Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Моделирование процессов экзоэлектронной эмиссии при нанозондировании металлических поверхностей

Диссертация: Моделирование процессов экзоэлектронной эмиссии при нанозондировании металлических поверхностей
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Для того чтобы разобраться в существе вопроса, необходимо создать физическую модель экзоэлектронной эмиссии, а также проверить модельные представления, опираясь на экспериментальные данные, в результате чего определить основные модельные параметры. В настоящее время таких модельных представлений для экзоэлектронной эмиссии не обнаружено, однако в 1929 году Фаулером и Нордгеймом было дано… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА I. Состояние вопроса
    • 1. 1. Экзоэлектронная эмиссия
      • 1. 1. 1. Термостимулированная экзоэлектронная эмиссия
      • 1. 1. 2. Фотостимулированная экзоэлектронная эмиссия
    • 1. 2. Механоактивационная экзоэмиссия
    • 1. 3. Моделирование процессов
      • 1. 3. 1. Классические модели
      • 1. 3. 2. Феноменологическое моделирование
  • Выводы
  • ГЛАВА II. Методы исследования механоактивационной эмиссии
    • 2. 1. Классические подходы
    • 2. 2. Учет макроскопических параметров
    • 2. 3. Экспериментальные методы исследования механоактивационной эмиссии
    • 2. 4. Геометрические параметры зонда
  • Выводы
  • ГЛАВА III. Динамика взаимодействия зонда с поверхностью
    • 3. 1. Моделирование динамики датчика локального взаимодействия
      • 3. 1. 1. Действие консервативных сил
      • 3. 1. 2. Исследование закономерности Р* (сила) ~ со (частота) при консервативном нагружении
      • 3. 1. 2. Действие неконсервативных сил
    • 3. 2. Координаты Фаулера — Нордгейма
    • 3. 3. Имитационное стохастическое моделирование процессов
      • 3. 3. 1. Стохастическое моделирование закономерности Фаулера
  • Нордгейма
  • Выводы
  • ГЛАВА IV. Классификация топологии поверхностей на основе полиномов
  • Морса
    • 4. 1. Топология поверхности
    • 4. 2. Примеры перечислительной классификации сигналов в системах мониторинга качества поверхностей
    • 4. 2. Трибосопротивление при наносканировании
  • Выводы

Моделирование процессов экзоэлектронной эмиссии при нанозондировании металлических поверхностей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Экзоэлектронная эмиссия — это испускание электронов холодной металлической поверхностью при механическом воздействии на неё. Эффект экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ) был открыт немецким физиком И. Крамером в 40-х годах XX века. Крамером было установлено, что испускаемые электроны имеют энергию порядка одного электрон-вольта и эмиссия после холодной обработки металла продолжается в течение нескольких часов или дней. Одно из объяснений экзоэлектронной эмиссии состоит в том, что энергия, необходимая для вылета экзоэлектрона из металла, освобождается при переходе атома из слабосвязанного состояния в более сильно связанное состояние на поверхности. Это может произойти в случае изменения поверхности в результате механического (статические или динамические нагрузки) или физико-химического воздействия на неё (окисление, адсорбция, десорбция). [1].

Важной характеристикой ЭЭЭ является энергия экзоэлектронов. Обычно она невелика и лежит в интервале от десятых долей до нескольких электрон-вольт. Энергетический спектр изменяется со временем и его зависимость от температуры весьма сложна. Измерения характеристик энергетического спектра важны для выяснения физической природы центров эмиссии и понимания механизмов ЭЭЭ.

Благодаря высокой структурной чувствительности ЭЭЭ возможности метода ЭЭЭ для изучения и неразрушающего контроля ряда физических и физико-химических явлений, происходящих на поверхности материалов, очень широки, несмотря на то, что механизмы многих процессов, приводящих к ЭЭЭ, еще не изучены.

