عنوان :

پایان نامه میکروسکوپ اتمی

تعداد صفحات : ۱۱۹

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

تحقیق حاضر در ۴ فصل می باشد. فصل اول درباره تاریخچه ، معرفی ، نحوه عملکرد، حالت های مختلف کارکرد ، انواع مختلف میکروسکوپ نیرو اتمی و تیرک و سوزن و خطاها در تصاویر و نتایج AFM توضیح می دهد.

بشر با اختراع میکروسکوپ نیرو اتمی پیشرفت‌های بسیاری در علم مواد و شناخت سطوح پیدا کرده است که در بسیاری از صنایع از جمله الکترونیک، ارتباطات، خودرو، فضانوردی و انرژی تأثیرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی فصل جدیدی در پیشرفت فناوری نانو و کاربردهای صنعتی آن می‌باشد.AFM   بطور کلی تکنیک جدید و روبه گسترشی است.  ابزاری نوید بخش و پایه‌ای در علوم و نانوتکنولوژی بوده و بسیاری از محققین در زمینه‌های تحقیقاتی مختلف از آن بهره می‌گیرند.میکروسکوپ نیروی اتمی از اجزاء و قطعات مختلفی تشکیل شده است، که مهم‌ترین بخش آن مجموعه « تیرک و نوک»  می‌باشد و در واقع قسمت اصلی برای شناخت سطوح به شمار می‌آید.و از مهمترین قسمت های میکروسکوپ سوزن است که باعث تمایز آن با سایر میکروسکوپها گردیده است.

 تمام ابزارهای اندازه گیری که توسط محققین و مهندسین بکار برده می شوند ممکن است در نتایج دچار خطا و اشتباه شوند. خطاها و اشکالات به چهار دسته عمده تقسیم می گردند:

۱-خطاهای سوزن      ۲-خطاهای ابزار روبش    ۳- پردازش تصویر    ۴-نوسانات

در فصل دوم به شرح نیروهای بین سوزن – سطح و الگوهایی جهت محاسبه نیروها پرداخته می شود. داشتن نظریه کاملی برای توصیف تمامی برهمکنش های ممکن بین سوزن و سطح، نیازمند کامپیوترهای بزرگ جهت محاسبات عددی می باشد، لذا در این فصل به ارائه الگوهای مختلفی برای محاسبه برهمکنشهای بین سوزن و سطح در میکروسکوپ نیرو اتمی می پردازیم. برای ارائه الگویی مناسب و کامل جهت محاسبات در مقیاس نانو، نیاز به بررسی های کوانتمی و آماری خواهیم داشت. در این بخش سعی گردیده تا در تمامی الگوهای ارائه شده سطوح را جامد، عاری از هر گونه ناخالصی و آلودگی در نظر بگیریم و با توجه به مطالب فوق تصحیحات مربوط به برهمکنش های ممکن را نیز در محاسبات وارد نماییم.

در فصل سوم به بررسی تئوری و آزمایشگاهی خواص نانو لایه دی اکسید تیتانیوم که روی زیر لایه های سیلیکون با ناخالصی بور و سیلیکون با ناخالصی آنتیموان که بصورت تک بلور هستند و شیشه در شرایط مختلف انباشت می پردازیم. نانو لایه دی اکسید تیتانیوم به روش کندوپاش و تبخیری روی زیر لایه های مذکور انباشت شد. این مشخصه یابی ها شامل خواص بلوری، اپتیکی الکتریکی و سطحی این ماده است. این مطالعات با استفاده از الگوها و روابط بدست آمده در فصل قبل و مقایسه نتایج تئوری بدست آمده با کارهای عملی انجام شده است. شرح و بررسی نیروهای بدست آمده در فواصل مختلف سوزن از سطح و همچنین اطلاعات بدست آمده از این داده ها در پروژه ها و تحقیقات آتی در زمینه های فیزیک لایه های نازک، نانو تکنولوژی، الکترونیک، مهندسی سطح، مواد و متالوژی، و… همچنین در تحقیقات صنعتی مفید واقع گردد.

