Устройство для управления туннельным током и зазором (варианты)

 

Устройство для управления туннельным током и зазором содержит источник напряжения, пьезоэлемент, жестко закрепленный на нем зонд и клемму для подключения образца, формирующего совместно с зондом туннельный зазор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит постоянный резистор, подключенный параллельно пьезоэлементу, включенному между зондом и источником напряжения, подключенным к клемме, при этом полярность включения пьезоэлемента такова, что повышение напряжения на нем обеспечивает перемещение зонда по направлению от образца. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство может применятся как в растровой туннельной микроскопии, так и в приборах нанотехнологии, где необходимо автоматическое поддержание туннельного тока и зазора. Особую важность имеет применение данного устройства для многозондовых систем, где необходимо независимое автоматическое управление большим количеством зондов одновременно.

Известна схема управления туннельным током и зазором в микроскопе [1] Она состоит из входного блока преобразователь ток напряжение, вход которого подключен к зонду и образцу, и блока цепи обратной связи, вход которого подключен к выходу входного блока, а выход подключен к пьезопреобразователю. Блок цепи обратной связи состоит из источника опорного напряжения, регулятора для ручной установки напряжения на зазоре, инвертора входного напряжения, подблока сравнения туннельного тока и усиления сигнала рассогласования, аналогового запоминающего устройства, интегратора, фильтра высоких частот Баттерворта, инвертора, высоковольтного усилителя.

В качестве прототипа выбрана схема управления туннельным током и зазором в туннельном микроскопе [2] Блок-схема устройства управления состоит из трех основных составляющих: туннельного промежутка (зонд, образец), электронного блока управления, исполняющего устройства пьезоэлемента. Ввиду сложной амплитудно-частотной характеристики пьезоэлемента (наличие резонансов) к электронному блоку предъявляются достаточно жесткие требования для предотвращения самовозбуждения по петле обратной связи. Электронный блок состоит из активного выпрямителя, логарифмического усилителя, интегратора, инвертирующего усилителя, суммирующего усилителя с высоким возможным выходным напряжением. Данная схема обратной связи является достаточно типичной для аналоговых устройств управления в туннельных микроскопах и обладает рядом недостатков: электронный блок, настроенный для работы с определенным типом пьезоэлементов, должен быть перестроен в случае применения другого типа пьезоэлементов. Конструкция достаточно сложная, содержит большое количество элементов, что снижает ее надежность из-за более высокой вероятности дрейфа параметров или выхода из строя одного из элементов. Применение такой конструкции для многозондовых устройств, где необходимо независимое управление большим количеством зондов, приведет к высокой стоимости, к значительному снижению надежности, увеличению размеров конструкции.

Технической задачей является повышение надежности и устойчивости к самовозбуждению, повышение быстродействия за счет устранения задержек, связанных с переходными процессами во внешнем электронном блоке, а также возможность миниатюризации предлагаемого устройства.

Предлагаются два варианта устройства для управления туннельным током и туннельным зазором, содержащее пьезоэлемент, туннельный зонд, резистор, источник напряжения и клемму для подключения образца.

По варианту 1 эти элементы соединены между собой следующим образом: туннельный зонд жестко закреплен на пьезоэлементе, постоянный резистор подключен параллельно пьезоэлементу, который соединен последовательно с источником напряжения и зондом, при этом взаимное включение пьезоэлемента и источника напряжения осуществлено с учетом полярности обоих элементов, а именно разнополярно, а источник напряжения соединен с клеммой для измеряемого образца.

По варианту 2 туннельный зонд также жестко прикреплен к пьезоэлементу, постоянный резистор, источник напряжения и пьезоэлемент соединены последовательно, образуя замкнутый контур, а зонд и клемма для измеряемого образца, где образуется туннельный зазор, подключены параллельно пьезоэлементу. Взаимное включение пьезоэлемента и источника напряжения осуществлено с учетом полярности этих элементов (однополярно).

По варианту 1 полярность включения источника напряжения и пьезоэлемента разнополярная и такая, что увеличение напряженности на пьезоэлементе приводит к перемещению зонда в направлении от образца, а уменьшение напряжения приводит к перемещению зонда в направлении к образцу.

