Исследование поверхности компакт - дисков методом сканирующей зондовой микроскопии(учебно-исследовательский проект)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ КОМПАКТ-ДИСКОВ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Екатеринбург, 2016 г.

Содержание

Введение

          В современной науке сформировалась новая область - нанотехнология, представляющая собой междисциплинарное направление, простирающееся от молекулярной биологии и генной инженерии до физики поверхности твердого тела, электрохимии и микроэлектроники. Получены уникальные результаты по изучению структуры поверхностей, строения кластеров, природы каталитических центров, строения вирусов, полимеров, отдельных молекул.

Нанотехнология открывает качественно новый уровень изучения различных свойств поверхности материалов. Существует возможность не только исследовать поверхность, но и производить прецизионное воздействие: перемещать слабо связанные с поверхностью наноструктуры, производить нанолитографию, кроме того, возможно и физическое воздействие на поверхность.

Возникновение и развитие нанотехнологий связано с открытием физиками из швейцарского отделения компании IBM сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов.

Сканирующие зондовые микроскопы стали первыми приборами, с помощью которых стало возможным получать изображения отдельных атомов. Идея использовать туннельный эффект для определения рельефа поверхности на микроуровне принадлежит Расселу Юнгу (Russel Young), который высказал ее в 1966 г., а в 1971 г. опубликовал описание прибора под названием Topografiner, на котором было достигнуто разрешение в 3 Å. Но изображения отдельных атомов ещё не было получено. В 1979 г. Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) и Герд Бинниг (Gerd K. Binnig) создали сканирующий туннельный микроскоп, на котором стало возможным разглядеть отдельно взятый атом. В 1982 г. они получили патент на свое изобретение, а в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии. Вслед за туннельным микроскопом в течение короткого времени были созданы атомно-силовой микроскоп, магнитно-силовой микроскоп, электросиловой микроскоп, ближнепольный оптический микроскоп и многие другие приборы, имеющие сходные принципы работы и называемые сканирующими зондовыми микроскопами.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования свойств поверхности. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Кроме того применение зондовых нанотехнологий относительно просто и дешево.

Преимущества СЗМ:

1. Возможность увидеть атомную и молекулярную структуру поверхности, воздействовать на неё на уровне отдельных атомов и молекул.

2. Возможность изучения структуры и свойств (механических, электрических и  др.) поверхности в различных средах — на воздухе, в чистых жидкостях и растворах, в вакууме.

3. Наглядность представляемой информации.

 Совместно с  нановесами, спектрометрами, наноинденторами, зондовыми лабораториями и т.п., сканирующие зондовые микроскопы являются основным аналитическим оборудованием нанотехнологов.

Актуальность исследования:

Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило основой для развития новых методов в нанотехнологии – технологии создания структур с нанометровыми масштабами. Визуализация и изучение топографии  поверхности компакт диска методом сканирующей зондовой микроскопии с помощью СЗМ «NanoЕducator» может быть использована в целях решения практической задачи – контроля качества CD- и DVD-дисков.

Объект исследования:  сканирующая зондовая микроскопия.

Предмет исследования:  топография поверхности компакт-дисков разных форматов.

Цель  исследования: получение топографии поверхности исследуемых образцов CD- и DVD-дисков  методом сканирующей зондовой микроскопии.

Гипотеза исследования: топография поверхности различных компакт-дисков зависит от их форматов (типов) и наличия информации разного вида (текста, фото, видеоизображении) на них.

Задачи исследования:

1.                Изучить основы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), конструкцию и принципы работы СЗМ «NanoEducator».

2.                Изучить физическую структуру CD и DVD-дисков  и принципы их записи.

3.                Получить навыки практической работы на учебно-исследовательском сканирующем зондовом микроскопе «Nanoeducator».

4.                Подготовить образцы и провести эксперимент по исследованию поверхности CD и DVD-дисков (чистых и с записью различных видов информации:текста, фото- и видеоизображений   на СЗМ «NanoEducator».

5.                Определить перспективы практико-ориентированного продолжения тематики данной работы.

         Методы исследования: теоретические (изучение и анализ литературы о методах сканирующей зондовой микроскопии),  практические (подготовка экспериментальных образцов и постановка эксперимента, сравнительный анализ результатов эксперимента).

Теоретическая часть

Глава 1. Сканирующая зондовая микроскопия

как экспериментальный метод нанотехнологии

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования свойств поверхности. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии – технологии создания структур с нанометровыми масштабами.