    واژه های کلیدی: میکروسکوپ نیرو اتمی، تیرک، سوزن، برهم کنش، سطح جامد، نیروهای شیمیایی، نیروهای واندروالسی، نانو لایه دی اکسید تیانیوم، روش کندوپاش و روش تبخیری

فهرست مطالب

۱  میکروسکوپ نیرو اتمی۱
۱-۱ تاریخچه و معرفی۲
۲-۱ نحوه عملکرد AFM4
۱-۲-۱ آشکارسازی جهت گیری تیرک۷
۲-۲-۱ روشهای تصویر برداری در AFM9
۳-۱ حالت های مختلف کارکرد AFM11
۱-۳-۱ حالت های تماسی۱۲
۲-۳-۱ حالت غیر تماسی۱۶
۳-۳-۱ حالت شبه تماسی۱۷
۴-۱ انواع مختلف میکروسکوپ نیرو اتمی از لحاظ کاربرد۲۱
۱-۴-۱ میکروسکوپی نیروی افقی (LFM)21
۲-۴-۱ میکروسکوپی نیروی مغناطیسی (MFM)22
۳-۴-۱ میکروسکوپی نیروی الکتریکی (EFM)22
۴-۴-۱ میکروسکوپی پیمایشی سطح (SSPM)23
۵-۱ تیرک (Cantilever)25
۱-۵-۱ هندسه تیرک۲۵
۲-۵-۱ جنس و پو شش۲۸
۶-۱ سوزن (tip)29
۱-۶-۱ جنس و پوشش۲۹
۲-۶-۱ دسته بندی بر اساس خصوصیات هندسی۳۱
۷-۱ خطاها در تصاویر و نتایج AFM36
۱-۷-۱ خطاهای سوزن۳۶
۲-۷-۱ خطاهای ابزار روبش۳۸
۳-۷-۱ پردازش تصویر۴۱
۴-۷-۱ نوسانات۴۳
۸-۱ مقایسه بین AFM و سایر ابزارهای بررسی خصوصیات۴۵
۹-۱ جمع بندی۴۸
منابع۴۹
۲ برهمکنش های بین سوزن میکروسکوپ نیرو اتمی و سطوح جامد۵۰
۱-۲ مقدمه۵۱
۲-۲ نیروهای بین سوزن و سطح جامد۵۱
۱-۲-۲ نیروهای شیمیایی۵۲
۲-۲-۲ الگوی پوسته ای۵۴
۳-۲-۲ تئوری تابعی چگالی۵۸
۴-۲-۲ نظریه تابعی چگالی موضعی (LDA)59
۵-۲-۲ تئوری هارتری- فوک (HF)61
۳-۲ نیروهای واندروالسی۶۲
۱-۳-۲ محاسبه نیروی واندروالسی بین سوزن کروی و سطح جامد۶۴
۲-۳-۲ برهمکنش واندروالسی بین دی الکتریک کروی و یک سطح دی الکتریک
بلوری۶۶
۴-۲ الکتروستاتیک کلونی۶۸
۵-۲ نیروهای تصویری۷۰
۶-۲ نیروهای اتلافی واندروالسی۷۱
۷-۲ نیروهای مغناطیسی۷۴
۸-۲ نیروهای مویینگی۷۵
۹-۲ الگوی صفحات موازی با اعمال ولتاژ DC76
۱-۹-۲ الگوی صفحات موازی برای نیروی جاذبه بین سوزن و سطح۷۸
۲-۹-۲ محدودیت ها و معایب روش صفحات موازی۸۰
۳-۹-۲ مزیت های الگوی صفحات موازی۸۰
۱۰-۲ الگوی ظرفیت۸۱
۱-۱۰-۲ مزیت های الگوی ظرفیت۸۳
۲-۱۰-۲ محدودیت های الگوی ظرفیت۸۳
۱۱-۲ جمع بندی۸۴
منابع۸۵
۳ رشد و مشخصه یابی نانو لایه دی اکسید تیتانیوم ۸۷
۱-۳ مقدمه۸۸
۲-۳ انباشت به روش تبخیر فیزیکی (PVD)88
۱-۲-۳ روش تبخیر۸۹
۳-۳ زیر لایه ها و خواص آنها۹۰
۴-۳ شرایط انباشت نانو لایه دی اکسید تیانیوم به روش کندوپاش۹۲
۵-۳ شکل بلوری دی اکسید تیتانیوم۹۳
۱-۵-۳  بررسی تأثیر دما در تولید فازهای بلوری آناتیس و روتیل۹۵
۲-۵-۳ بررسی اثر فشار کمکی اکسیژن در تولید فازهای مختلف آناتیس و روتیل    ۹۶
۶-۳ خواص اپتیکی دی اکسید تیتانیوم۹۸
۱-۶-۳ انعکاس و عبور توسط یک لایه نازک تداخل۹۸
۲-۶-۳ تأثیر دمای زیر لایه بر درصد عبور۱۰۰
۳-۶-۳ بدست آوردن بندگاف لایه نازک دی اکسید تیتانیوم۱۰۱
۷-۳ منحنی های بدست آمده از NC-AFM روی سطح TiO2102
۱-۷-۳ بدست آوردن گذردهی الکتریکی نانو لایه دی اکسید تیتانیوم۱۰۳
۸-۳ جمع بندی۱۰۷
منابع۱۰۸
۴ نتیجه گیری۱۰۹
۱-۴ بررسی نتایج آزمایشگاهی تأثیر دما در تولید فازهای آناتیس و روتیل۱۱۰
۲-۴ بررسی اثر فشار کمکی اکسیژن در تولید فازهای مختلف آناتیس و روتیل۱۱۰
۳-۴ خواص اپتیکی دی اکسید تیتانیوم۱۱۰
۴-۴ تأثیر دمای زیر لایه  بر درصد عبور و ضریب شکست لایه۱۱۱
۵-۴ نتایج مقدار  بند گاف بدست آمده لایه نازک دی اکسید تیتانیوم۱۱۲
۶-۴ نتایج و بررسی های منحنی های بدست آمده از NC-AFM روی سطح TiO2  ۱۱۲
منابع۱۱۴