По варианту 2 полярность включения, а именно однополярное включение, должна быть такой, что увеличение напряжения на пьезоэлементе вызывает перемещение зонда в направлении к образцу, а уменьшение в направлении противоположном. Необходимо подчеркнуть, что и в варианте 1, и в варианте 2 важно именно взаимное включение пьезоэлемента и источника напряжения, т.е. если включение правильное то, при замене полярности включения источника напряжения и пьезоэлемента на противоположное, схема сохраняет работоспособность, а туннельный ток изменит направление.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема включения, вариант 1; на фиг. 2 принципиальная схема включения, вариант 2; на фиг. 3 эквивалентная электрическая схема, вариант 1; на фиг.4 эквивалентная электрическая схема, вариант 2.

На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения: 1 резистор, 2 - пьезоэлемент, 3 зонд, 4 образец, 5 источник напряжения.

На фиг. 3 и 4 приняты обозначения: 6 индуктивность L, 7 эквивалентное сопротивление потерь, 8 электрическая емкость Cк, 9 паразитная емкость пьезоэлемента.

Уравнение, описывающее стационарное состояние системы управления, выглядит так: где Rоexp[D-(Uз -Uо)R] есть сопротивление зазора, а D-(Uз Uо)R d величина зазора между острием зонда и поверхностью образца; Uз напряжение на зазоре; Uп напряжение питания; Rк величина сопротивления; R чувствительность пьезоэлемента; U0 напряжение на зазоре, когда его величина равна нулю; Ф работа выхода электрона; Rо сопротивление зазора, когда величина зазора равна нулю;
D величина для отсчета зазора.

Рассмотрим принцип действия устройства, вариант 1.

Резистор 1 и зазор между острием зонда и поверхностью образца образуют делитель напряжения питания. Когда зазор велик, ток отсутствует, напряжение на зазоре равно напряжению питания, а напряжение на пьезоэлементе 2 и резисторе 1 равно 0. При уменьшении зазора напряженность поля возрастает, появляется ток и напряжение на пьезоэлементе 2 и резисторе 1. При этом пьезоэлемент 2 деформируется, отводя зонд на расстояние лишь немногим меньшее, чем то, что проходит образец, и так почти во всей части динамического диапазона, причем напряжение на зазоре Uз практически пропорционально величине зазора d, что следует из теории и хорошо согласуется с экспериментом. После определенного переходного участка зонд 3 начинает мало реагировать на приближение образца 4 и происходит касание.

Для оценки устойчивости и скорости переходных процессов рассмотрены нестационарные уравнения как с учетом резонансов (в приближении пьезоэлемент - пьезорезонатор), так и без учета резонансов с учетом лишь паразитной емкости пьезоэлемента (фиг.3, фиг.4). Анализ уравнений показал, что резонансные свойства пьезоэлемента при таком включении не оказывают большого влияния на устойчивость работы устройства, а это свидетельствует о возможности применения в нем различных типов пьезоэлементов.

Предлагаемое устройство в отличии от аналогов не содержит внешнего электронного блока, благодаря чему образуется система, находящаяся в устойчивом равновесии. Причем при внешнем воздействии, а именно, случайном приближении образца, изменении высоты рельефа при сканировании система переходит в новое устойчивое состояние, при этом зазор изменяется на величину, которая гораздо меньше величины внешнего воздействия.

Варианты устройства отличаются тем, что, если аварийно отключается источник питания во время работы, то в первом варианте зонд может "воткнутся" в образец, а во втором отойдет от образца. Иначе говоря, в первом варианте, чтобы выйти из режима слежения зазора, как и в обычных электронных устройствах слежения, нужно отвести подложку от зонда (или зонд от подложки). Во втором варианте предлагаемого устройства достаточно отключить источник напряжения.

Авторам не известно использование устройств, регулирующих поддержание туннельного зазора и туннельного тока, а именно, обеспечивающих обратную связь в системах управления сканирующим туннельным микроскопом, без использования внешних электронных блоков. Можно сделать вывод, что предлагаемое устройство соответствует критерию изобретательский уровень.

