белой бумаги, используя его в качестве экрана (Рис.

2).

Рис. 2 Определение прохождения лазерного луча относительно кантиливера

При этом возможно наблюдение трех разных изображений:

a) изображение лазерного пятна (Рис. 3). Это означает, что лазерный луч не задевает ни кантилевер, ни чип зондового датчика;

b) искаженное изображение пятна. Это означает, что луч либо частично задевает какой-нибудь элемент конструкции, либо кантилевер (Рис. 4);

c) не наблюдается изображение пятна. Это означает, что луч попадает на чип (Рис. 5) или держатель зондового датчика и не выходит из измерительной головки.

На экране неискаженное пятно На экране На экране пятно искаженное пятно отсутствует

–  –  –

Рис. 7. Изображение пятна при попадании лазерного луча на кантилевер

1.4. Настройка фотодиода Как только удасться навести луч лазера на кантилевер, на индикаторе фотодиода появятся некоторые отличные от нуля показания (Рис. 8).

При настройке необходимо так установить фотодиод относительно лазерного луча, чтобы последний, отражаясь от кантилевера, попадал в центральную часть фотодиода, одинаково освещая все четыре сегмента фотодиода.

Перемещение фотодиода осуществляется при помощи двух винтов позиционирования фотодиода 3 и 4, расположенных на измерительной головке (Рис. 6). При этом винт 4 соответствует Y перемещениям фотодиода (продольно оси кантилевера), а винта 3 – X перемещениям фотодиода (поперек оси кантилевера).

Вращая винты 3 и 4 (Рис. 6), необходимо световое пятно на индикаторе фотодиода вывести в центр (Рис. 8), соответственно, значения сигналов DFL и LF должны быть равны 0 ±0.1, а величина суммарного сигнала Laser должна быть достаточно большой Рис. 8 Индикатор фотодиода

Где сигналы:

DFL – это разностный сигнал между верхней и нижней половинами фотодиода;

LF – это разностный сигнал между левой и правой половинами фотодиода;

Laser – это суммарный сигнал, поступающий со всех четырех секций фотодиода, и соответственно пропорциональный интенсивности лазерного излучения, отраженного от кантилевера.

После наведения лазерного луча на кантилевер и настройки положения фотодиода следует выполнить более точное наведение лазерного луча на кончик кантилевера по величине суммарного сигнала фотодиода.

Для этого:

1. Используя винты перемещения измерительного вкладыша 1 и 2, чуть-чуть перемещая луч относительно кантилевера, настройтесь на максимальное значение суммарного сигнала фотодиода (Laser). Значение сигнала Laser должно находиться в диапазоне 2050 нА.

2. Проверьте, что лазерный луч действительно попадает на кантилевер.

Характерным признаком того, что лазерный луч попадает на кантилевер является то, что при вращении винта 1, а также винта 2 сначала в одну сторону, затем в другую значение сигнала Laser уменьшается.

3. После подстройки положения лазерного луча повторите подстройку положения фотодиода при помощи винтов 3 и 4 (винтов перемещений фотодиода), поскольку луч может сместиться относительно фотодиода.

1.5. Предварительная постановка измерительной головки

Выполнение процедуры предварительной установки измерительной головки:

1. Установите измерительную головку опорами на посадочные гнезда универсального основания (Рис. 9) таким образом, чтобы шлейф кабеля, выходящего из головки, находился напротив гнезда для него (Рис. 9).

Рис. 9 Универсальное основание

2. Глядя сбоку и вращая в нужную сторону винт ручного подвода, расположенную снизу на блоке подвода переместите (Рис. 9), предметный столик относительно зонда в такое положение, чтобы после установки образца расстояние между поверхностью образца и зондом было не менее 2 мм.

3. Наблюдая сверху за положением кантилевера в горизонтальной плоскости, переместите сканер при помощи микровинтов позиционера таким образам, чтобы зонд находился примерно напротив центрального отверстия в предметном столике, которое соответствует точке пересечения плоскости столика с продольной осью сканера.

4. После выполнения указанных выше процедур можно снять измерительную головку с блока подвода и перейти к процедуре подготовки и установки образца.

1.6. Установление образца Прибор в конфигурации «Сканирование образцом» позволяет исследовать образцы,, удовлетворяющие следующим параметрам:

Диаметр – до 40 мм;

Высота – до 15 мм;

Вес – до 100 г.

