Сканирующие элементы зондовых микроскопов - Изоморфизм и варизонные структуры карбида кремния

Сканирующие элементы (сканеры) СЗМ с высокой точностью контролируют расстояние зонд-образец и осуществляют перемещения зонда в плоскости . Сканеры изготавливаются из пьезоэлектриков - материалов, изменяющих свои размеры во внешнем электрическом поле (обратный пьезоэлектрический эффект). Наиболее распространенный для этого применения материал - цирконат-титанат свинца.

сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых пьезоэлементах

Рис. 2.3. Сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых пьезоэлементах

Недостатками такого сканера являются сложность изготовления и сильная асимметрия конструкции. Общий вид трубчатого сканера и схема расположения электродов представлены на рисунке 2.4. Материал трубки имеет радиальное направление вектора поляризации.

трубчатый пьезосканер

Рис. 2.4. Трубчатый пьезосканер

Внутренний электрод обычно сплошной.

Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на четыре секции. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны.

Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Таким образом осуществляется сканирование в плоскости. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси.

Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки.

Пьезокерамики, используемые для изготовления сканеров, обладают некоторыми недостатками:

    1) нелинейность пьезоэлектрических свойств накладывает ограничение на диапазон рабочих напряжений; 2) запаздывание реакции на изменение величины управляющего напряжения приводит к геометрическим искажениям в СЗМ изображениях; 3) гистерезис пьезокерамики - при одних и тех же управляющих напряжениях пьезокерамика оказывается в разных точках траектории в зависимости от направления движения.

Для борьбы с этими недостатками используют специальные датчики, устанавливаемые непосредственно на каждый пьезоэлектрический элемент и позволяющие с высокой точностью определять абсолютные значения изменения геометрических размеров сканеров.

Каждый пьезоэлемент имеет свой уникальный пьезоэлектрический коэффициент от 1 до 3000 /В.

Так, при приложении напряжения 100 мВ к пьезоэлементу с коэффициентом расширения 1 /В получаем перемещение 0,1 . Использование таких элементов позволяет осуществлять прецизионное трехмерное позиционирование зонда над поверхностью.

Похожие статьи




Сканирующие элементы зондовых микроскопов - Изоморфизм и варизонные структуры карбида кремния

Предыдущая | Следующая