Пример выполнения. Для экспериментальных исследований был собран макет на механической базе туннельного микроскопа с трубчатым пьезоэлементом 2 из заполяризованной керамики ЦТС-19 с чувствительностью 5 нм/В. Игольчатый зонд 3 был изготовлен из вольфрама с применением процесса электрохимического травления. Для оптимальной зависимости параметров работы устройства от Rк использовался постоянный резистор 1 с номиналом 1 МОм. В качестве источника напряжения 5 применялись как стабилизированные блоки питания, так и батареи. Напряжение на зазоре измерялось при помощи как высокого вольтметра, так и при помощи осциллографа. После монтажа конструкции вход в рабочий режим осуществляется следующим образом. Зонд с помощью оптического устройства устанавливается на расстоянии 10 15 мкм от поверхности образца. После этого включается питание как в варианте 1, так и в варианте 2 и начинается плавное сближение зонда и образца с помощью электромеханического привода микроскопа до появления заданного тока, т.е. появления напряжения на пьезоэлементе 2 и резисторе 1 в варианте 1, и напряжения на резисторе 1 в варианте 2. После проведения исследований для выхода из режима в варианте 1 необходимо обязательно отвести подложку перед выключением питания, как в обычных микроскопах, а в варианте 2 можно отключить питание сразу.

Предложенное изобретение имеет широкий спектр применений: а) туннельная микроскопия; б) датчики на туннельном эффекте; в) многозондовые системы для нанотехнологических целей; г) многозондовые системы для устройств сверхплотной записи информации.

Все эти возможные области применения относятся к самым современным и перспективным разделам науки и техники. При этом предлагаемое устройство обладает таким важным преимуществом, как практически максимальной компактностью экономичностью, высокой надежностью, помехозащищенностью из-за отсутствия активных элементов, а также отсутствием задержки на переходных процессах во внешнем электронном блоке. Устройство гораздо дешевле, что опять же очень важно для создания многозондовых устройств.

Литература
1. Трояновский А. М. Цепь обратной связи и управление сканирующим туннельным микроскопом. Приборы и техника эксперимента, 1989, N1, с.165 170.

2. ДиЛелла Д. Уондесс Дж. Коултон Р. Система управления электронным микроскопом с трубчатым пьезопреобразователем. Приборы для научных исследований, 1989, N6, с.15 21. (Rev. Sci. Instrum. 60, N 6, 997 1002).


Формула изобретения

1. Устройство для управления туннельным током и зазором, содержащее источник напряжения, пьезоэлемент, жестко закрепленный на нем зонд и клемму для подключения образца, формирующего совместно с зондом туннельный зазор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит постоянный резистор, подключенный параллельно пьезоэлементу, включенному между зондом и источником напряжения, подключенным к клемме, при этом полярность включения пьезоэлемента такова, что повышение напряжения на нем обеспечивает перемещение зонда по направлению от образца.

2. Устройство для управления туннельным током и зазором, содержащее источник напряжения, пьезоэлемент, жестко закрепленный на нем зонд и клемму для подключения образца, формирующего совместно с зондом туннельный зазор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит постоянный резистор, соединенный последовательно с источником напряжения и пьезоэлементом, образуя замкнутый контур, а цепь, элементами которой являютсяя зонд и клемма, подключена параллельно пьезоэлементу, при этом полярность включения пьезоэлемента такова, что повышение напряжения на нем обеспечивает перемещение зонда по направлению к образцу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно к источникам сильноточных импульсных пучков электронов, и может быть использовано для генерации СВЧ-излучения, в исследовательских ускорительных установках, при осуществлении радиационных технологических процессов

Изобретение относится к каталитической химии, в частности к приготовлению катализатора (КТ) для крекинга нефтяных фракций и дожига оксида углерода в процессе регенерации КТ

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности, к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме

Изобретение относится к способам и устройствам для возбуждения объемного самостоятельного импульсного продольного разряда в газовых средах для создания источников спонтанного или когерентного излучения

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам тестирования параметров планарных полупроводниковых светодиодных гетероструктур (ППСГ) на основе GaN. Способ включает облучение светоизлучающей полупроводниковой гетероструктуры пучком электронов и возбуждение катодолюминесценции, причем возбуждение катодолюминесценции осуществляют облучением в импульсном режиме с длительностью импульса от 10 нс до 400 нс. Энергию электронов обеспечивают преимущественно 18 кэВ и выше. Технический результат заключается в уменьшении влияния неоднородности ионизационных потерь и в устранении деградации активных слоев ППСГ при измерениях. 2 ил.

