Sərbəst iş №1 Nanotexnologiya və onun inkişaf prespektivləri

Sərbəst iş №6
Atom qüvvə mikroskopu

Atom qüvvə mikroskopu (AQM) 1986-cı ildə Qerd Binniqin başçılığı ilə onun elmi tədqiqat qrupu tərəfindən kəşf edilmişdir. AQM-nun iş prinsipi zond və səth arasında olan qarşılıqlı təsirə əsaslanır. Belə ki, AQM–da zond ilə səth arasında yaranan böyük qarşılıqlı təsir qüvvəsi siqnal almaq üçün istifadə edilir. Prinsip etibarilə AQM istənilən qarşılıqlı təsir əsasında işləyə bilər. Məsələn, atomlararası, elektrik, maqnit, istilik və s. qaşıqlı təsirləri. Hazırda AQM–nın müxtəlif qarşılıqlı təsirlər əsasında işləyən bir neçə növləri var. Lakin ən çox iş prinsipi atomlar arası qarşılıqlı təsirə əsaslanmış yayılmış AQM istifadə edilir. belə AQM–da altlığın keçiriciliyi heç bir rol oynamır. Odur ki, təkcə keçirici materiallarda yox, həm də, dielektrik, üzvi və bioloji materiallarda ölçülər aparmaq olar. Göründüyü kimi, AQM STM–a nisbətən daha universaldır; müxtəlif tədqiqatlarda , eləcə də nanotexnologiyalarda geniş tətbiq edilir.

Qarşılıqlı təsiri qeyd etmək üçün uc hissəsində çox nazik zond olan və konsol adlanan xüsusi elastiki sensordan istifadə edilir. Səth tərəfindən zonda olan təsir konsolun əyilməsinə gətirir. Bu əyilməni qeyd etməklə zond və səth arasında olan qarşılıqlı təsirə nəzarət etmək olar

Keyfiyyətcə AQM-nun işini Van-der-Vaals qüvvələri misalında izah etmək olar. Bir- birindən r məsafədə yerləşmiş iki atom arasındakı van-der-Vaals qarşılıqlı təsirinin enerjisini üstlü funksiya olan Lennard-Cons potensialı vasitəsilə ifadə edirlər.
U_LC(r) = – a/r^m + b/rⁿ
Lennard-Cons potensialının keyfiyyətcə forması şəkil 2-də göstərilmişdir.
Lennard-Cons potensialını aşağıdakı ifadə ilə hesablamaq olar:
U_LC(r) = U₀[–2(r₀/r)⁶ +(r₀/r)¹²]
Burada birinci toplanan atomlararası dipol–dipol qarşılıqlı təsiri ilə bağlı olan uzaq məsafədən cəzbetməni, ikinci toplanan isə yaxın məsafədə atomlararası itələməni nəzərə alır. r₀ parametri atomlar arasındakı tarazlıq məsafəsi, U₀ isə əyrinin minimum nöqtəsində enerjinin qiymətidir.
Lennard-Cons potensialı zond və nümunə arasında olan qarşılıqlı təsir qüvvəsini qiymətləndirməyə imkan verir. Sistemin bütöv enerjisini zond və nümunənin hər bir atomu arasında olan elementar qarşılıqlı təsirləri cəmləməklə tapmaq olar

Onda qarşılıqlı təsir enerjisi

Burada n_z(r') və n_n(r) atomların zonddakı və materialdakı sıxlığıdır. Buna uyğun olaraq səthin zonda göstərdiyi təsir qüvəsi aşağıdakı kimi təyin edilə bilər
F_nz = –grad(W_n)
Ümumi halda bu təsir qüvvəsi səthə perpendikulyar və səthə paralel (lateral) olmaqla iki toplanana malikdir. Reallıqda zond ilə səth arasında qarşılıqlı təsir mürəkkəb xarakterlidir. Lakin həmin qarşılıqlı təsirin əsas cəhəi odur ki, böyük məsafələrdə AQM-nun zondu nümunə tərəfindən cəzb olunur, kiçik məsafələrdə isə itələnir.
Səthin relyefinin AQM təsvirinin alınması zond sensorunda elastiki konsolun kiçik əyilmələrinin qeydiyyatı ilə həyata keçirilir. AQM-da bu məqsəd üçün optik üsullardan geniş istifadə edilir

AQM-in optik sistemi elə nizamlanır ki, yarımkeçirici lazerin şüası zond sensorunun konsoluna fokuslanmış olur, əks olunan şüa isə fotoqəbuledicinin həssas sahəsinin mərkəzinə düşür. Fotoqəbuledici kimi dörd seksiyalı yarımkeçirici fotodioddan istifadə edilir. Bu mövqeyə həssas fotodioddur.
Optik sistem vasitəsilə qeydə alınan əsas parametlər:
1. Cəzbetmə və itələmə qüvvələrinin səthə perpendikulyar, yəni Z komponentinin (Fz) toplananlarının təsiri altında konsolun əyilmə deformasiyası.
2. Lateral qüvvələrin (Fl) təsiri altında konsolun burulma deformasiyası.
Əgər fotodiodun seksiyalarında ilkin fotocərəyanları I01,I02,I03,I04 ilə, konsolun vəziyyətinin dəyişməsindən sonra seksiyalardakı cərəyanları uyğun olaraq I1,I2,I3,I4 ilə işarə etsək, onda fotodiodun ayrı-ayrı seksiyalarındakı fotocərəyanların fərqi konsolun əyilmə istiqamətini və onun qiymətini xarakterizə etməyə imkan verəcəkdir

Doğrudan da cərəyanların Δİz fərqi
Δİz=(Δİ1+Δİ2) – (Δİ3+Δİ4)
nümunənin səthinə perpendikulyar olan qüvvənin təsiri altında konsolun əyilməsinə mütənasibdir ( şəkil 5, a).
Cərəyanların
ΔİL= (Δİ1+Δİ4) – (Δİ2+Δİ3)
fərqi isə lateral qüvvələrin təsiri altında konsolun əyilməsini xarakterizə edir
ΔIz kəmiyyəti atom-qüvvə mikroskopunun əks əlaqə dövrəsində giriş parametri kimi istifadə edilir. Əks əlaqə sistemi ΔIz = const olmanı təmin edir. Bu pyezoelementin köməyilə yerinə yetirilir. Pyezoelement konsolun ΔZ əyilməsini operatorun verdiyi ΔZ0 kəmiyyətinə bərabər saxlayır.
ΔIz = const rejimində nümunənin skan edilməsi zamanı zond səth boyunca yerini dəyişir. Bu zaman skanerin z-elektrodundakı gərginliyin dəyişməsi kompüterin yaddaşına səthin Z=f(x,y) relyefinə uyğun olan funksiya kimi daxil olur. AQM–un ayırdetməsi zondun ucunun radiusundan və konsolun meyletməsini qeyd edən sistemin həssaslığından asılıdır. Hal –hazırda AQM-in yeni konstruksiyaları atomar səviyyədə ayırdetməni əldə etməyə imkan verir.
AQM-də səthin zond vasitəsilə tədqiq edilməsi xüsusi sensorların köməyilə həyata keçirilir. Bu sensorlar iti uclu zondu olan elastiki konsol-kantileverdən ibarətdir. Sensorlar fotolitoqrafiya və aşılandırma metodu vasitəsilə silisium lövhələrindən hazırlanır. Elastiki konsollar əsasən aşqarlanmış nazik silisium təbəqələrindən, SiO2 və ya Si3N4 materiallarından formalaşır.