Рис. 3. Схема интеграции подсистемы диагностики и контроля в систему ЧПУ станка
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания в сфере научной деятельности № 11.1052.2014/К и государственного контракта № 14.593.21.0004 от 04.12.2014 г.
Л и т е р а т у р а
1. Григорьев С. Н., Синопальников В. А., Терешин М. В., Гурин В. Д. Контроль параметров процесса резания на основе диагностирования инструмента и заготовки // Измерительная техника. 2012. № 5. С. 46—48.
2. Grigoriev S. N., Gurin V. D., Volosova M. A., Cherkasova N. Y.
Development of residual cutting tool life prediction algorithm by processing on CNC machine tool // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 2013. V. 44. N. 9. P. 790—796.
3. Григорьев С. Н., Турин В. Д., Черкасова Н. Ю. Повышение производительности фрезерования с помощью диагностирования состояния инструмента с учетом достоверности отображения состояния объекта по критерию его отказа // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. № 3(15). С. 44—48.
4. Мартинова Л. И., Григорьев А. С., Соколов С. В. Диагностика и прогноз износа режущего инструмента в процессе обработки на станках с ЧПУ // Автоматизация в промышленности. 2010. № 5. С. 46—50.
5. Мартинов Г. М., Нежметдинов Р. А., Никишечкин П. А. Разработка средств визуализации и отладки управляющих программ для электроавтоматики, интегрированных в систему ЧПУ // Вестник МГТУ «Станкин». 2012. № 4(23). С. 134—138.
6. Мартинов Г. М., Мартинова Л. И. Формирование базовой вычислительной платформы ЧПУ для построения специализированных систем управления // Вестник МГТУ «Станкин». 2014. № 1(28). С. 92—97.
Дата принятия 15.04.2015 г.
539.3, 537.29
Интерпретация данных сканирующей туннельной
микроскопии
А. М. МАНДЕЛЬ, А. И. ЛОСКУТОВ, В. Б. ОШУРКО, Г. И. СОЛОМАХО,
С. В. ВЕСЕЛКО
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: arkadimandel@mail.ru
Рассмотрены явления, нарушающие однозначную связь силы туннельного тока с шириной туннельного промежутка при измерениях профиля поверхности в сканирующем туннельном микроскопе. Основное внимание уделено влиянию структуры поверхностных электронных состояний на туннельный ток.
Ключевые слова: сканирующая туннельная микроскопия, туннельный ток, поверхностные электронные состояния.
The phenomenon violating of unique relationship between the tunnel current strength and the width of tunnel gap at the surface profile measurements in a scanning tunnel microscope are discussed. The discussion has been focused on the influence of surface electronic states on tunnel current.
Key words: scanning tunnel microscopy, tunnel current, surface electronic states.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) имеет два режима сканирования поверхности: при заданной силе туннельного тока I, которая поддерживается постоянной в цепи обратной связи, и при постоянном расстоянии между образцом и зондом. При втором режиме требуются достаточно гладкие поверхности, поэтому он применяется сравнительно редко. Первый режим работы используют чаще, и именно поэтому в данной работе будут рассмотрены особенности измерений этим способом и интерпретации получаемых результатов.
Теоретической предпосылкой для успешной реализации первого режима является простая и однозначная связь между силой туннельного тока I при постоянном напряжении и на зонде и промежутком туннелирования — расстоянием б между острием зонда и поверхностью. Известны и нередко обсуждаются факторы, нарушающие указанную связь: вариации площади области сканируемой поверхности, возникающие из-за ее сложной геометрии и морфологии; влияние осцилляций кантилевера; локальные изменения плотностей поверхностных электронных состояний и т. д. По мнению авторов характер поверхностных электронных состояний,
через которые происходит туннелирование электронов, недостаточно изучен. Как показывают эксперименты, симметрия поверхностных электронных состояний существенно влияет на вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного тока и тем самым на зависимость 1(и) даже при постоянных б и площади, с которой туннелируют электроны.
В работах, посвященных теории СТМ [1—3], при анализе основных принципов туннельной микроскопии доминируют два различных подхода. Первый подход предпочитают экспериментаторы, инженеры и разработчики различных пособий по туннельной микроскопии [1, 2], базирующихся на результате [3], суть которого выражена формулой
I = А(и/б) ф1/2 ехр (-6бф1/2), (1)
где А, В — постоянные коэффициенты, ф — потенциал выхода электродов.
Из (1) следует, что если зафиксировать и и поддерживать постоянным I то значение б также не должно меняться.
Перечислим основные физические предпосылки, при которых получено выражение (1 ).
1 . Вероятность туннелирования оценивают в одномерном, квазиклассическом экспоненциальном приближении, т. е. предэкспоненциальный множитель, учитывающий влияние электрического поля на туннелирующие электроны, полностью игнорируют. По этой причине экспонента в (1) не содержит и. Этот результат имеет следующий физический смысл: небольшое электрическое поле не искажает форму потенциального барьера между поверхностью и зондом.