Для того чтобы увидеть атом, существует, как считается, громоздкий и дорогой электронный микроскоп. Однако, несмотря на известную поговорку, не всегда лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. В ряде случаев можно получить больше информации, если атом… ощупать, в буквальном смысле. Для этого и существует сканирующая зондовая микроскопия. Зонд – это микроскопический, чрезвычайно чувствительный щуп, который пробегает, сканирует шероховатости поверхности атомарного размера. Более того, в ряде случаев зонд физически может двигать атомы.

В основе сканирования или “ощупывания” лежит достаточно простой принцип – атомы острия щупа “чувствуют“ атомы, находящиеся на поверхности, тем сильнее, чем ближе они находятся друг к другу. Это похоже на то, как отталкиваются два сухих воздушных шарика, наэлектризованные о шерстяной свитер или волосы. В случае СЗМ возникающие силы межатомного взаимодействия чуть-чуть изменяют положение щупа, и это можно обнаружить чувствительными детекторами. Подобным образом мы ощущаем приближающийся наэлектризованный воздушный шарик, который еще даже не коснулся ваших волос. Другой известным всем пример – мошенник кот Базилио из сказки “Золотой ключик”, который шел и “вслепую” ощупывал дорогу впереди себя специальной палочкой. Зонды СЗМ, как правило, именно “вслепую”, но без всякого мошенничества, ощупывают поверхность исследуемого объекта.

Современные методы зондовой микроскопии позволяют изучать рельеф, состав и структуру с разрешением в доли ангстрем, “видеть” и перемещать единичные атомы и молекулы. За последнее десятилетие применение зондовой микроскопии позволило значительно расширить познания в различных областях физики, химии и биологии.

Основой всех типов сканирующей зондовой микроскопии является, как уже отмечалось, взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью за счет механических, электрических или магнитных сил. Так, для сканирующей туннельной микроскопии откликом системы является туннельный ток, протекающий между зондом и сканируемой поверхностью, для атомно-силовой микроскопии – Ван-дер-Ваальсовы силы отталкивания зонда от поверхности, в случае магнитно-силовой микроскопии зонд реагирует на изменение  магнитного поля над образцом, в близкопольной микроскопии оптические свойства образца детектируются через диафрагму, находящуюся в ближней зоне исследуемой поверхности и т.д. Природа взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному члену семейства зондовых микроскопов.

Процесс сканирования осуществляется путем линейной (проточной) развертки прямоугольного или квадратного участка поверхности по координатам X и Y, тогда как измеряемый сигнал коррелирует с положением зонда над образцом по координатам Z. В зависимости от принципа измерения сигнала различают два способа исследования поверхности методом СЗМ.

Метод постоянной высоты заключается в точном измерении величины взаимодействия зонда и поверхности в процессе сканирования при постоянном расстоянии между зондом и поверхностью образца. В результате получают зависимость интенсивности регистрируемого сигнала от положения зонда над образцом.

Метод постоянного взаимодействия заключается в измерении координаты зонда Z над образцом в процессе сканирования при постоянной интенсивности рабочего взаимодействия, которое задается путем обратной связи. В результате устанавливают зависимость расстояния между зондом и поверхностью образца Z|_I=const (X,Y)    при постоянной интенсивности сигнала отложения зонда над образцом. Однако полученный этим методом массив данных не отображает реальной картины топографии поверхности. Метод постоянного взаимодействия обычно используется для исследования корреляции топографического контраста с другими типами рабочих взаимодействий (как, например, ориентации магнитных доменов, напряженности электростатического поля над образцом и т.д.).

1.1 Атомно-силовая микроскопия

 Одной из наиболее распространенных разновидностей сканирующей зондовой микроскопии является атомно-силовая микроскопия. Первый микроскоп такого типа был сконструирован Г. Биннигом, Х. Гербером и С. Квайтом в 1986 году, после того как годом ранее Г. Бинниг показал принципиальную возможность неразрушающего контакта зонда (атомно-острой иглы) с поверхностью образца.

Действительно, если подвести зонд к образцу на расстояние в несколько ангстрем, то между атомами, образующими острие, и атомами, расположенными на поверхности образца, начнет действовать Ван-дер-Ваальсова сила притяжения. Под действием этой силы зонд будет приближаться к образцу до тех пор, пока не начнется электростатическое отталкивание одноименно (отрицательно) заряженных электронных оболочек атомов зонда и поверхности.

В первых атомно-силовых микроскопах зонд (иголку кристаллического сапфира) закрепляли на тонкой платиновой фольге, за перемещением которой следили по изменению туннельного тока, по аналогии со сканирующей туннельной микроскопией. В настоящее время зонд закрепляют на гибкой балке, называемой кантилевером или консолью. При подводе зонда к образцу и возникновении отталкивающего взаимодействия кантилевер изгибается до тех пор, пока давление со стороны зонда (определяемое силой упругости консоли) не окажется больше предела упругой деформации материала образца или зона. Таким образом, основным свойством кантилевера является его жесткость, а подбор материала и геометрических характеристик кантилевера позволяет использовать метод АСМ для самых различных приложений.