Образцы устанавливаются на специальных поликристаллических подложках.

Размеры подложек составляют 24190.5 мм. Для закрепления образцов на подложке используйте двусторонний скотч.

Для маленьких образцов (до 1012 мм в диаметре) рекомендуется использовать подложку SU001. Для больших образцов (более 1015 мм в диаметре) – подложку SU002.

Рис. 10. Подложка SU001 Рис. 11. Подложка SU002

Установите подложки с образцом на предметный столик, при этом подложку нужно вдвигать сбоку под прижимные клипсы со стороны двух опорных шариков таким образом, чтобы клипсы прижимали подложку, а нижняя поверхность подложки опиралась на три опорных шарика (Рис. 12).

Рис. 12 Предметный столик Задание высоты образца Для того чтобы получить более точные результатов сканирования, нужно учесть высоту образца над поверхностью сканера.

Перед установкой высоты образца измерьте толщину образца с подложкой.

Вычтите толщину подложки, на которой производилась калибровка.

Полученное значение следует установить в программе в качестве значение высоты образца.

Лабораторная работа №2: Выбор конфигурации и процедурарегулировки сигнала DFL в контактном режиме Подготовку прибора и образца осуществлять также как указано в лабораторной работе №1.

В Методе Постоянной Силы сигналом, характеризующим состояние кантилевера, является сигнал, пропорциональный изгибу кантилевера – DFL.

Сигнал DFL является входным сигналом системы обратной связи, Поддержание текущей величины DFL, равной значению Set Point, происходит благодаря работе системы обратной связи.

2.1. Основные операции при работе с использованием методов контактной микроскопии Работу по Методу Постоянной Силы можно разделить на следующую последовательность основных операций:

1. Выбор конфигурации.

2. Установка начального уровня сигнала DFL.

3. Подвод образца к зонду.

4. Установка рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи.

5. Установка параметров сканирования.

6. Сканирование.

Ниже приводится более подробное описание перечисленных выше основных операций.

2.2. Выбор конфигурации Переключите прибор для работы по контактным методам, выбрав Contact в списке выбора конфигурации контроллера (Рис. 13) на панели основных параметров.

Рис. 13. Выбор конфигурации При выборе конфигурации Contact автоматически будут выполнены все переключения в контроллере, необходимые для работы по контактным методам.

Величина начального уровня сигнала DFL, соответствующего свободному состоянию кантилевера, определяется тем, как фотоприемник установлен относительно отраженного от кантилевера луча. Нулевое значение сигнала DFL соответствует тому, что лазерное пятно находится посредине между верхней и нижней половинами фотодиода, и площадь пятна одинаково распределена между ними.

Величину начального уровня сигнала DFL можно регулировать при помощи винта 4 (Рис. 13) в результате механического перемещения фотодиода в поперечном направлении относительно лазерного луча, отраженного от кантилевера.

Процедура регулировки уровня сигнала DFL 2.3.

1. Перейдите на вкладку Aiming (кнопка на панели основных операций) (Рис.

14).

Рис. 14. Панель основных операций Панель индикатора состоит из таблицы, в которой отображаются текущие значения сигналов фотодиода и индикатора положения лазерного пятна относительно сегментов фотодиода (Рис. 15).

Рис. 15. Панель настройки системы регистрации изгибов кантилевера

3. Наблюдая за уровнем сигнала на индикаторе, установите при помощи винта 4 (винт вертикального перемещения фотодиода, см. Рис. 2-2) начальный уровень сигнала DFL равным 0 ±0.1 (см. Рис. 2-4).

Лабораторная работа №3: Осуществление подвода образца к зонду и установка рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи в контактном режиме

3.1. Подвод образца к зонду Для подвода образца к зонду выполните следующие операции:

1. Перейдите на вкладку Approach (кнопка на панели основных операций) (Рис. 16).

Рис. 16. Панель основных операций

2. Включите режим автоматической установки параметра Auto SetPoint, нажав кнопку (Рис. 17).

Рис. 17. Панель управления шаговым двигателем

3. Запустите процедуру подвода щелкнув на кнопке Landing.

