Сначала рассчитывается Z -сканер – его длина Lz

Билет № 1 (из 15-ти)

Тема.  Конструирование, сборка сканирующего туннельного микроскопа с получением изображения микроструктуры образца.

Й этап

Имеются 3 D модели, демонстрируемые на экране: оптической системы, XY-сканера, Z-сканера, туннельной иглы в держателе, образца для исследования, предметного столика для образца, системы подвода образца, антивибрационного основания.

Задание: Рассчитать по прилагаемым формулам необходимые геометрические размеры XY-сканера и Z-сканера, если заданы поле сканирования 5 мкм х 5 мкм по XY и глубина сканирования 1 мкм по Z;

1. Формула расчёта Z-сканера: , причем дано, что глубина сканирования по Z = 1 мкм, толщина стенок пьезотрубки: t = 0,5 мм, максимальное напряжение на пьзотрубке V = 150 В, коэффициент чувствительности пьезотрубки D31 = 0,17 нм/В.

2. Формула расчёта XY-сканера: , при этом известны максимальная величина в поле сканирования по XY = 5 мкм, средний диаметр пьезотрубки d = 8,5 мм и полученная в предыдущем шаге длинна Lz.

Решение: Проводится расчёт геометрических размеров XYZ-сканера, по результатам расчёта производится сборка сканера на микроскопе или на его 3D-модели.

Й этап

Имеются в натуральном виде: оптическая система, XY-сканер, Z-сканер, туннельная игла в держателе, образец для исследования, предметный столик для образца, система подвода образца, антивибрационное основание, электронная система управления, программа сканирования, обработки и измерений.

Задание: Собрать сканирующий туннельный микроскоп, установить образец, подключить электронную систему, запустить программу сканирования, получить изображение, произвести фильтрацию и измерение размеров микроструктур образца.

Решение: Проводится сборка конструкции микроскопа с выполнением требований по точности сопряжения деталей и функциональности, устанавливается образец, подключается электронная система, задаются начальные настройки программы сканирования, получается изображение в заданном поле сканирования с последующей программной фильтрацией и измерением размеров микроструктур образца.

Й этап

Теоретические вопросы по курсу:

1) Что такое микроскоп?

2) Какие виды микроскопов вы знаете?

3) Принцип работы оптического микроскопа. (Описание и схема работы)

4)Чем определяется разрешение (увеличительная способность) оптического микроскопа?

5)Области применения оптического микроскопа.

6) Атом, его строение, размер атома, как обнаружить (увидеть) один атом?

7)Что такое туннельный зондовый микроскоп?

8) Принцип работы туннельного зондового микроскопа, разрешение, схема работы и базовые элементы конструкции (привести рисунок и пояснения обязательно!)

9)Как измерить объект зондовым микроскопом — описать шаги последовательно.

10) Области применения зондового микроскопа.

Задание: Ответить письменно на 2 вопроса по курсу (из первого и второго блоков), при необходимости устно пояснить решение.

Решение: Письменный ответ на теоретические вопросы.

Оценка результатов по шкале 60 баллов

Критерии оценки:

1. Произведен расчёт геометрических размеров XYZ сканера – 15 баллов

2. Подключена электронная система, заданы начальные настройки программы, установлен образец, настроено измерительное оборудование - 10 баллов

3. Проведено сканирование, получено изображение, изображение профильтровано от шумов, измерены размеры микроструктур образца – 15 баллов

4. Даны ответы на два вопроса по теоретической части -20 баллов.

Пример решения письменной части

Задание: Рассчитать по прилагаемым формулам необходимые геометрические размеры XY-сканера и Z-сканера, если заданы поле сканирования 5 мкм х 4 мкм по XY и глубина сканирования 1 мкм по Z.

Сначала рассчитывается Z -сканер – его длина Lz

Дано:

Глубина сканирования по Z: Z = 1 мкм

Толщина стенок пьезотрубки: t = 0,5 мм

Максимальное напряжение на пьзотрубке: V = 150 В

Коэффициент чувствительности пьезотрубки: D31 = 0,17 нм/В

Формула длины Z -сканера: Lz = ( Z x t ) / ( 2 x D 31 х V )

Решение:

Шаг 1. Переводим все исходные данные в систему СИ (метры):

Глубина сканирования по Z: Z = 1 х 10^{-6 м}

Толщина стенок пьезотрубки: t = 5 х 10^{-4 м}

Максимальное напряжение на пьзотрубке: V = 150 В

Коэффициент чувствительности пьезотрубки: D31 = 0,17 х 10^-9 м/В

Шаг 2. Подставляем в формулу:

Lz = (1 х 10^-6 x 5 х 10^-4 ) / ( 2 x 0,17 х 10^-9 х 150 ) = 5 х 10^-10 / 51 х 10^-9 = 5 / 510 = 0,0098 м = 9,8 мм