Перемещаясь в плоскости образца над поверхностью, кантилевер изгибается, отслеживая ее рельеф. При сканировании образца в контактном режиме его поверхность частично повреждается, а разрешение метода оказывается достаточно низким. Разработка методов полуконтактного и бесконтактного сканирования, когда зонд входит в контакт с поверхностью только в нижней точке траектории собственных резонансных колебаний или не входит в контакт вообще, позволила увеличить разрешение АСМ, значительно снизив давление на образец со стороны зонда. Для регистрации отклонения кантилевера предложены различные системы, основанные на использовании емкостных датчиков. В современных приборах угол изгиба кантилевера регистрируется с помощью лазера, луч которого отражается от внешней стороны консоли и падает на фотодиодный секторный датчик. Система обратной связи отслеживает изменение сигнала на фотодетекторы и управляет системой нанопозиционирования. Использование “пьезодвигателей” и  атомно-острых зондов позволяет добиться атомного разрешения АСМ в высоком вакууме.

Помимо непосредственного исследования структуры поверхности методом контактной АСМ, можно регистрировать силы трения и адгезионные силы. В настоящее время разработаны многопроходные методики, при которых регистрируется не только топография, но и электростатическое или магнитное взаимодействие зонда с образцом. С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуру поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости и т.д. Для этого используют специальные кантилеверы с магнитными или проводящими покрытиями. АСМ также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить наночеканку – выдавливать на поверхности крошечные рисунки. Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая разность потенциалов реакции, прикладывая разность потенциалов между зондом и проводящей поверхностью, а также открывает возможность применения АСМ для исследования биологических объектов. АСМ также стал одним из основных наноинструментов нанотехнологов, быть может, следующий шаг за покорением бионанотехнологий.

1.2 Сканирующая туннельная микроскопия

Как ни странно, несмотря на всю новизну тематику нанотехнологий, основы метода сканирующей туннельной микроскопии, являющейся на сегодня одним из основных методов исследования наноструктур и пленочных материалов, были заложены еще в тридцатых годах XX века. Именно тогда Г.А Гамовым было решено уравнение Шредингера, описывающее возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда ее энергии много меньше высоты самого барьера. Через полвека, в 1981-м году, это явление, названное туннельным эффектом, позволило создать уникальный прибор для исследования проводящих других методов разрешением и буквально ощупать атомную структуру поверхности. В 1986 г. за разработку сканирующего туннельного микроскопа швейцарский ученый Г. Рорер и не немецкий ученый Г. Биннинг были удостоены Нобелевской премии по физике.

В сканирующем туннельном микроскопе пьезодвигатели с высокой точностью (0.1 А) приближают атомно-острую металлическую иглу к поверхности образца, который, естественно, не должен являться изолятором для возможности регистрации туннельного тока. Между иглой и поверхностью прикладывается напряжение от десятых долей до единиц вольта. На расстоянии порядка 10 ангстрем между атомами иглы и образца начинает протекать туннельный ток. Туннельный ток имеет квантовую природу, а его величина существенно зависит от расстояния между иглой и поверхностью образца: так, при напряжении между иглой и образцом 1 В и сближении зонда с поверхностью с 15 до 8 ангстрем (примерно в 2 раза) ток изменяется от единиц пикоампер до десятков наноампер (10000 раз).

Для устранения возможного контакта иглы с поверхностью образца или ее ухода из области протекания туннельного тока используют систему обратной связи. Эта система постоянно регистрирует туннельный ток, корректируя высоту зависания зонда над образцом в соответствии с заданной величиной туннельного тока в каждой точке сканирования. При этом зонд остается на одном и том же расстоянии от поверхности, что позволяет определить распределение электронной плотности над образцом, а траектория зонда отражает рельеф поверхности образца. Таким образом, сканируя поверхность образца, можно получить распределение атомного потенциала, а также информацию о расположении атомов в структуре с атомным разрешением. 

Глава 2. Сканирующие зондовые микроскопы

В настоящее время сканирующие зондовые микроскопы нашли применение практически во всех областях науки. В физике, химии, биологии используют в качестве инструмента исследования СЗМ. Перспективным направлением считается совмещение сканирующих зондовых микроскопов с другими традиционными и современными методами исследования, а также создание принципиально новых приборов.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM – Scanning Probe Microscope) – класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить как яркостное двухмерное, так и рельефное трёхмерное изображение поверхности с высоким разрешением (вплоть до атомарного). Отличительной особенностью СЗМ является наличие:

- зонда;

- системы перемещения зонда относительно образца по двум (x - y) или трём (x – y – z)координатам;

- регистрирующей системы.