В результате выполнения этой процедуры:

замкнется цепь обратной связи, и Z-секция сканера выдвинется на максимальную величину, что отобразится на индикаторе выдвижения сканера, который находится в нижнем левом углу главного окна программы (Рис. 18). Степень выдвижения сканера характеризуется длиной цветной полосы;

Рис. 18. Индикатор выдвижения сканера будет автоматически установлено значение параметра Set Point, на две единицы большее начального значения сигнала DFL (т.е. Set Point=DFL+2);

включится шаговый двигатель, выполняющий подвод образца к зонду.

В процессе подвода следите за изменениями сигнала DFL по программному осциллографу, за состоянием индикатора выдвижения сканера и ждите окончания процесса подвода.

Через 1030 секунд, при правильной настройке параметров подвода, подвод закончится и произойдет следующее (Рис.

19):

Рис. 19. Процесс подвода 1 – индикатор выдвижения сканера; 2 – журнал сигнал DFL увеличится до значения параметра Set Point, цепь обратной связи будет поддерживать Z-сканер в положении, при котором сигнал DFL равен Set Point, причем это положение сканера будет соответствовать примерно половине диапазона выдвижения сканера;

длина линии индикатора уменьшится и займет некоторое промежуточное положение (поз. 1 на Рис. 19);

шаговый двигатель отключится;

увеличение сигнала DFL до значения параметра Set Point будет отображено на зависимости DFL(t) на программном осциллографе;

в журнале появится сообщение «…Approach Done.» (поз. 2 на Рис. 19).

3.2. Установка рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи Чем больше величина коэффициента усиления (параметр FB Gain), тем выше скорость отработки петли обратной связи. Однако при достаточно большой величине коэффициента усиления (назовем ее пороговой), режим работы цепи обратной связи становится неустойчивым и начинается генерация.

Появляется значительная величина переменной составляющей сигнала DFL (Рис. 20).

Рис. 20. Генерация в цепи обратной связи Для устойчивой работы рекомендуется устанавливать уровень коэффициента усиления не более 0.50.7 от порогового значения, при котором начинается генерация. Регулировка коэффициента усиления производится в поле ввода FB Gain.

Для установки рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи:

1. Щелкните дважды на поле ввода параметра FB Gain на панели основных параметров, в результате появится ползунок для установки коэффициента усиления цепи обратной связи (Рис. 21).

Рис. 21. Ползунок для настройки параметра FB Gain

2. Увеличивая величину FB Gain, следите за уровнем сигнала DFL при помощи программного осциллографа.

3. Определите значение параметра FB Gain, при котором начинается генерация. Начало генерации регистрируется по появлению значительной переменной составляющей сигнала DFL (см. Рис. 21).

4. Уменьшая параметр FB Gain, установите в качестве рабочей величины значение равное 0.50.7 от значения коэффициента усиления FB Gain, при котором начинается генерация сигнала DFL.

Лабораторная работа №4: Установка параметров сканирования

4.1. Установка параметров сканирования Перейдите на вкладку Scan (кнопка на панели основных операций) (Рис. 22).

Рис. 22. Панель основных операций В верхней части вкладки Scan находится панель управления сканированием (Рис. 23).

Рис. 23. Панель управления вкладки Scan Под ней находится панель отображения 1D-данных сканирования, в которой при сканировании будет построчно отображаться измеряемый сигнал. Ниже находится панель отображения 2D-данных сканирования.

4.2. Выбор АСМ метода На панели управления в списке Mode (выбор методов сканирования) выберите метод Contact Topography (Constant Force) (Рис. 24). При этом в контроллере автоматически будут выполнены соответствующие переключения.

Рис. 24. Выбор Метода Постоянной Силы на панели управления вкладки Scan

4.3. Выбор области сканирования

Рекомендации по выбору начального размера области сканирования:

если о свойствах поверхности образца имеется некоторая предварительная информация, и есть уверенность в том, что перепад высот ожидаемого рельефа не выходит за пределы диапазона Zсканера, можно установить максимальное поле сканирования;

в случае образца, о свойствах поверхности которого ничего не известно, рекомендуется начинать сканирование с области, имеющей небольшие размеры, например, около 0.51 мкм. По результатам сканирования небольшой области можно подобрать и установить оптимальные значения таких параметров, как скорость сканирования, Set Point, FB Gain. Затем можно изменить область сканирования.

