Лабораторная работа № 8

Цель работы: изучение принципов работы сканеров на основе пьезотрубок. Получение навыков калибровки сканеров и настройки датчиков перемещений.

Образец: решетка TGZ2.

8.1.Теория

Работа сканера сканирующего зондового микроскопа основана на использовании обратного пьезоэффекта, в результате которого происходит изменение размеров

пьезоматериала под действием электрического поля. Конструкции пьезосканеров могут быть разными – в качестве элементов, осуществляющих перемещение,

применяются пьезопакеты, пьезотрубки или биморфные пластины. В настоящее время наибольшее распространение получили сканеры на основе пьезотрубок, далее речь идет именно о таких сканерах. По сравнению с конструкциями других типов,

при равном максимальном диапазоне перемещения эти сканеры компактней (это обеспечивает их универсальность для использования в различных системах

сканирующей зондовой микроскопии), дают меньший вклад в температурный дрейф прибора, имеют более высокую разрешающую способность и, как минимум, не проигрывают в быстродействии. Недостатками сканеров на основе пьезотрубок

являются, например, заметные перекрестные помехи между осями сканера или, в случае сканирования образцом, существенные ограничения по массе образца.

Устройство и принцип работы сканера на основе пьезотрубок

Основой сканера является пьезокерамическая трубка, на внутреннюю и

внешнюю поверхность которой нанесены электроды. По схеме нанесения электродов на трубку сканер можно разделить на две части XY и Z. Один из

вариантов нанесения электродов в трубчатых сканерах показан на Рис. 8-1. Предметный столик (в случае сканирования образцом) или держатель зондового датчика (для измерительных головок) устанавливается непосредственно на

пьезотрубке. Другим концом пьезотрубка крепится к фланцу, установленному в корпусе прибора.

Рис. 8-1. Устройство трубчатого сканера

1 – XY-секция, 2 – Z-секция, 3 – фланец, 4 – предметный столик; 5 – стакан

8-3

СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР II. Учебное пособие

На Рис. 8-2 изображено поперечное сечение Z-секции пьезотрубки. Вектор поляризации пьезокерамического материала трубки направлен радиально; если приложить напряжение между электродами, в стенках трубки возникнет внешнее

электрическое поле, направленное по направлению или против вектора поляризации. Поперечный обратный пьезоэлектрический эффект приводит к тому, что трубка

растягивается или сжимается вдоль своей геометрической оси (в результате продольного пьезоэффекта изменяется толщина стенок трубки, однако, так как толщина стенок много меньше длины трубки, это изменение можно не принимать во

внимание).

Внешние электроды X-части пьезотрубки соединены с противоположными внутренними (Рис. 8-3). При подаче напряжения между выводами 1 и 2 в стенках

X-секций трубки возникает электрическое поле, направленное по и против вектора поляризации. Одна X-секция сжимается, вторая растягивается. В результате возникает смещение незакрепленного конца трубки по направлению оси X, как

показано на Рис. 8-4. Приближенно можно считать, что движение свободного конца XY-трубки и всего, что к нему крепится, является вращением вокруг неподвижной

точки. Этот центр вращения расположен на пересечении геометрической оси трубки и горизонтальной плоскости, разделяющей XY-секцию на две равные части.

По Y-направлению пьезотрубка работает аналогично.

Рис. 8-4. Движение сканера по оси X

8-4

Лабораторная работа № 8

Сканирование

Процесс сканирования происходит следующим образом. Сканер осуществляет растровое перемещение зонда относительно образца (Рис. 8-5). В узлах растра

происходит оцифровка измеряемых сигналов. Направление строк, вдоль которых движется сканер, называется направлением быстрого сканирования.

Перпендикулярное ему направление называется направлением медленного сканирования. В получаемое изображение записываются данные, полученные либо на прямом, либо на обратном ходу по направлению быстрого сканирования.

Рис. 8-5. Движение зонда в процессе получения данных

Можно записывать данные и на прямом, и на обратном ходу, производя перпендикулярные смещения как в начале, так и в конце строки. При этом скорость получения изображения увеличивается в два раза. Однако для сканеров без датчиков

перемещения такой способ сканирования не применяется, т.к. разница между профилем поверхности на прямом и обратном ходу в силу нелинейных свойств

пьезокерамики обычно существенна. Для сканеров с датчиками перемещения тоже есть различие между “прямым” и “обратным” профилем, хотя и не всегда заметное. Причиной этого являются ошибки обратной связи по направлению быстрого

сканирования. Эти ошибки уменьшаются при снижении скорости сканирования. Также в контактном режиме измерений возможны паразитные смещения зонда под

действием силы трения между ним и образцом. Эти смещения меняют знак в зависимости от направления движения зонда. В итоге часто оказывается, что для получения изображения требуемого качества выгодней использовать запись данных

только на прямом или только на обратном ходу.

При сканировании образцом на геометрические размеры получаемого

изображения в плоскости XY влияет высота расположения измеряемой поверхности образца над поверхностью предметного столика. Высота складывается из толщин образца и подложки.

C увеличением толщины образца, при одинаковом смещении пьезотрубки сканера, увеличивается расстояние, на которое образец смещается в плоскости XY

относительно зонда (Рис. 8-6). Таким образом, размер изображения также увеличивается.

8-5