منابع

۱٫ انجمن علمی دانشجویی نانوتکنولوژی دانشکده فنی دانشگاه تهران، “نانوتکنولوژی آیینه تکنولوژی آفرینش”، تهران ۱۳۸۰

 ۲٫ introduction to AFM method and apparatus, online available at

 ۳٫ Alexander, S., Hellemans, L., Marti, O., Schneir, J., Elings, V., Hansma, P.K., Longmiro, M., and Gurley, J. (1989) J. Appl. Phys. 65(1), 164-167

 ۴٫ How AFM works from “The tip-sample interaction in atomic force microscopy and its implications for biological applications “, Ph.D. thesis by David Baselt, California Institute of Technology, Copyright © ۱۹۹۳ by David Baselt.

۵٫ ” from the Department of Chemistry & Biochemistry at the University of Guelph.

۶٫ G. Y. Jing , Jun. Ma and D. P. Yu^* State Key Laboratory for Mesoscopic Physics, School of Physics, Peking University Beijing 100871, P. R. China

۷٫ Introduction to AFM, from Mark J. Waner, Michigan State university

[۱] P. W. Murray, N. G. Condon, Phys, Rev. B 51, 10989 (1995).

[۲] H. Onishi and Y. Iwasawa, Surf. Sci. 313 L783  (۱۹۹۴).

[۳] P. J. Moller, M. C. Wu, Surf. Sci. 329 241 (1995).

[۴] S. Munnix and M. Schmeits, Phys. Rev. B 31, 3369 (1985).

[۱] J. Kwo, M. Hong et al., J. Cryst. Growth 251 (2006), p. 645.

 [۲] Yi. Chen, Hsin. Yi. CHINESE  JOURNAL OF PHYSICS 33 (2000), p. 232.

 [۳] G. Vidali, G. Ihm, Surf. Sci. Reports 12, p. 133 (1999).

 [۴] X. D. Wang, J. Kulik, Mater. Res. Soc. Sympproc. 738, p. 183 (2003).

 [۵] H. Arakawa, K. Umemura and A. Ikai, Nature 358, p. 171 (1992).

 [۶]  B. N. J. Persson, Chem. Phys. Lett. 60,  p. 366 (1988).

 [۷]  S. Sze, The Physics of Semiconductor Devices, Wiley New York, p. 411 (1981).

