УДК:535

УДК:535.373.2;537.623.5
КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
И ФОТОПРОВОДИМОСТИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ
И.С. Лабутин, В.В. Брюханов, В.А.Слежкин
Представлены схема построения измерительного комплекса и методика для измерения
вольтамперных характеристик и фотопроводимости односвязных наноразмерных объектов.
сканирующий туннельный микроскоп, цифровой запоминающий осциллограф, односвязная
поверхность, гальваническое осаждение, перенос энергии электронного возбуждения
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время происходит бурный рост интереса к микро- и
наноэлектронным технологиям, построении на их базе новых электронных и
фотоэлектронных устройств, химических и биологических матричных
наносенсоров.
Немаловажную роль в исследовании фундаментальных принципов
переноса энергии электронного возбуждения в наноразмерных структурах и
комплексах, принципов создания на их базе устройств и сенсоров играет
измерение вольтамперных характеристик и фотопроводимости создаваемых
структур.
Важность изучения переноса энергии в наноразмерных системах и
конденсированных средах вообще огромна [1] и раскрывается в соответствующей
литературе [2].
Целью данной работы является создание экспериментальной установки для
изучения переноса энергии в конденсированных наноразмерных системах с
помощью
вольтамперных
характеристик
подобных
систем
и
их
фотопроводимостей.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УСТАНОВКИ
Данная установка должна строиться на основе сканирующего туннельного
микроскопа СММ-2000 (рис. 1). Данный микроскоп позволяет задавать
напряжение в туннельном промежутке от -5В до +5В с дискретностью 152мкВ и
регистрировать ток через него в интервале 100пА…1мкА с разрядностью АЦП в
16 разрядов.
Сканер микроскопа обеспечивает латеральное разрешение до 3А и
вертикальное разрешение до 1А при поле сканирования до 15х15х2мкм. Сканер
микроскопа позволяет подводить излучение на образец через кварцевое окно в
основании микроскопа.
К сожалению, программно-аппаратный комплекс прибора СММ-2000
является закрытой системой и не позволяет производить гибкие измерения с
накоплением для регистрации изменений (вольтамперных характеристик) ВАХ
при облучении образца в заданном оптическом спектральном диапазоне. Поэтому
прямая регистрация ВАХ и фотопроводимостей исследуемых комплексов и
систем в диапазоне токов свыше 1мкА или сопротивлений менее 5мОм является
затруднительной.
Таким образом, возникла необходимость построения электронной
регистрирующей схемы для дополнения возможностей сканирующего
микроскопа СММ-2000. При этом в схеме должна сохраняться возможность
работы микроскопа СММ-2000 как самостоятельного измерительного прибора.
В качестве базы для дополняющей измерительной системы был выбран
цифровой запоминающий осциллограф TEKTRONIX TDS-1012B.
Выбор именно этой модели осциллографа объясняется расширенными
функциями синхронизации данного прибора и функциями математической
обработки и фильтрации, сравнимыми с подобными функциями программноаппаратного комплекса СММ-2000. Также немаловажным фактором выбора
является легкость перевода результатов эксперимента непосредственно в файл баз
данных *.xls.
Рис. 1. Фотография микроскопа СММ-2000
ЗАДАЧА ПОДВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ К ОБРАЗЦУ
При решении данной задачи возникла проблема формирования
прозрачного проводящего покрытия на стеклянной пластине. К сожалению,
решение данной задачи путем напыления металла в вакууме оказалось
нереализуемым из-за отсутствия работающих вакуумных постов в университетах
и предприятиях Калининградской области.
Решение данной проблемы было найдено путем вырезания стеклянной
пластины с прозрачной проводящей Ti дорожкой заданной формы из готового
(жидкокристаллического) ЖКИ дисплея с последующей обработкой
растворителем в (ультразвуковой) УЗ - ванне мощностью 20 Вт в течение 10 мин.
Излучение, формируемое источником, подводится к кварцевому окну в основании
микроскопа и, пройдя через стеклянную пластину с прозрачным металлическим
слоем Ti, попадает на исследуемую структуру, нанесенную заблаговременно на
прозрачный металлический слой Ti. Напряжение для работы туннельного режима
прикладывается между PtIr иглой и прозрачным проводящим слоем Ti на
стеклянной подложке (рис. 2).
Также интересным оказалось использование подложки для нанесения на
проводящий слой Ti других металлов методом контролируемого гальванического
осаждения. Это позволяет формирование на границе раздела металл-исследуемого
объекта полупрозрачных светофильтров с заданными спектральными свойствами
на пути входящего излучения. В качестве примера получаемой поверхности на
рис. 3 приведено СТМ-изображение пленки Ag, полученной гальваническим
осаждением на металлической поверхности. Толщина и структура получаемого
металлического слоя зависит главным образом от плотности тока и времени
осаждения, а также от чистоты обработки исходной стеклянной подложки с Ti
напылением.
Рис. 2. Схема подвода излучения к образцу в микроскопе СММ-2000:
1 – контактный крепеж для закрепления и подвода потенциала на PtIr иглу
сканера; 2 – стеклянная пластина с прозрачным проводящим слоем Ti на
фронтальной стороне (стороне к PtIr игле) и с нанесенным исследуемым
препаратом; 3 – латунное основание столика; 4 – кварцевое окно для входящего
оптического излучения в основании микроскопа; 5 – полая трубка
пьезокерамического латерального и высотного сканера микроскопа СММ-2000; 6
– металлический корпус микроскопа СММ-2000; 7 – опорные резиновые ножки
микроскопа
Рис. 3. Изображение поверхности металла с нанесенным методом
гальванического осаждения слоем Ag, толщиной 1мкм
Основными узлами схемы являются ИС двухканального ЦАП DD1 и схема
преобразования туннельного тока, проходящего через образец, выполненная на
элементах DA5,VT1,VT2, R9-R11 [3] в выходное напряжение. На элементах DA1DA4, ОС1, ОС2 (HCNR201) выполнен нормирующий усилитель с гальванической
развязкой по цепям питания. Гальваническая развязка необходима для
развязывания цифровой части схемы от аналоговой с целью уменьшения уровня
шумов при измерениях ВАХ и фотопроводимости.