Первый сканирующий зондовый микроскоп был придуман на кончике пера и затем создан в 1981 году Г. Биннигом и Г. Рорером из Цюрихского отделения фирмы IBM. Этот микроскоп, правда, регистрировал не изменение так называемого туннельного тока, возникающего за счет туннелирования электронов между поверхностью материала и зондом (сверхтонкой иглой), как только он приближается к поверхности на расстояние, сравнимое с межатомным. Движение зонда над поверхностью образца осуществлялось с помощью специальных пьезодвигателей способных создавать запрограммированные компьютером перемещения с шагом в сто миллиардные доли метра (0.01 нм или 0.1 А). Столь необычный и чрезвычайно эффективный способ исследования поверхности очень быстро был оценен научной общественностью и в 1986 году Биннинг и Рорер получили Нобелевскую премию за разработку сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Всего через гол (1982 г.) Д.В. Пол, основываясь на аналогичных принципах, создал сканирующий оптический микроскоп ближнего поля, где в качестве зонда использовал остро заточенное оптоволокно, через которое регистрировал оптические свойства образца: отражение и пропускание света, люминесценцию, спектральные характеристики излучения. С появлением СТМ, СБОМ, а впоследствии атомно-силового микроскопа (АСМ, 1986 г.) стало возможным сделать новый шаг в изучении окружающего нас мира.

2.1. Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) NanoEducator

Для учебных целей разработан NanoEducator. Его отличительными особенностями являются:

− простота в обращении;

− отсутствие сложных настроек и юстировок;

− использование видеокамеры для визуального контроля состояния зонда;

− недорогой и многократно восстанавливаемый зонд;

− дружественный программный интерфейс в ОС Windows 98/2000/XP;

− подключение электронного блока к PC через USB порт;

− многозадачность,  обеспечивающая  возможность  пользования  компьютером одновременно с работой прибора;

− комплектация прибора необходимыми для учебного процесса тест-объектами.

2.1.1 Принцип работы СЗМ NanoEducator

В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1 – 10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно-силового и электросилового микроскопов.

В основе работы СЗМ NanoEducator лежит использование зависимости величины взаимодействия между зондом в виде острой вольфрамовой иглы и поверхностью исследуемого образца от величины расстояния зонд-образец. Взаимодействие может быть токовым (за счет туннельного тока) или силовым.

Детектируя туннельный ток, протекающий при постоянном электрическом смещении между зондом и образцом, можно исследовать только проводящие объекты, в то время как детектируя силу взаимодействия зонд-поверхность, можно исследовать как проводящие, так и диэлектрические образцы. Чем резче зависимость тока или силы от расстояния между зондом и образцом, тем выше пространственное разрешение СЗМ, причем характер этой зависимости определяется физико-химическими свойствами исследуемой поверхности.

Пространственное разрешение определяется также радиусом закругления кончика зонда, уровнем механических вибраций и тепловых дрейфов конструкции, а также уровнем электронных шумов измерительной аппаратуры. Кончик вольфрамовой иглы затачивается путем электрохимического травления и имеет радиус закругления вершины менее 100 нм.

В СЗМ NanoEducator игла-зонд закрепляется неподвижно. Образец может перемещаться относительно иглы по трем пространственным координатам:

− X, Y- в плоскости образца;

− Z- по вертикали (перпендикулярно плоскости X-Y).

При работе прибора образец движется в плоскости X-Y (Рис. 1-1) построчно, таким образом, что кончик иглы постепенно проходит над всей заданной площадью образца с шагом Δ Δ. Этот процесс называется сканированием.

2.1.2 Конструкция СЗМ NanoEducator

Рис. 1 Внешний вид измерительной головки СЗМ NanoEducator

1 – основание, 2 – держатель образца, 3 – Датчик взаимодействия,

4 – винт фиксации датчика, 5 – винт ручного подвода,

6 – винты перемещения сканера с образцом, 7 – защитная крышка с видеокамерой

В качестве зондового датчика используется пьезоэлектрическое устройство, в котором крепится вольфрамовая игла (Рис. 2)

Рис.2 Зондовый датчик

Цифровой видеомикроскоп.

Цифровой видеомикроскоп (далее ВМ) предназначен  для визуального контроля на экране монитора поверхности образца и взаимного расположения зонда и образца в процессе их сближения.