Изобретение относится к вакуумно-плазменной технике, а именно к источникам атомов металла, преимущественно для синтеза на изделиях в вакуумной камере износостойких нанокомпозитных покрытий, и к источникам быстрых молекул газа, преимущественно для очистки и нагрева изделий перед синтезом покрытий для повышения их адгезии к изделию, а также для бомбардировки быстрыми молекулами поверхности покрытия. Технический результат - создание устройства для синтеза как проводящих, так и диэлектрических покрытий на изделиях из проводящих и диэлектрических материалов, которое обеспечивало бы снижение до нуля тока ускоренных ионов на поверхности изделия и импульсно-периодическую бомбардировку синтезируемого на ней покрытия молекулами газа с энергией в десятки кэВ. Устройство для синтеза композитных покрытий содержит рабочую вакуумную камеру 1, эмиссионную сетку 2 из осаждаемого металла, полый катод 3, ограниченный эмиссионной сеткой 2, анод 4 внутри полого катода 3, источник 5 питания разряда, положительным полюсом соединенный с анодом 4, а отрицательным полюсом соединенный с полым катодом 3, мишень 6, установленную на дне полого катода 3 напротив эмиссионной сетки 2, источник 7 высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с полым катодом 3, а отрицательным полюсом соединенный с мишенью 6, источник 8 сеточного напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом 4, а отрицательным полюсом соединенный через высоковольтный диод 9 с эмиссионной сеткой 2, и генератор 10 импульсов высокого напряжения, положительным полюсом соединенный с анодом 4 и отрицательным полюсом соединенный с эмиссионной сеткой 2. 1 ил.

Изобретение относится к электронным линзам, а точнее к иммерсионным магнитным объективам, и может быть использовано при формировании эмиссионного изображения исследуемого объекта на люминесцентном экране эмиссионного электронного микроскопа. Технический результат - повышение электронно-оптического увеличения при сохранении оптической базы микроскопа, улучшение качества эмиссионного изображения и расширение номенклатуры исследуемых объектов. Иммерсионный магнитный объектив эмиссионного электронного микроскопа содержит корпус с верхним и нижним полюсными наконечниками из магнитопроводящего материала с продольным каналом по оптической оси системы, в зазоре между которыми размещен объектодержатель с объектом. Верхний полюсный наконечник является анодом, изолирован от корпуса и выполнен из двух частей с разрывом между ними в виде щели в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Нижний полюсный наконечник выполнен с возможностью осевого перемещения. Нижняя часть верхнего наконечника закреплена на корпусе через изолятор. Верхний наконечник помещен в экранирующий электрод, который выполнен из немагнитного материала в виде усеченного конуса, соосного оптической оси, закрепленный на корпусе. Торцевые поверхности нижней части анода и конуса ограничены единой плоскостью. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Между электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую металлическую проволочку, которая размещается в свободном пространстве между электродами при таком расстоянии между ними, при котором разряд без проволочки самопроизвольно не возникает, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка. При этом разрядный канал помещают в перпендикулярное к нему магнитное поле такого направления, при котором увеличивается уход заряженных частиц из разрядного промежутка, что уменьшает разогрев электродов, необходимый для их испарения, что требуется для образования самостоятельного дугового разряда. Технический результат - предотвращение возникновения самостоятельного дугового разряда, также гашение горящего разряда. 1 ил.

Изобретение относится к плазменной электронике и может быть использовано при создании СВЧ-генераторов на основе взаимодействия электронных пучков с плазмой. Устройство содержит размещенные в однородном магнитном поле коаксиально расположенные в вакуумной камере кольцевой диск с центральным отверстием и с закрепленным на нем кольцевым термокатодом, трубку-сепаратор, выполненную по размерам центрального отверстия и установленную со стороны кольцевого термокатода, причем направление однородного магнитного поля совпадает с их осью симметрии, а также катушку индуктивности, соединенную с управляемым источником питания и выполненную с возможностью изменения напряженности магнитного поля в вакуумной камере для управления размерами трубчатой плазмы, а трубка-сепаратор изготавливается из металла с высокой проводимостью и толщиной стенки, исключающими проникновение через нее импульсного магнитного поля катушки индуктивности. Технический результат - повышение управляемости устройства путем обеспечения возможности увеличивать и уменьшать поперечные размеры плазменной трубки без смены термокатода и без воздействия на сильноточный электронный пучок, распространяющийся внутри трубки-сепаратора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для управления туннельным током и зазором (варианты), блок питания для микроскопа

Наверх