4.4. Установка размера сканированного изображения, числа точек, шага сканирования Число точек по осям X и Y (Point Number), размер сканированного изображения (параметр Scan Size) и шаг сканирования (Step Size) задаются при помощи кнопки со списком выбора параметра (Рис. 25).

Рис.

25 При установке параметров Point Number, Scan Size, Step Size следует иметь ввиду что:

При изменении Point Number: Scan Size изменяется;

Step Size не меняется.

При изменении Scan Size: Step Size изменяется;

Point Number не меняется.

При изменении Step Size: Scan Size изменяется;

Point Number не меняется.

4.5. Установка скорости сканирования Выбор оптимального значения скорости сканирования зависит от свойств поверхности исследуемого объекта, размеров области сканирования, внешних условий. Поверхность с гладким рельефом можно сканировать с более высокой скоростью, чем поверхность, имеющую более развитый рельеф со значительными перепадами по высоте.

Первоначально рекомендуется установить частоту сканирования строк (параметр Frequency) в пределах 0.52 Гц (см. Рис. 25).

Лабораторная работа №5: Сканирование и изменение параметров в процессе сканирования В качестве примера рассмотрим процесс сканирования образца с прямоугольной решеткой (стандартная решетка TGQ-1, шаг 3 мкм).

5.1. Запуск сканирования После того как выполнены подготовительные операции, произведен подвод зонда к образцу, выбрана рабочая точка, установлены параметры сканирования, можно начинать сканирование поверхности образца.

Для запуска сканирования щелкните на кнопке Run, расположенной на панели управления вкладки Scan (Рис. 26).

Рис. 26. Панель управления вкладки Scan

В результате щелчка на кнопке Run:

начнется построчное сканирование поверхности образца и в области отображения 2D-данных сканирования, строчка за строчкой, начнет появляться изображение сканируемой поверхности (Рис. 27), в нашем примере изображение прямоугольной решетки;

Рис. 27. Изображение рельефа поверхности на панели отображения 1D-данных при сканировании будет построчно отображаться измеряемый сигнал (Рис. 28);

–  –  –

Время отведенное на тест: 5 минут.

Количество баллов – 5.

Модуль 3: Сканирование в полуконтактном режиме Комплексная цель: Получить практические навыки работы на микроскопе в полуконтактном режиме. Узнать особенности, достоинства и недостатки полуконтактного режима.

Лабораторная работа №6: Выбор конфигурации и установка рабочей частоты пьезодрайвера в полуконтактном режиме

6.1. Подготовка к измерениям Предполагается, что предварительно была выполнена начальная подготовка прибора:

программа управления запущена;

прибор включен;

зондовый датчик установлен, и система регистрации отклонений кантилевера настроена;

образец установлен;

измерительная головка установлена;

образец подведен к зонду на расстояние 0.51 мм.

6.2. Основные операции при работе с использованием методов полуконтактной микроскопии Работу по Полуконтактному Методу можно разделить на следующую последовательность основных операций:

1. Выбор конфигурации

2. Установка рабочей частоты пьезодрайвера

3. Установка начального уровня сигнала Mag

4. Подвод образца к зонду

5. Установка рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи

6. Установка параметров сканирования

7. Сканирование

6.3. Выбор конфигурации Переключите прибор для работы по полуконтактным методам, выбрав SemiContact в списке выбора конфигурации контроллера (Рис. 1) на панели основных параметров.

Рис. 1. Выбор конфигурации При выборе конфигурации SemiContact автоматически будут выполнены все переключения в контроллере, необходимые для работы по полуконтактным методам.

6.4. Установка рабочей частоты пьезодрайвера Для установки рабочей частоты пьезодрайвера выполните следующие действия:

1. Перейдите на вкладку Resonance (кнопка Resonance на панели основных операций) (Рис. 2).

Рис. 2. Панель основных операций2. Установите флажок Auto peak find (Рис. 3).

Рис. 3. Панель управления вкладки Resonance

3. Установите диапазон частот 90500 кГц.

4. Запустите процедуру автоматического поиска резонансной частоты, щелкнув на кнопке Run.

В результате выполнения этой процедуры:

будет измерена частотная зависимость амплитуды колебаний кантилевера (сигнала Mag);

определена резонансная частота кантилевера;

установлена рабочая частота пьезодрайвера, равная резонансной частоте кантилевера;

на панели частотных зависимостей будет отображена частотная зависимость сигнала Mag вблизи максимума (Рис. 4).