По характеру стимулирующего воздействия различают фотостимулированную ЭЭЭ (ФЭЭЭ) и термостимулированную ЭЭЭ (ТЭЭЭ). На практике часто применяют одновременно световое и тепловое воздействия. ЭЭЭ без дополнительных средств возбуждения называют «темновой» эмиссией. Существует ещё один способ возбуждения ЭЭЭ — механическое воздействие. Однако в настоящее время подобный метод стимулирования ЭЭЭ не нашёл широкого применения в связи с тем, что достаточно трудно контролировать силу удара, площадь исследуемого объекта, на которую пришёлся удар (пятно удара) и т. п. [1].

Для того чтобы разобраться в существе вопроса, необходимо создать физическую модель экзоэлектронной эмиссии, а также проверить модельные представления, опираясь на экспериментальные данные, в результате чего определить основные модельные параметры. В настоящее время таких модельных представлений для экзоэлектронной эмиссии не обнаружено, однако в 1929 году Фаулером и Нордгеймом было дано квантово-механическое объяснение возникновению электрического тока между двумя электродами, находящимися в вакууме, при создании сильного электрического поля. Логичным было рассмотреть ее дальнейшее применение и для феноменологического описания механоактивационной экзоэмиссии. В основу моделирования была положена закономерность Фаулера — Нордгейма. [56].

В модель механоактивационной экзоэмиссии заложена информация о топологии (шероховатости) поверхностных слоев и далее использован оригинальный перечислительный принцип классификации сигналов атомно-силовой микроскопии на основе полиномов Морса.

Кроме этого, интенсивность, характер и другие параметры механоэлектронной эмиссии зависят от воздействия на поверхность. В этом случае задачи на потери устойчивости играют немаловажную роль. Однако до настоящего времени вопросы динамической устойчивости с учетом неконсервативных сил не нашло развернутого освещения, в связи с этим в работе предлагается сравнение действия консервативных и неконсервативных сил при исследовании динамики воздействия на поверхность материала для получения ЭЭЭ.

Целью работы является создание модели механоактивационной экзоэмиссии с привлечением закономерности Фаулера-Нордгейма, разработка перечислительного принципа классификации сигналов атомно-силовой микроскопии с учетом стохастической оценки параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Обосновать физический подход к математическому моделированию с использованием известных процессов электронной эмиссии.

• Построить модель механоактивационной экзоэмиссии на основе зависимости Фаулера — Нордгейма с учетом топологии (шероховатости) поверхности материала.

• Разработать алгоритм программы моделирования механоактивационной экзоэмиссии и стохастической оценки ее параметров.

• Промоделировать процессы механоэлектронной экзоэмиссии с использованием различных параметров.

• Оценить параметры закономерности Фаулера — Нордгейма в рамках стохастического моделирования.

• Разработать методику классификации топологии поверхностей на основе полиномов Морса.

• Дать оценку динамической устойчивости зонда.

• Разработать методику оценки трибосопротивления при перемещении зонда.

Выводы.

Разработан новый подход к оценке трибосопротивления при наносканировании поверхностей. Предложен метод перечислительной классификации информации, получаемой при сканировании поверхностей твердых тел с использованием средств сканирующей зондовой микроскопии. Приведены примеры классификации данных СЗМ с использованием разработанного метода и определены коэффициенты действия АС для каждого образца. На основе предложенных методов могут быть написаны программы, имеющие возможность для подключения к уже существующим программам обработки данных СЗМ, допускающим использование пользовательских модулей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Построена модель взаимодействия зонда с поверхностью на основе зависимости Фаулера — Нордгейма, позволяющая смоделировать механоактивационную экзоэлектронную эмиссию.

2. Разработана методика классификации поверхностей на основе полиномов Морса, с учетом которой появилась возможность осуществить описание топологии поверхности.

3. Осуществлена стохастическая оценка параметров закономерности Фаулера — Нордгейма, и показано, что при большой дисперсии шума он существенно влияет на испускание электронов, а и при малой дисперсии, шум не влияет на эмиссию электронов.

