Features of the Application of Approach Actuators when Using Tunneling Microscope for Technological Surface Control

Authors

  • P. V. Gulyaev Mechanics Institute UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia
  • Y. K. Shelkovnikov Mechanics Institute UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia
  • A. I. Kirillov Institute of Mechanics UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia
  • K. S. Ermolin Institute of Mechanics UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2018-2-48-55

Keywords:

сканирующий туннельный микроскоп, шаговый пьезоэлектрический привод, зондирующее острие, цифровая обратная связь, прецизионные перемещения

Abstract

В статье рассмотрены особенности использования шаговых пьезоэлектрических приводов в условиях интенсификации процессов сближения образца и зондирующего острия сканирующего туннельного микроскопа при контроле поверхности образца. Показано, что попеременное включение и выключение привода сближения и цепи обратной связи в туннельном микроскопе позволяет использовать относительно высокие скорости шагового пьезоэлектрического привода, сохранить зондирующее острие измерительной иглы в процессе сближения и увеличить коэффициент использования цепи обратной связи. Кроме того, установлено, что выключение привода позволяет снизить уровень помех при работе обратной связи. Описана конструкция механической муфты с держателем образца, обеспечивающая сопряжение подвижной части привода с держателем и разрыв механической связи после завершения сближения с целью устранения влияния тепловых дрейфов. Описан основной алгоритм управления приводом сближения, состоящий из повторяющихся процедур: формирование управляющих импульсов для шагового пьезоэлектрического привода; включение цепи обратной связи и проверка наличия туннельного тока. Представлены особенности алгоритма управления приводом сближения в завершающей стадии, позволяющего разомкнуть механическую связь подвижной части привода с держателем образца и удержать сканер в середине динамического диапазона.

Author Biographies

P. V. Gulyaev, Mechanics Institute UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia

PhD in Engineering, Senior researcher

Y. K. Shelkovnikov, Mechanics Institute UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia

DSc in Engineering, Prof.

A. I. Kirillov, Institute of Mechanics UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia

Junior researcher

K. S. Ermolin, Institute of Mechanics UdmFRC UB RAS, Izhevsk, Russia

Junior researcher

References

Tersoff J. and Hamann D. R. Theory and application for scanning tunneling microscope // Phys. Rev. Lett. Vol. 50, pp. 1998-2001 (1983).

Tersoff J. and Hamann D. R. Theory of the scanning tunneling microscope // Phys. Rev. B, vol. 31 (2), 805-813 (1985).

Pong W.-T., Durkan C. A review and outlook for an anomaly of scanning tunnelling microscopy (STM): superlattices on graphite, Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 38, pp. R329-R355, 2005.

Simons J. G. Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film // J. Appl. Phys., 34, 1793 (1963).

Simons J. G. Electric tunnel effect between dissimilar electrodes separated by a thin insulating film // J. Appl. Phys., 34, 2581 (1963).

Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М. : Техносфера, 2005. 152 с.

Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М. : Техносфера, 2004. 143 с.

Рыков С. А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов. СПб. : Наука, 2001. 53 с.

Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2-е изд., испр. и доп. М. : Наука-Физматлит, 2007. 416 с.

Сканирующая туннельная микроскопия фуллеренов на поверхности металлов и полупроводников / Р. З. Бахтизин, Т. Хашицуме, Ш.-Д. Вонг, Т. Сакурай // УФН. 1997. Т. 167. № 3. С. 289-307.

Бенда А. Ф., Поташников П. Ф. Материалы нанотехнологий в полиграфии. Ч. 4. Сканирующая зондовая микроскопия и другие методы нанодиагностики запечатываемых материалов : учеб. пособие. М. : МГУП имени Ивана Федорова, 2014. 136 с.

Трояновский А. М., Roditchev D. Компактный 3D-нанопозиционер сканирующего туннельного микроскопа, работающий при температурах 4.2-300 К // ПТЭ. 2012. № 6. С. 110-116.

Mininni; Paul I, Osborne; Jason R., Young; James M., Meyer; Charles R. Method and apparatus for rapid automatic engagement of a probe // US Pat 7665349 February 23, 2010.

Пат. 2497134 Российская Федерация, МПК G01Q10/00. Способ подвода зонда к образцу для сканирующего зондового микроскопа / Маловичко И. М. ; заявл. 05.12.2011.

Гуляев П. В. Низковольтный инерционный пьезоэлектрический привод вращательно-поступательного типа // Электротехника. 2014. № 7. С. 12-16.

Высокоточный инерционный пьезоэлектрический привод вращательно-поступального типа / П. В. Гуляев, Ю. К. Шелковников, А. В. Тюриков, Н. И. Осипов // Электротехника. 2010. № 10. С. 8-11.

Формирование наноперемещений пьезоэлектрическим осциллятором и кинематической парой вращения / А. М. Липанов, П. В. Гуляев, Е. Ю. Шелковников и др. // Письма в Журнал технической физики. 2011. Т. 37. № 15. С. 55-61.

Гуляев П. В. Особенности применения схем замещения при проектировании инерцоидных пьезоэлектрических приводов // Электротехника. 2011. № 10. С. 8-13.

Гуляев П. В., Шелковников Е. Ю., Тюриков А. В. Влияние нагрузки на переходные процессы в инерционных пьезоэлектрических приводах вращательно-поступательного типа // Ползуновский вестник. 2013. № 2. С. 102-105.

Гуляев П. В., Шелковников Ю. К., Тюриков А. В. Дополнительные элементы управления инерционными пьезоэлектрическими приводами наноперемещений // Ползуновский вестник. 2014. № 2. С. 223-226.

Автоматизация процесса сближения зондирующей иглы и образца в электрохимическом туннельном микроскопе / П. В. Гуляев, Н. И. Осипов, М. Р. Гафаров и др. // Ползуновский вестник. 2011. № 3-1. С. 200-203.

А. С. 1616490 СССР, МПК Н02 N 2/00 H01 L 41/09. Пьезоэлектрическое устройство инерционного перемещения объекта / А. О. Голубок и др.

А. С. 1537088 СССР, МПК Н 01 L 41/08 H 02 N 11/00. Устройство для микроперемещений объекта / Д. Г. Волгунов, А. А. Гудков, В. Л. Миронов.

А. С. 1520609 СССР, МПК Н 01 J37/285. Туннельный микроскоп / С. М. Войтенко, А. О. Голубок и др.

А. С. 1797149 СССР, МПК Н 01 J37/285. Сканирующий туннельный микроскоп / В. С. Эдельман и др.

Сканирующий туннельный микроскоп с большим полем зрения, совместимый с растровым электронным микроскопом / А. П. Володин, Г. А. Степанян, М. С. Хайкин, В. С. Эдельман // ПТЭ. 1989. № 5. С. 185-187.

Svensson K., Althoff F., Olin H. A compact inertial slider STM // Meas. Sci. Technol. 1997. Vol. 8. Р. 1360-1362.

Pohl D. W. Sawtooth Nanometer Slider: A versatile low voltage piezoelectric translation device // Surf.Sci. 1987. Vol. 181. P. 174-175.

Published

02.07.2018

How to Cite

Gulyaev П. В., Shelkovnikov Ю. К., Kirillov А. И., & Ermolin К. С. (2018). Features of the Application of Approach Actuators when Using Tunneling Microscope for Technological Surface Control. Intellekt. Sist. Proizv., 16(2), 48–55. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2018-2-48-55

Issue

Section

Articles