Рис. 4

5. Обратите внимание на форму резонансной кривой, особенно в области ее пика. Если вид полученной зависимости (особенно в области пика) примерно соответствует зависимости, приведенной в качестве примера на Рис. 4, то можно считать, что автоматическая настройка прошла успешно. В этом случае можно перейти к выполнению следующей операции.

Обычно, в большинстве случаев автоматическая настройка проходит успешно, и резонансная кривая имеет достаточно хорошую форму.

Особые случаи Может оказаться, что после выполнения процедуры автоматической установки частоты резонансная кривая, отображаемая на осциллографе, имеет искаженную форму пика. Эти искажения могут быть различными, например, резонансный пик может быть уширен как на Рис. 5 или иметь несколько локальных максимумов как на Рис. 9.

Искажения могут быть связаны, например, с тем, что кантилевер имеет слишком большую амплитуду колебаний (установлена слишком большая величина напряжения генератора), или установлен слишком большой коэффициент усиления (параметр Gain синхронного усилителя, параметр предусилителя), или оба из перечисленных факторов Amp Gain одновременно.

Пик резонансной кривой имеет искаженную форму, и при этом значения в области максимума превышают 3540 единиц.

Если пик резонансной кривой имеет искаженную форму, и при этом значения в области максимума превышают 3540 единиц (Рис.

5), то выполните следующие действия:

–  –  –

Рис. 7

3. После уменьшения сигнала Mag до 2025 единиц повторно запустите процедуру автоматического поиска резонансной частоты, щелкнув на кнопке Run.

Если искажения формы резонансного пика исчезли, то переходите к следующей операции, в противном случае повторите действия 1-3 или переустановите зондовый датчик.

Также можно изменить коэффициент усиления предусилителя (Рис. 8) (параметр Preamplifier может иметь два значения: 1 или 10).

Рис. 8 II. Резонансный пик имеет искаженную форму, и при этом значения в области максимума менее 3540 единиц.

Если резонансный пик имеет искаженную форму, и при этом значения в области максимума менее 3540 единиц (Рис.

9), то выполните следующие действия:

–  –  –

Рис. 10

2. Уменьшите величину параметра Amplitude при помощи ползунка.

После уменьшения сигнала повторно запустите процедуру 3.

автоматического поиска резонансной частоты, щелкнув на кнопке Run.

4. Если искажения формы резонансного пика исчезли, то переходите к следующей операции, в противном случае повторите действия 1-3 или переустановите зондовый датчик.

Лабораторная работа №7: Установка начального уровня сигнала Mag и подвод образца к зонду

7.1. Установка начального уровня сигнала Mag Начальный уровень сигнала Mag рекомендуется установить в интервале 2025 единиц.

Установка уровня сигнала Mag производится путем регулировки напряжения генератора.

Для этого выполните следующие действия:

1. Щелкните дважды на поле ввода амплитуды выходного сигнала генератора Amplitude, в результате появится ползунок (Рис. 11) (диапазон изменения напряжения 01 В).

–  –  –

Рис. 15. Панель управления вкладки Approach

3. Запустите процедуру подвода, щелкнув на кнопке Landing.

В результате выполнения этой процедуры:

замкнется цепь обратной связи, и Z-сканер выдвинется на максимальную длину, что отобразится на индикаторе выдвижения сканера, который находится в нижнем левом углу главного окна программы (Рис. 16). Степень выдвижения сканера характеризуется длиной цветной полосы;

4. Рис. 16. Индикатор выдвижения сканера будет автоматически установлено значение параметра Set Point, равным половине величины текущего значения сигнала Mag (т.е.

Set Point=Mag/2);

включится шаговый двигатель, выполняющий подвод образца к зонду.

В процессе подвода следите за изменениями сигнала Mag по программному осциллографу, за состоянием индикатора выдвижения сканера и ждите окончания процесса подвода.

Через 1030 секунд, при правильной настройке параметров подвода, подвод закончится и произойдет следующее (Рис.