4. Построен алгоритм программы и создан пакет программ для моделирования механоактивационной экзоэмиссии.

5. Модельно осуществлен учет шероховатости (топологии) поверхности при реализации механоэлектронной экзоэмиссии, в результате учета топологии эмиссия электронов активизируется на порядок.

6. Оценена устойчивость зонда при его воздействии на поверхность образца и показано, что при неконсервативном воздействии критическая сила на порядок больше.

7. Оценено трибосопротивление зонда при его перемещении относительно исследуемого образца.

Показать весь текст

Список литературы

  1. В.Т. Черепин, М. А. Васильев. Методы и приборы для анализа поверхности материалов. Киев, издательство «Наукова думка», 1982, с. 51.
  2. А. Scharmrann, in: Proc. of 3rd Intern. Symposium on Exoelectrons, PTBMitteilungen 80, 321 (1970).
  3. W. Russe 1, Proc. Roy. Soc. 61, 424 (1897)
  4. H. Curie, C.R.Ac. Sei. 129, 714 (1899)
  5. M. Tahaka, Phys. Rev. 48, 916 (1935)
  6. W. Christoph, Ann. d. Phys. 23, 747 (1935)
  7. W. B. Lewis, W. E. Burcham, Proc. Cambr. Phys. Soc. 32, 503 (1936).
  8. J. Kramer, Zs. Phys. 125, 739 (1949),
  9. J. Kramer, ibid. 128, 538 (1950).
  10. Р.И. Минц, И. И. Мильман, В. И. Крюк. Экзоэлектронная эмиссия полупроводников. // Успехи физических наук., М.: Изд-во: «Наука», 1976, т. 119, вып. 4., с 749−766.
  11. А.И. Виленский, В. А. Клюев, Ю. П. Топоров, Е. С. Ревина. Влияние гетерогенности диэлектрической пленки на процесс ее активации и параметры наблюдаемой с нее термостимулированной экзоэлектронной эмиссии. // Письма в ЖТФ, 1997, том 23, вып. № 6, с. 90−93.
  12. H.A. Захаров, В. А. Клюев, Ю. П. Топоров, Т. В. Захарова. Экзоэлектронная эмиссия кристаллов LIJO3. // Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. № 3, с. 35 — 37.
  13. В.А. Клюев, Ю. П. Топоров, Д. Л. Загорский, JI.H. Демьянец, А. И. Мунчаеы. Влияние кристаллографической ориентации поверхности на термостимулированную экзоэмиссию кристаллов лейкосапфира и оксида цинка. // Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып № 17, с. 25 30.
  14. В.И. Болдырев, A.C. Векслер, A.A. Гаврилюк. Влияние термической обработки сплава Fe64Co2iBi5 на спектральные особенности экзоэлектронной эмиссии. // Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. № 12, с. 76 — 81.
  15. В.А. Клюев, O.A. Кутузова, Е. С. Ревина, Ю. П. Топоров. Влияние механоактивации на экзоэмиссионные свойства активированного угля. // Письма в ЖТФ, 2001, том 27, вып. № 5, с. 32 35.
  16. Е.И. Толпыго, К. Б. Толпыго, М. К. Шейнкман, Изв. АН СССР, сер. физ. 30, 1901 (1966).
  17. В.Е. Панин. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. 2000. — Т. 3. — № 6. — С. 5 — 36.
  18. С. Физическая мезомеханика как полевая теория. // Физическая мезомеханика № 8, вып. 5, 2005, с. 17 22.
  19. Г. Биннинг, Г. Рорер. Сканирующая туннельная микроскопия от рождения к юности. — Нобелевские лекции по физике — 1986. // Успехи физических наук, том 154, вып. 2, с. 261 — 278.
  20. В. А. Быков. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологии. // Микросистемная техника, 2000, № 1, с. 2123.
  21. В. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Москва: Техносфера, 2004, 144 с.