2. Расчет проводят для структуры металл—диэлектрик— металл, полагая, что поверхностные электроны латерально свободны (имеют две степени свободы, д = 2). Подвижность электронов ограничена в направлении нормали к поверхности, вдоль которой и происходит туннелирование. При расчете плотности туннельного тока интегрирование выполняют по двум импульсным переменным вдоль поверхности от нуля до бесконечности.
3. По причине, указанной в п. 2, предполагают, что связанные электроны равномерно заполняют поверхностные энергетические состояния вплоть до уровня Ферми — от него и отсчитываются потенциалы выхода контактирующих материалов. В практических расчетах можно принять, что энергетическая плотность % электронных состояний, «освобожденных» электрическим полем на поверхности зонда, прямо пропорциональна напряжению на зонде:
% -и. (2)
Таким образом, действие электрического поля в данном приближении сводится лишь к сдвигу системы энергетических уровней квантовых состояний зонда. В результате ток в (1 ) прямо пропорционален напряжению.
4. Предполагают, что характер начальных и конечных поверхностных электронных состояний влияет на туннельный ток одинаково, поэтому замена начальных состояний на конечные, как и в матричных элементах переходов, не вызывает изменения туннельного тока. Следовательно, прямая ветвь ВАХ в таком приближении не должна отличаться от обратной. Однако известны эксперименты, в основном относящиеся к полупроводникам и сложным органическим соединениям, в которых фиксируют различие этих ветвей [4—6]. Этот факт даже описан в учебных пособиях по СТМ [7].
До сих пор не предложено аналитическое описание данной ситуации, достаточно простое для инженерных приложений. Наоборот, при изложении теории СТМ обычно подчеркивают, что туннельный ток пропорционален интегралу по энергии от свертки электронных плотностей начального и конечного состояний, что отражает кросс-симметрию квантово-механических реакций.
5. Выражения Симмонса [3] первоначально сформулированы для плотности туннельного тока, поэтому переход к току неявно предполагает постоянство площади туннелиро-вания электронов с поверхности образца. В расчетах этот факт обычно завуалирован, так как оценивают ток, протекающий через острие зонда, и полагают, что через «атомарный выступ» острия проходит примерно 90 % туннельного тока. Тем не менее, упоминания по поводу влияния геометрии и морфологии поверхности на площадь туннелирования встречаются достаточно часто [1, 2].
Второй подход к теории СТМ дают авторы [8] и их последователи. Его предпочитают теоретики, развивающие данную область квантовой физики. Однако результаты [8] менее пригодны для практического инженерного использования. Главный аналитический результат этой работы — оценка латерального разрешения СТМ в зависимости от радиуса кривизны острия зонда и расстояния до поверхности. Отметим, что в отличие от первого подхода во втором конфигурация острия зонда (сфера), ее размер и влияние на результаты измерений учтены в явном виде. Аналогом (1) в подходе, изложенном в [8], является более общее соотношение
I = CUps (0, Ер), (3)
где С — постоянная, аналогичная А, т. е. не зависящая от и, ф, б; Ps (0, Ер) — электронная плотность (или плотность заряда), создаваемая поверхностными электронными состояниями образца вблизи поверхности Ферми в нулевой точке центра зонда; Ер — уровень Ферми.
Проанализируем второй подход, т. е. физический смысл выражения (3). Для удобства сопоставления результатов первого и второго подходов ниже сохраняется нумерация пунктов.
1 . Какой-либо способ редукции волнового пакета в центре зонда (доставки электрона с поверхности образца в центр зонда) не предполагается. В частности, таким способом доставки может быть и туннельный эффект (автоэлектронная эмиссия через потенциальный барьер), как в (1). Авторы [8] вместо ехр (-Вбф1/2) в (1) вводят ехр (-кб), причем коэффициент затухания к оценивают для каждого конкретного материала отдельно. Это, конечно, придает подходу гибкость, но чрезвычайно затрудняет разработку каких-либо общих способов и рекомендаций. По этой причине данный алгоритм применения СТМ не пользуется успехом у экспериментаторов.
2. Выражение (3) допускает формальное обобщение на случай разных материалов поверхности, но обычно с его помощью рассчитывают переход между двумя металлами.
3. Согласно [8] предполагается, что туннельный ток поступает на металлический электрод. Более того, в этом подходе изначально задается сферическая симметрия конечного состояния электрона и электрического поля зонда, поэтому постоянная С неявно содержит коэффициент D(EF) — плотность состояний зонда на единицу напряжения. По сути
D(EF)U эквивалентно % в (2) — числу состояний на единицу энергии еи (е — заряд электрона), освобожденных на зонде электрическим полем. В металле при равномерном заполнении уровней ниже уровня Ферми коэффициент D(EF) пропорционален напряже
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.