17):

Рис. 17. Процесс подвода 1 – индикатор выдвижения сканера; 2 – журнал сигнал Mag уменьшится до значения параметра Set Point, цепь обратная связи будет поддерживать Z-сканер в положении, при котором сигнал равен причем это положение сканера будет Mag Set Point, соответствовать примерно половине диапазона выдвижения сканера;

длина линии индикатора уменьшится и займет некоторое промежуточное положение (поз. 1 на Рис. 17);

шаговый двигатель отключится;

уменьшение сигнала Mag до значения параметра Set Point будет отображено на зависимости Mag(t), на программном осциллографе;

в журнале появится сообщение «…Approach Done.» (поз. 2 на Рис. 17).

7.3. Установка рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи Чем больше величина коэффициента усиления (параметр FB Gain), тем выше скорость отработки петли обратной связи. Однако при достаточно большой величине коэффициента усиления (назовем ее пороговой), режим работы цепи обратной связи становится неустойчивым и начинается генерация.

Появляется значительная величина переменной составляющей сигнала Mag (Рис. 19).

Рис. 19. Генерация в цепи обратной связи Для устойчивой работы рекомендуется устанавливать уровень коэффициента усиления не более 0.50.7 от порогового значения, при котором начинается генерация. Регулировка коэффициента усиления производится в поле ввода FB Gain.

Для установки рабочего уровня коэффициента усиления цепи обратной связи:

1. Щелкните дважды на поле ввода параметра FB Gain на панели основных параметров, в результате появится ползунок для установки коэффициента усиления цепи обратной связи (Рис. 20).

Рис. 20. Бегунок настройки параметра FB Gain

2. Увеличивая величину FB Gain, следите за уровнем сигнала Mag при помощи программного осциллографа.

3. Определите значение коэффициента FB Gain, при котором начинается генерация. Начало генерации регистрируется по появлению значительной переменной составляющей сигнала Mag (см. Рис. 19).

4. Уменьшая параметр FB Gain, установите в качестве рабочей величины значение равное 0.50.7 от значения коэффициента усиления FB Gain, при котором начинается генерация сигнала Mag.

Если после уменьшения параметра FB Gain до значения 0.3 и ниже устранить генерацию неудалось, то выполните следующие действия:

1. Разомкните цепь обратной связи (кнопка не нажата).

2. Уменьшите сигнал Mag на 2050 %, изменяя коэффициент усиления синхронного усилителя (параметр Gain) и предусилителя (параметр Preamplifier).

3. Увеличьте напряжение генератора (параметр Amplitude) доведя значение сигнала Mag до 2025.

Замкните цепь обратной связи (кнопка нажата).

5. Если генерация исчезла, переходите к следующей операции, в противном случае повторите действия 1–4.

Лабораторная работа №8: Установка параметров сканирования и сканирование в полуконтактном режиме

8.1. Установка параметров сканирования Перейдите на вкладку Scan (кнопка Scan на панели основных операций) (Рис.

21).

Рис. 21. Панель основных параметров В верхней части вкладки Scan находится панель управления сканированием (Рис. 22).

Рис. 22. Панель управления вкладки Scan Под ней находится панель отображения 1D-данных сканирования, в которой при сканировании будет построчно отображаться измеряемый сигнал. Ниже находится панель отображения 2D-данных сканирования.

Выбор области сканирования

Рекомендации по выбору начального размера области сканирования:

если о свойствах поверхности образца имеется некоторая предварительная информация, и есть уверенность в том, что перепад высот ожидаемого рельефа не выходит за пределы диапазона Zсканера, можно установить максимальное поле сканирования;

в случае образца, о свойствах поверхности которого ничего не известно, рекомендуется начинать сканирование с области, имеющей небольшие размеры, например, около 0.51 мкм. По результатам сканирования небольшой области можно подобрать и установить оптимальные значения таких параметров, как скорость сканирования, Set Point, FB Gain. Затем можно изменить область сканирования.

Установка размера сканированного изображения, числа точек, шага сканирования Число точек по осям X и Y (Point Number), размер сканированного изображения (параметр Scan Size) и шаг сканирования (Step Size) задаются при помощи кнопки с раскрывающимся списком выбора параметра (Рис. 23).

Рис.

23 При установке параметров Point Number, Scan Size, Step Size следует иметь ввиду что:

При изменении Point Number: Scan Size изменяется;

Step Size не меняется.

При изменении Scan Size: Step Size изменяется;

Point Number не меняется.

При изменении Step Size: Scan Size изменяется;

Point Number не меняется.