ВМ подключается к компьютеру через порт USB и работает под управлением драйвера VideoCAM NB с управляющей программой NanoEducator. ВМ  оснащен автономным источником освещения.

На Рис.3 представлено устройство ВМ. Корпус ВМ устанавливается на измерительную головку СЗМ. Направляющие 1 обеспечивают надежную фиксацию ВМ на измерительной головке. Винт 2 перемещает объектив видеокамеры 5 по горизонтали, винт 3 – по вертикали. Винт 4 служит для настройки на резкость. Винт 7 служит для перемещения осветителя в вертикальном направлении; винт 8 – для вращения осветителя вокруг вертикальной оси

Рис. 3 Цифровой видеомикроскоп

1 – направляющие; 2 – винт перемещения по горизонтали; 3 – винт перемещения по вертикали; 4 – фокусирующий винт; 5 – объектив; 6 – осветитель;

7 – винт вертикального перемещения осветителя; 8 – винт вращения осветителя

Электронный блок.

Электронный блок (Рис.4) предназначен для управления процессом получения данных на учебном сканирующем зондовом микроскопе СЗМ NanoEducator. Электронный блок (СЗМ контроллер) выполняет следующие функции:

- управление сканированием по осям X,Y;

- формирование сигналов возбуждения системы зонд-образец в режимах силовой/туннельной микроскопии;

- обработка сигналов предусилителя измерительной головки в режимах силовой/туннельной микроскопии;

- в процессе сканирования поверхности – обеспечение слежения за заданным значением силы/тока и формирование сигнала, выражающего рельеф поверхности.

Рис.4 Электронный блок управления СЗМ NanoEducator

На задней панели контроллера (Рис.5) находятся следующие разъемы:

- POWER  – подключение шнура питания 220 В, 50 Гц;

- SCANNER – подключение измерительной головки;

- CHECK – используется при работе с устройством травления зондов;

- HEAD – для подключения измерительной головки;

- RS-232 – порт используется только для тех. Обслуживания;

- USB – порт для подключения электронного блока к компьютеру.

Рис.5 Задняя панель контроллера

Глава 3. Физическая структура компакт-дисков разных форматов

Компакт-диски форматов CD и DVD в настоящее время являются весьма распространенными носителями информации. Информационными единицами CD/DVD являются так называемые питы (pit) – ямки субмикронных размеров. CD и DVD изготавливаются из поликарбоната штамповкой. Система пит формируется с помощью содержащей выступы никелевой матрицы. Качество компакт-диска зависит от качества матрицы, поэтому необходимо производить предварительный контроль матриц.

СЗМ является идеальным инструментом анализа геометрических характеристик питов, удовлетворяющим требованиям высокого разрешения, высокой производительности измерений и неразрушающего контроля образцов больших размеров.

Структура CD-R

CD-R — разновидность компакт-диска (CD), разработанная для однократной записи информации. Обычный CD-R представляет собой тонкий диск из прозрачного пластика — поликарбоната — толщиной 1,2 мм, диаметром 120 мм (стандартный), весом 16-18 гр. Ёмкость стандартного CD-R составляет 74 минуты аудио или 650 МБ данных.

 Рис.1 Структура CD-R

Активный, или регистрирующий, слой расположен между основой и отражающим слоем. Чистые диски CD-R имеют служебную дорожку с записанными данными. Эта дорожка содержит временны́е метки и используется при записи, чтобы луч лазера записывал по спиральной дорожке, и при записи CD-R данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически «прожечь» органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определённой температуры, он разрушается и темнеет, изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны.

Прожигание записывающего слоя является необратимым химическим процессом, то есть однократным. Поэтому записанную на CD-R информацию нельзя стереть, в отличие от CD-RW.

Активный слой изготавливают из органических соединений: цианина (Cyanine) и его производной – фталоцианина (Phtalocyanine).

Структура CD-RW

 CD-RW — разновидность компакт-диска (CD) для многократной записи информации. CD-RW во многом похож на CD-R, но его регистрирующий слой сделан из особого сплава металлов (как правило, AgInSbTe - серебро-индий-сурьма-теллур), который при сильном нагреве лазером из кристаллического состояния переходит в аморфное (проще говоря, стекленеет). Преломляющая способность материала в разных состояниях разная, так что аморфные участки играют роль питов. При стирании нагрев средней интенсивности возвращает слой в исходное кристаллическое состояние. Подобным образом на одном диске информацию можно перезаписывать многократно.

