12. Принцип действия туннельного микроскопа.

Принцип работы РТМ сравнительно прост. Сканирующая металлическая игла, закрепленная в трехкоординатном приводе P_X, P_Y, P_Z, расположена перпендикулярно исследуемой поверхности.

Рис. 4.13. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа:

1 – игла; 2 – исследуемая поверхность; 3 – трехкоординатный пьезопривод; 4 – система обратной связи

С помощью пьезопривода игла подводится к поверхности образца до возникновения туннельного тока I_T, который определяется величиной зазора s между иглой и поверхностью:

,

где Ф – величина потенциального барьера в зазоре, измеряемая в электронвольтах; U – напряжение, приложенное между иглой и образцом в вольтах; s – зазор между поверхностью и иглой в ангстремах.

При постоянном напряжении U на зазоре игла перемещается вдоль поверхности, причем с помощью системы обратной связи, воздействующей на пьезоэлемент P_Z, туннельный ток I_T поддерживают постоянным. Если величина барьера Ф постоянна вдоль исследуемой поверхности (материал поверхности однороден), то величина туннельного тока будет изменяться пропорционально величине зазора между иглой и поверхностью и график изменения этого тока будет описывать профиль рельефа поверхности. Набор таких профилей даст непосредственную информацию о топографии поверхности.

12. Принцип действия силового микроскопа.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM — atomic-force microscope) —сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения.

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и образцом, в первую очередь подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые сначала являются силами притяжения, а при дальнейшем сближении переходят в силы отталкивания. В зависимости от характера действия силы между кантилевером и поверхностью образца выделяют три режима работы атомно-силового микроскопа:

• Контактный

• «Полуконтактный»

• Бесконтактный

Здесь необходимо пояснить, что именно берётся за ноль расстояния во избежание путаницы. На приведённом рисунке ноль соответствует нулевому расстоянию между ядрами атома на поверхности и наиболее выступающего атома кантилевера. Поэтому ноль силы находится на конечном расстоянии, соответствующем границе электронных оболочек этих атомов (при перекрытии оболочек возникает отталкивание). Если взять за ноль границы атомов, то сила обратится в ноль в нуле расстояния.

12. Теоретические основы оптических методов нк

Световые колебания, как и любые другие электромагнитные колебания, характеризуются волновыми и корпускулярными свойствами.

Волновые свойства света. Монохроматический луч света представляется как плоскопараллельная электромагнитная волна с взаимоперпендикулярными направлениями колебаний векторов электрического E^→ и магнитного H^→ полей. Причём направления их колебаний перпендикулярны направлению распространения волны.

Фазовый анализ провзаимодействующего с объектом светового пучка можно осуществить, используя такие проявления волновых свойств света, как дифракция и интерференция.

При наложении двух когерентных световых потоков происходит их интерференция - явление возникновения стоячих световых волн, характеризуемых наличием пучностей, в которых происходит усиление световых колебаний, и впадин, в которых наблюдается снижение амплитуды световых колебаний.

Явление интерференции используется в интерферометрах, спектральных приборах, в голографических методах контроля.

Явление поглощения объясняется корпускулярными свойствами света. Корпускулярными свойствами света объясняются такие оптические явления, как поглощение света, внешний и внутренний фотоэффект, сплошной спектр теплового излучения твёрдого вещества, линейчатый спектр поглощения и излучения газов, люминисценция и др.

С ростом интенсивности света энергия фотоэлектронов не изменяется, а с ростом частоты световых колебаний она наоборот увеличивается.

Излучение света (а точнее - электромагнитных волн в широком спектре) твёрдым телом, нагретым до некоторой температуры T, подчиняется закону Планка, описывающему спектральную плотность абсолютно чёрного тела (АЧТ): r (T) = C₁^-5(е^C2/ -1)^-1 . Для твёрдого тела кривые, описываемые этим законом непрерывны в силу наличия большого количества энергетических состояний атомов и молекул кристаллической решётки, электронные переходы которой весьма разнообразны по излучаемым квантам электромагнитной энергии.

По спектру собственного излучения нагретого объекта можно бесконтактным способом измерить его температуру. На этом основаны методы оптической пирометрии и тепловидения.

В газообразном и жидком веществе электронные оболочки атомов относительно невелики и электроны соответственно могут находиться в ограниченном количестве энергетических состояний, которые определяют дискретность спектра излучаемых ими квантов энергии. Т.е. спектр собственного излучения газов и жидкостей обычно не сплошной а линейчатый, что позволяет легко идентифицировать по нему химический состав этого вещества.