Установка скорости сканирования Выбор оптимального значения скорости сканирования зависит от свойств поверхности исследуемого объекта, размеров области сканирования, внешних скоростью, чем поверхность, имеющую более развитый рельеф со значительными перепадами по высоте.

Первоначально рекомендуется установить частоту сканирования строк (параметр Frequency) в пределах 0.52 Гц (см. Рис. 23).

8.2. Выбор АСМ метода На панели управления в списке Mode (выбор методов сканирования) выберите метод Semicontact Topography (Рис. 24). При этом в контроллере автоматически будут выполнены соответствующие переключения.

Рис. 24. Выбор Полуконтактного Метода на панели управления вкладки Scan 8.3. Сканирование В качестве примера рассмотрим процесс сканирования образца с прямоугольной решеткой (стандартная решетка TGQ-1, шаг 3 мкм).

Запуск сканирования После того как выполнены подготовительные операции, произведен подвод зонда к образцу, выбрана рабочая точка, установлены параметры сканирования, можно начинать сканирование поверхности образца.

Для запуска сканирования щелкните на кнопке Run, расположенной на панели управления вкладки Scan (Рис. 25).

Похожие работы:

«МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ: В процессе изучения курса "Разработка и технологии производства рекламной продукции" проводятся лабораторные занятия. Цели проведения этих занятий состоят в следующем:– закр...»

«МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по применению средства "Ал-Окси" для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации (ТОО "Производственный комплекс "Аврора", Республика Казахстан) СТ ТОО 100940013094-01-2011 Алматы 2013 г. Версия: 271. 05. 25.08.2016 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Мето...»

«П. В. Крашенинников, Т. И. Зайцева, Б. М. Гонгало, В. В. Ярков, Е. Ю. Юшкова Настольная книга нотариуса 2-е изд., испр. и доп. Основано на издании: "Волтерс Клувер". Центр нотариальных исследований. НАСТОЛЬНАЯ КНИГА НОТАРИУСА В двух томах. У...»

«Задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению В соответствии с учебным планом специальностей 080105.65 и 080502.65 выполнение контрольной работы является допуском к экзамену (зачету). Контрольная работа представляет с...»

«Ремонт и реставрация сруба бревенчатого дома Ремонтно-реставрационная картотека методические рекомендации № 16 Музейное управление Финляндия Hirsitalon rungon korjaus KK16 Архитектурное наследие деревянного зодчества Интеррег III A Ка...»

«УТВЕРЖДАЮ Заместитель Министра образования Республики Беларусь Р.С.Сидоренко ”“2016г. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ по проведению в учреждениях общего среднего образования 1 сентября первого урока и мероприятий, посвященных Дню знаний и Дню белорусской письменности Для первого урока в День...»

«Методические указания к выполнению практических и контрольных работ по дисциплине "Конструкция автомобилей и тракторов" Методическое указание №1 ПРЕДИСЛОВИЕ Данные методические указания предназначены для оказания помощи студентам заочного обучения при выполнении само...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" Кафедра электротехники...»

«ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖ НЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ НЕОБХОДИМОГО СНИЖЕНИЯ ЗВУКА У НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТРЕБУЕМОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКРАНОВ С УЧЕТОМ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ ИЗДАНИЕ ОФИЦИАЛЬНОЕ м и н и с т е р с т в...»

«ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Методические указания к выполнению лабораторных работ общего физического практикума (раздел: М Е Х А Н И К А) Казань 2001 Печатается по решению Редакционно-издательского совета физического факультета УДК 530.10 С о с...»

«А. П. КИЛИН Д. В. КОЛОБОВА О. В. ЧИСТЯКОВА ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В ОРГАНАХ ГОСУДАРСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ СУБЪЕКТОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Учебное пособие МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУ...»

«ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ "ОБРАЗОВАНИЕ" РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ А.А. АТАБЕКОВА НОВЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРЕПОДАВАНИИ РУССКОГО ЯЗЫКА КАК ИНОСТРАННОГО Учебное пособие Москва Инновационная образовательная программа Российского...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Псковский государственный университет И. П. Войку, А. Е. Курач УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ Учебное пособие для студентов специальности "Управление инновациями" очной формы обуч...»

«Методические рекомендации по разработке и принятию организациями мер по предупреждению и противодействию коррупции (утв. Министерством труда и социальной защиты РФ 8 ноября 2013 г.)...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.