Рис.2 Структура CD-RW

Во время «прожига» (записи диска) луч лазера нагревает участки промежуточного слоя. При последующем охлаждении эти участки переходят из кристаллической формы в аморфную. Если информацию с CD-RW необходимо стереть, луч лазера нагревает промежуточный слой менее интенсивно, и аморфные участки кристаллизуются.

Принцип записи CD-RW

            Рис.3 Принцип записи CD-RW

Луч лазера вызывает кристаллографические изменения в активном слое оптического диска (а именно, в результате облучения вещество меняет свое состояние с кристаллического на аморфное и наоборот). Запись аморфных областей показана на этом графике (рис.3)

Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет записывающий материал (температура нагрева превышает температуру плавления материала, T > T плавл). Затем следует охлаждение ниже температуры кристаллизации (T крист).

Результат охлаждения - предотвращение образования центров кристаллизации. Таким образом, роста кристаллической фазы не происходит, и вещество остается в аморфном состоянии.

Рис.4 Принцип стирания данных

Следующий график объясняет механизм стирания данных (рис.4). Для стирания надо вернуть вещество в кристаллическое состояние. С помощью лазера аморфное вещество нагревают до температуры Т, которая меньше температуры плавления, но больше температуры кристаллизации (T крист < Т < Т плавл).

Нагрев (а точнее, отжиг) продолжается в течение времени (t отж), достаточного для восстановления кристаллического состояния вещества. Это время должно быть больше, чем так называемое время кристаллизации (t крист, t крист < t отж).

Структура DVD-R

DVD-R - формат записываемого DVD. Данные на DVD-R не могут быть изменены, в отличие от DVD-RW, который может быть перезаписан не более 1000 раз. Большая ёмкость DVD диска обеспечивается меньшим размером ямок, выжигаемых лазером и меньшим наклоном канавок, направляющих лазер и закрученных по спирали. Соответственно чем меньше размер ямок и шаг дорожки, тем больше данных можно записать на ту же площадь диска.
          Диски DVD-R состоят из двух склеенных акриловых дисков толщиной 600 мкм каждый. Один из них содержит направляющую лазер канавку и покрыт специальной записывающей краской и серебряным сплавом или золотым отражателем. Вторая часть (в одностороннем диске) — негофрированная болванка для большей механической прочности и соответствия требованиям стандарта к геометрии компакт-дисков — полная толщина компакт-диска должна составлять приблизительно 1,2 мм. Вторая часть содержит слой от царапин, так что структура «бутерброда» помогает защитить данные, а компакт-диски, которые ей не соответствуют, являются проблемными. Двусторонние диски имеют две рифлёных, записываемых стороны и требуют от пользователя переворачивания диска для доступа к другой стороне. В отличие от CD-дисков толщиной 1,2 мм, в DVD-дисках лазерный луч проникает вглубь пластика только на 600 микрон, до слоя записывающей краски, что позволяет точнее сфокусировать луч для записи маленькими ямками.

DVD внешне идентичен CD, но позволяет записывать информацию, большую по объему в 24 раза, то есть до 17 Гбайт. Расстояние между дорожками уменьшилось до 0,74 мкм, а геометрические размеры пит – до 0,4 мкм для однослойного диска и 0,44 мкм для двухслойного диска. Увеличилась область данных, уменьшились физические размеры секторов.

Рис. 5 Сравнение дисков CD и DVD

Технология DVD предоставляет огромное количество форматов и четыре типа конструктивного исполнения двух размеров. Диск такого стандарта может быть как односторонним, так и двухсторонним. На каждой стороне может быть один или два рабочих слоя.

Запись однослойных DVD аналогична записи CD, а вот запись двухслойных дисков существенно отличается от описанного ранее процесса. Двухслойные диски имеют два рабочих слоя для записи информации. Эти слои разделяются с помощью специального полупрозрачного материала. Для выполнения своей функции такой материал должен обладать взаимоисключающими свойствами: хорошо отражать лазерный луч в процессе считывания наружного слоя и одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя. Во время считывания информации с такого диска лазерный луч сначала проходит сквозь полупрозрачный слой, фокусируясь на треках внутреннего слоя. Считав всю информацию внутреннего слоя, лазерный луч автоматически меняет свою фокусировку и считывает информацию с полупрозрачного слоя.

При изготовлении двухслойного диска сначала штампуется первый слой, основанный на поликарбонатах. Затем наносится полупрозрачный материал, который в свою очередь покрывается пленкой фотополимерного материала. С помощью ультрафиолетового излучения фотополимеру придается жесткость, и DVD заливается поликарбонатом, который служит диску защитным слоем. DVD имеют толщину 0,6 мм. Для физической совместимости с CD на DVD дополнительно приклеивалась поликарбонатная подложка толщиной 0,6 мм. Принцип записи информации на DVD-R и считывания с него аналогичен записи и считыванию CD-R. Во время записи DVD в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности «прожигает» в активном слое отверстия (питы). При считывании информации лазерный луч обычной мощности, свободно проходя сквозь образовавшееся отверстие, отражается от металлизированного слоя и попадает на фотодатчик, а потом на микропроцессор.