С помощью антенных реле K1.1, К1.2 происходит коммутация
направления подключения туннельного промежутка PtIr зонд – образец на Ti
подложке между входом микроскопа СММ-2000 и входом измерительного узла
приставки.
СХЕМА УСТАНОВКИ И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Рис. 4. Схема измерительной части установки измерения ВАХ и
фотопроводимости односвязных наноразмерных объектов
Напряжение на входе измерительного узла на элементах DA5,VT1,VT2,
R9-R11 формируется на выходе DA4 и имеет следующий вид (см. рис. 5):
Рис 5. Форма напряжения на туннельном промежутке для снятия ВАХ и
измерения фотопроводимости
Данное напряжение прикладывается к туннельному промежутку и
преобразуется в ток согласно ВАХ исследуемой системы. Ток с выхода системы
преобразуется узлом DA5,VT1,VT2, R9-R11 в пропорциональное напряжение
согласно функции (1):
R 
(1)
U вых (t )  I Т (t)   9  ,
 R 10 
При этом момент включения линейной функции (рис. 5) синхронизируется
с импульсом запуска развертки осциллографа TDS-1012B, а напряжение U вых (t )
подается на вход “Y” осциллографа TDS-1012B. Структурная схема установки
приведена на рис. 6.
Формирование сигналов синхронизации, управление ЦАП DD1, реле K1.1,
K1.2, светодиодами подсветки образца и организацией интерфейса с
пользователем производится блоком управления и синхронизации, выполненным
на четырех программируемых логических матрицах фирмы Altera
EPM3064ALC44-10, объединенных в единый блок.
Монтаж устройства выполнен в виде платы управления и в виде платы
аналоговой части методом навесного монтажа проводами МГТФ 0,07. Питание
комплекса производится от стандартного компьютерного блока питания.
Рис. 6. Блок-схема измерительного комплекса
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ВАХ И ФОТОПРОВОДИМОСТИ
НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ И КОМПЛЕКСОВ
Измерение ВАХ наноразмерных объектов на данной установке состоит в
следующем:
1. Очистка и сканирование стеклянной подложки с прозрачным слоем Ti
на микроскопе СММ-2000 в туннельном режиме для устранения возможных
артефактов при измерениях.
2. Нанесение промежуточного прозрачного металлического слоя методом
гальванического осаждения при необходимости.
3. Размещение на подготовленной подложке исследуемых комплексов.
4. Сканирование поверхности микроскопом СММ-2000 в режиме СТМ
для поиска исследуемых комплексов и фиксация туннельного тока на одном из
них.
5. Отключение ОС в панели СММ-2000, переключение в режим
приставки.
6. Сканирование поверхности методом фиксированного шага из панели
микроскопа СММ-2000 для повторного поиска объекта с откликом на экране
осциллографа TDS-1012 в режиме поиска приставкой.
7. Запуск измерений ВАХ при успешном поиске объекта.
8. Фиксация полученных данных.
9. Включение светодиодной лампы с панели приставки.
10. Включение режима сбора данных осциллографа TDS-1012.
11. Фиксация полученных данных.
Результаты подобных измерений переводятся в абсолютные величины
путем пересчета масштабных коэффициентов по координатным осям
осциллографа XY.
Калибровку комплекса можно проводить путем измерения ВАХ
эталонного диффузионного импульсного диода и ВАХ диода Шоттки для
интервалов туннельных напряжений –2В…+2B с коррекцией графиков путем
вращения ручек “Положение X” и “Положение Y” до соответствия указанных
ВАХ своим калибровочным значениям.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе предложен измерительный комплекс, дополняющий
стандартные возможности сканирующего туннельного микроскопа СММ-2000 и
позволяющий получать графики функций и массивы данных ВАХ и
фотопроводимости нано- и микрообъектов на экране запоминающего
осциллографа TDS-1012. Также возможно использование данной приставки
самостоятельно без микроскопа СММ-2000 для исследования ВАХ
макроскопических объектов и полупроводниковых приборов.
Данный комплекс разработан в лаборатории МИНА кафедры физики для
работ по изучению переноса энергии между металлами и молекулами красителей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сент-Дьери А. Биоэнергетика / А.Сент-Дьери // Физматгиз.-1960.-345 с.
2. Агранович В. М. Перенос энергии электронного возбуждения в
конденсированных средах / В. М. Агранович, М. Д. Галанин.- М.: Наука, 1978.С.1-15.
3. П. Хоровиц. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл.-М.: МИР,
1986.- С. 242-243.
THE MEASUREMENT COMPLEX FOR MEASUREMENT OF VOLTAGEAMPER CHARACTERISTICS AND PHOTOCONDUCTIVITY ARE SIMPLY
CONNECTED NANOPARTICULAR PIECES
I.S. Labutin, B.B. Bryukhanov, V.A. Sleghkin
The scheme of measurement complex building and the methodic for measurement of voltageamper characteristics and simply connected nanoparticular objects photoconductivity are presented.