  22. N. A. Burnham, G. Gremaud, A. J. Kulik, P.-J. Gallo, and F. Oulevey. Materials' properties measurements: Choosing the optimal scanning probe microscope configuration. // J. Vac. Sci. Technol. В 14 (2), Mar/Apr 1996, pp. 1308 -1312.
  23. Stephen L. Gillett, Ph.D. Nanotechnology: Clean Energy and Resources for the Future. // White paper for Foresight Institute 11/02, 2002, pp. 1 — 92.
  24. A.A. Бухарев, Д. В. Овчинников, A.A. Бухарева. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор). // Исследования структуры и свойств. Физические методы исследования и контроля, 1996, с. 10−27.
  25. J. Divisek, В. Steffen, U. Stimming, Wolfgang Schmickler. Metal deposition near the tip of a scanning tunneling microscope. // Journal of Electroanalytical Chemistry 440 (1997), pp. 169 172.
  26. Т. Шермергор, В. Неволин. Новые профессии туннельного микроскопа. // Наука и жизнь, 1990, № 11, 54−57.
  27. A.V. Zhikharev, S.G. Bystrov. Auxiliaries for Scanning Probe Microscopy. // SPM- 2003, Proceedings Nizhni Novgorod, March 2−5, 2003.
  28. G. Binning, C.F. Quate. Atomic Force Microscope. // Physical Review Letters, vol. 56, № 9, pp 930 933.
  29. Alexander I. Livshits, Alexander L. Shluger. Atomic and chemical resolution in scanning force microscopy on ionic surfaces. // Applied Surface Science, 141 (1999), pp. 274−286.
  30. A.A. Суслов, С. А. Чижик. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор). // Материалы, технологии, инструменты, том 2 (1997), № 3, с. 78 89.
  31. V. Bykov, A. Gologanov, V. Shevyakov. Test Structure for SPM Tip Shape Deconvolution. // Appl. Phys. A 66 (1998), 499 502.
  32. П.А. Арутюнов, A.JI. Толстихина. Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов в микро- и наноэлектроники. Часть II. // Микроэлектроника, том 29 (1999), № 1, с. 13−22.
  33. A.A., Керпелева С. Ю., Котов В. В., Сапожников И. Д., Голубок А. О. Датчик локального силового и туннельного взаимодействия В сканирующем зондовом микроскопе. // Научное приборостроение, 2005, том 15, № 1,с. 62−69.
  34. С.Ю. Керпелева. Универсальный датчик локального силового взаимодействия и туннельного тока для сканирующего зондового микроскопа // Вестник II межвузовской конференции молодых учёных СПбГУ ИМТО, 28 31 марта 2005 г., том 2, с. 146 — 150.
  35. В.М. Мусалимов, JI.T. Хамидуллина, П. П. Коваленко. Прикладные задачи перечислительной комбинаторики. Учебное пособие по курсу «Дискретная математика». СПб: СПбГУ ИТМО, 2011. — 69 с.
  36. В.М., Валетов В. А. Динамика фрикционного взаимодействия. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. — 191 с.
  37. П.И. Лукирский. Вырывание электронов электрическим полем. // Успехи физических наук, 1945, т. XXVII, вып. 2, с. 199−212
  38. A.JI. Создание и ЗО-характеризация металлических наноструктур на поверхностиполимера с использованием метода динамической силовой литографииисканирующей силовоймикроскопии. Автореф. дисс. к-та техн. наук. СПб., 2011.
  39. H.A. Захаров, В. А. Клюев, В. П. Орловский. Термостимулированная экзоэлектронная эмиссия при структурном переходе Саю (Р04)6(0Н)2. // Письма в ЖТФ, 2001, том 27, вып. № 4, с. 1 3.