 [۸]  F. F. Abraham, I. P. Batra, Phys. Rev. Lett. 60,  p. 1314 (1988).

 [۹]  H. Yokoyama and T. Inoue, Thin Solid Film 242, p. 33 (2004).

 [۱۰]  J. Jahanmir, B.G .Haggar, Scanning Microsc. 6, p. 625 (2002).

 [۱۱]  U. Durig, O. Zuger, J. Microsc. 152, p. 259 (2003).

 [۱۲]  G. D. Wilk, R. M. Wallace and J. M. Anthony, J. Appl. Phys. 89 ,p. 5243 (2005).

 [۱۳]  R. M. C. De Almeida and I. J. R. Baumvol, Surf.Sci. Rep. 49, p. 1 (2003).

 [۱۴] K. Miyaket etal., J. Appl. Phys. 91,  ۳۴۶۸  (۲۰۰۲).

 [۱۵] A. S. Foster, A. l. Shluger, Appl. Phys  A (2000).

 [۱۶] R. Bennewitz, A. S. Foster, Phys. Rev. B 62, 2074 (2000).

 [۱۷] Van Roij, J. Phys. Condens. Matter, 11, 10047 (1999).

 ۱-۱    پیشگفتار

      میکروسکوپ نیرو اتمی[۱] یا به عبارت دیگر میکروسکوپ نیرو پویشی[۲] نخستین بار توسط کوئیت، بنینگ و گربر در سال۱۹۸۶ اختراع شد. اولینAFM  از یک قطعه کوچک الماس که به انتهای یک نوار کوچک طلا بسیار دقیق چسبانده شده بود ساخته شد. در حالیکه نمونه زیر تیپ روبش می شد یک قلاب کوچک در انتهای نگهدارنده بر روی سطح فشار وارد می آورد. نیرویی که بین تیپ و نمونه وجود داشت، باعث خم شدن نگهدارنده می شد، که با استفاده از آشکار ساز جریان جمع شده در نگدارنده مشخص می گردید. اولین اندازه گیری روی نیترید برم انجام شد، که توانست خصوصیات سطح را تا °A300 تعیین کند. در نوع امروزی نیز اساس کار تغییری نکرده و فقط آشکارسازی بوسیله ابزار اپتیکی انجام می شود. همانند سایر میکروسکوپ های پروب روبشی در AFM نیز از یک پروب بسیار تیز استفاده شده است که طی فرایند روبش بر روی سطح نمونه حرکت میکند. در میکروسکوپ پروب در قسمت انتهایی نگهدارنده[۳] قرار گرفته که در واقع نوک ابزار را تشکیل میدهد که بر اثر نیروی بین قسمت سر پروب و نمونه خم می شود. در اولین طرحی که از ابزار  AFMارائه شد از یک میکروسکوپ تونلی پویشی در قسمت انتهای نگهدارنده برای تعیین میزان خمش نگهدارنده استفاده شد اما اکنون در مدلهای مختلف این ابزار از نگهدارنده های نوری استفاده می شود. با خمش نگهدارنده نور لیزر روی دیود نوری دوگانه انعکاس می یابد با اندازه گیری تفاوت سیگنال      A , B)) تغییرات در خمش نگهدارنده را می توان اندازه گیری کرد. حرکت قسمت سر یا نمونه توسط دستگاه موقعیت یاب دقیقی کنترل می شود که از سرامیکهای پیزوالکتریک ساخته شده که اغلب اوقات به شکل یک پویشگر تیوپی است. این پویشگر توانایی حرکت زیر انگستروم را در جهات  x, y, zدارد. قاعدتاً محور zعمود بر موقعیت نمونه قرار دارد از آنجایی که نگهدارنده در جابجاییهای کوچک از قانون هوک پیروی میکند از روی جابجاییهای نگهدارنده می توان نیروی بر همکنش بین تیپ و نمونه را بدست آورد.

      سرامیک های پیزوالکتریک موادی هستند که با اعمال میدان الکتریکی به آنها طولشان در حد آنگستروم تغییر میکند. بنابراین می توان از آنها برای جابجاییهای بسیار کوچک استفاده کرد.