Практическая часть

Глава 4. Экспериментальные исследования

4.1 Изготовление образцов

Для изготовления экспериментальных образцов использовали компакт-диски форматов CD и DVD (CD-R, CD-RW, DVD-R). Кроме того, использовались чистые диски (эталоны) данных форматов, и такие же диски с записью разного вида информации (текста, фото- и видеоизображения). Каждому исследуемому образцу присвоили номер (табл.1).

Таблица 1. Образцы для экспериментальных исследований

Для подготовки образца понадобились:

− CD и DVD- диски (чистые и с записью текста, фото, видеоизображений) ;

− ножницы;

− двойной скотч;

− пинцет;

- подложка.

Из диска вырезался небольшой фрагмент (исследуемый образец) размером 0,5х0,5 мм и приклеивался на металлическую пластинку по центру с помощью двухстороннего скотча (рис.1-3, приложение 1). В результате получилось 12 исследуемых образцов (рис.4, приложение 1)

Все изготовленные образцы сканировались на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) NanoEducator при одинаковых условиях.

Полученные результаты сохранялись в электронном виде в отдельной папке.

4.2 Методика получения топографии  поверхности  исследуемых образцов

Представленная ниже методика получения топографии поверхности исследуемого образца в режиме постоянного туннельного тока была разработана Санкт-Петербургским государственным университетом информационных технологий механики и оптики и Нижегородским Государственным Университетом им. Н.И. Лобачевского.

Ход работы:

1. Установите на держатель образца исследуемый образец.

2. Установите зондовый датчик в гнездо измерительной головки прибора NanoEducator.

3. Запустите управляющую программу прибора NanoEducator. Выберите режим атомно-силового микроскопа (АСМ). Захват взаимодействия на приборе NanoEducator, работающем на воздухе, лучше осуществлять в режиме силового взаимодействия. Эта предосторожность  необходима для того, чтобы не повредить зонд во время захвата, т.к. исследуемые в СТМ образцы на воздухе могут быть частично окислены.

4. Определите амплитудно-частотную характеристику зондового датчика и установите рабочую частоту.

5. Осуществите сближение зонда с образцом с помощью винта ручного подвода до расстояния примерно 1 мм.

6. Осуществите захват взаимодействия в режиме АСМ.

7.  Перейдите в режим туннельного микроскопа, выбрав  СТМ в окне Подготовка к сканированию программы NanoEducator.

8. Выполните захват взаимодействия в режиме туннельной микроскопии (если при переключении между режимами взаимодействие было потеряно) при следующих параметрах СТМ (задаются на вкладке Подвод окна Свойства):

Рабочая точка                     0,5 нА;

Задержка интегратора      1000 мс;

Усиление ОС                       3;

Напряжение                        -2.

9. Откройте окно сканирования. Задайте необходимые параметры сканирования, исходя из предварительных сведений об исследуемом образце. Начните измерение топографии поверхности в режиме постоянного туннельного тока.

10. Если получаемое изображение содержит артефакты сканирования (соседние линии на скане не повторяются, имеются вылеты зонда из обратной связи вследствие неустойчивого туннельного контакта), то остановите сканирование и попробуйте стабилизировать контакт путем изменения значения параметров:

Усиление ОС               1-3

Рабочая точка             0,2 – 1 нА

Напряжение                -2/-1 В

Если величина Z на индикаторе Сканер начнем уменьшаться, увеличьте один из параметров Усиление ОС или  Рабочая точка пока величина Z не восстановится.

Осуществляйте измерение рельефа поверхности в режиме постоянного туннельного тока. Сохраните полученные результаты.

11.  После окончания эксперимента закройте окно сканирования и осуществите отвод зонда от образца.

4.3 Результаты исследований

В результате сканирования поверхностей компакт-дисков были получены

3-D изображения исследуемых образцов (Приложение 2).

В результате сравнительного анализа изображений исследуемых образцов было обнаружено:

1. Топография поверхностей дисков разных форматов различна вследствие различия их физической структуры (Приложение 2, рис.1-3).

2.  При сравнении дисков одного формата, но с наличием различного вида информации на них (текста, фото, видео), топография поверхности меняется на тех  дисках, у которых более сложная физическая структура (CD-RW, DVD-R) (Приложение 2, рис.2, 3).