  40. В.А., Панин В. Е., Засимчук Е. Э. и др. Кооперативные деформационные процессы и локализация деформации. Отв. ред. Немошкаленко В. В., АН УССР. Ин-т металлофизики.— Киев: Наук, думка, 1989, 320 с.
  41. A.A., Михайлов А. П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2002.
  42. Л.Д., Лившиц Е. М. Теория упругости. М.: Наука, 1987.
  43. В.В. Мещеряков. Задачи по статистике и регрессионному анализу с MATLAB. М.: Диалог МИФИ, 2009 — 448 с.
  44. П. П. Перечислительные методы и цифровые технологии классификации сигналов в системах мониторинга качества поверхностей, Автореф. дисс. к-та техн. наук. СПб., 2011.
  45. П. П., Мусалимов В. М. Прямая и обратная задачи паттернизации сигналов и изображений // Известия вузов. Приборостроение, 2011,№ 1, с. 38−45.
  46. , В. М. Дик О. Е., Тюрин А. Е. Параметры действия энергетического спектра вейвлет-преобразований // Известия вузов. Приборостроение. 2009. — Т. 52, N 5. — С. 10−15.
  47. Я., Джексон Д. Перечислительная комбинаторика. Пер. с англ./Под ред. В. Е. Тараканова. М.: Наука, 1990. — 504 с. — ISBN 5−02−13 967-X.
  48. С. К. Лекции о производящих функциях, — 2-е изд., испр. -М.: МЦМНО, 2004. 144 с. — ISBN 5−94 057−042−9.
  49. П.А. Арутюнов, A.JI. Толстихина. Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов в микро- и наноэлектроники. Часть I. // Микроэлектроника, том 28 (1999), № 6, с. 405 414.
  50. JI.H., Гомоюнова М. В. Эмиссионная электроника., М.: Наука, 1966. 364 с.
  51. J. Р. Spatz, S. Sheiko, М. Moller, R. G. Winkler, P. Reineker, О. Marti. Forces affecting the substrate in resonant tapping force microscopy. // Nanotechnology, 6 (1995), 40−44.
  52. П.П. Коваленко, B.M. Мусалимов, С. Ю. Перепелкина. Перечислительная классификация информации сканирующей зондовой микроскопии. // Приборостроение, 2012, том 55, вып. 6, с. 35−39.
  53. A.A. Технология создания и исследования пьезорезонасных зондовых датчиков для сканирующего зондового микроскопа. Автореф. дисс. к-татехн. наук. СПб., 2012.
  54. Справочник Шпрингера по нанотехнологиям. В 3 томах. Том 2. Под редакцией Б. Бхушана. Издательство: Техносфера. Серия: Мир материалов и технологий- 2010 г. 1040 с.
  55. И.И., Громов В. Г. Устойчивость консольного вязкоупругого стержня, загруженного следящей силой. // Изв. АН СССР, 1976, № 4, с. 179−182.
  56. A.A. Андронов, A.A. Витт, С. Э. Хайкин. Теория колебаний., М., 1959.
  57. Дж. М. Т. Томпсон. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. — 254 с.
  58. В.В. Бондаренко. Эмиссия электронов и ионов из твердого тела в вакуум: Учебное пособие. М.: изд. МФТИ, 1982. — 83 с.
  59. С.М. Конструкционная вязкость и устойчивость систем сопряженных стержней под действием переменных сил., Автореф. дисс. к-та техн. наук. Томск, 1987.
  60. Д.И. Трубецков. Вакуумная микроэлектроника. // Соровский образовательный журнал, № 4, 1997, с. 58 64.
  61. Л. Эсаки. Путешествие в страну туннелирования. Нобелевские лекции по физике 1973 г. // Успехи физических наук., том 116, вып. 4, 1975, 569 583 с.
  62. Б.В. Стеценко. Отступление от формулы Фаулера Нордгейма для тока авоэмиссии из наночастиц. // Журнал технической физики, 2011, том 81, вып. 4, 152−154 с.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!