3. «Ребристость» поверхности дисков DVD-R сильно выражена вследствие того, что при изготовлении образцов защитный слой поликарбоната не использовался (Приложение 2, рис 3).

4. У дисков с форматом DVD-R при записи информации большой емкости (фото, видео) поверхность сглаживается (Приложение 2, рис.3).  Можно предположить, что это происходит из-за разрушения регистрирующего слоя диска под действием лазера при записи информации.

Выводы

1. В ходе выполнения исследовательского проекта нами были изучены теоретические основы сканирующей зондовой микроскопии.

2. Была изучена физическая структура компакт-дисков разных форматов и выявлена разница между ними.

3. Для экспериментальных исследований были изготовлены образцы из компакт-дисков различных форматов (CD-R, CD-RW, DVD-R) без записи (эталоны) и с записью различного вида информации (текста, фото, видеоизображений). Всего получилось 12 образцов.

4. В практической части исследования были изучены устройство и принцип работы СЗМ NanoEducetоr, определены его интеллектуальные возможности: простота в обращении; отсутствие сложных настроек и юстировок; использование видеокамеры для визуального контроля состояния зонда; сканирование поверхности твердого образца. При этом получен опыт и навыки при работе на СЗМ.

5. Был проведен сравнительный анализ 3-D изображений поверхностей исследуемых образцов.

6. С помощью данной методики СЗМ можно исследовать поверхности других твердых тел.

Заключение

Развитие нанотехнологии открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.

Колоссальная роль в этой связи принадлежит экспериментальным методам исследования нанообъектов, что становится возможным благодаря   инструментам нанотехнологии. Одним из основных методов исследования нанообъектов является сканирующая зондовая микроскопия.

Достижения современной науки и технологии во многом связаны с появлением в арсенале экспериментаторов принципиально нового инструмента – сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), предоставившего возможность визуализировать, диагностировать и модифицировать вещество с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Именно благодаря СЗМ, еще недавно казавшиеся фантастическими прямые эксперименты с отдельными молекулами и атомами стали вполне реальными и даже обычными не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных разработок в нанотехнологии.

СЗМ является идеальным инструментом анализа геометрических характеристик питов, удовлетворяющим требованиям высокого разрешения, высокой производительности измерений и неразрушающего контроля образцов больших размеров.

В практической части исследования были изучены устройство и принцип работы СЗМ NanoEducetоr, определены его интеллектуальные возможности: простота в обращении; отсутствие сложных настроек и юстировок; использование видеокамеры для визуального контроля состояния зонда; сканирование поверхности твердого образца.

СЗМ  NanoEducetоr позволяет реализовать различные методы измерений туннельной и «полукантактной» атомно-силовой микроскопии. В практической части исследования это нашло отражение в апробации методики исследования поверхности твердого образца в режиме постоянного туннельного тока. В результате исследования  стандартного образца в режиме постоянного туннельного тока   при помощи СЗМ NanoEducator  были получены 3-D- изображения топографии поверхности компакт-дисков различных форматов в зависимости от наличия на них разного вида информации.

СЗМ NanoEducator   является одним из основных инструментов сканирующей зондовой микроскопии и может использоваться не только в учебных, но и в научных целях при исследованиях в области физики и технологии микро- и наноструктур, материаловедения, катализа, физики и химии полимеров и т.п.

Список источников

1.                 Боухьюз Г., Браат Дж., Хейсер А. и др. Оптические дисковые системы — М.: Радио и связь, 1991. — 280 с. 

2.                 Кобаяси Н. Введение в нанотехнологии – М.: Бином, 2005. -139с.

3.                 Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии – М.: Мир, 2004. -144с.

4.                 Нанотехнологии. Азбука для всех / под редакцией Ю.Д.Третьякова – М.: ФИЗМАТЛИТ – 2009 2-е издание, исп. и доп. – 368с.

5.                 Уильямс Л. Нанотехнологии без тайн / Л. Уильямс, У. Адамс; [пер. с англ. Ю.Т. Горденко]. – М.: Эксмо, 2009. – 368 с.

6.                 Шишкин Е.И. Николаева Е.В.Исследование наноматериалов методами сканирующей зондовой микроскопии. PDF-документ.

7.                 Физическая структура CD и DVD-дисков. PDF-документ.

8.                 Методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования поверхностей накопителей информации и восстановления данных. http://www.runtex.ru/consult/annulment/12.

9.                 Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое - в малом. www.nanonewsnet.ru

10.            Сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator. Руководство пользователя. Сайт: http://www.ntmdt.com.

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Рис. 2

Рис. 3

Скачано с www.znanio.ru