Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка21/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   24

6.2 Ближньопольова НВЧ-діагностика матеріалів і середовищ

  • 6.2.1 Загальна характеристика методу ближньопольової діагностики


    Ближньопольова НВЧ-діагностика – неруйнівний прямий метод дослідження, що дозволяє отримувати інформацію про поверхневі та приповерхневі властивості різних середовищ. Вона базується на реєстрації частині НВЧ-впливу, локалізованої в ближньому полі зонда. Це дозволяє різко підняти роздільну здатність і подолати дифракційну межу для даних частот [28].

    Локалізація НВЧ-сигналу в ближньому полі проводиться за допомогою установок, конструкція та принцип роботи яких розглянуті нижче. Основними факторами, що визначають роздільну здатність і точність вимірювань (відношення сигнал/шум), є: конструкція установки, властивості досліджуваного матеріалу, розмір вимірювального зонда, а також відстань від зонда до поверхні зразка. Аналіз отриманих даних проводиться за допомогою досить складного апарату математичної фізики, методів чисельного аналізу, а також використання експериментальних досліджень методів діагностики матеріалів у НВЧ-діапазоні [9].

    Ближньопольова НВЧ-діагностика активно застосовується для вивчення поверхні діелектричних і напівпровідникових плівок q отримання карт розподілу діелектричної проникності, виявлення дрібних дефектів і неоднорідностей, аналізу нелінійних характеристик. Така діагностика широко застосовується в галузі біології та медицини. У додатку до завдання дослідження біологічних об'єктів НВЧ-хвилі вигідно відрізняються від хвиль оптичного та інфрачервоного діапазонів, порівняно високу проникну здатність (від кількох міліметрів до дециметрів). Тому стає можливим вивчення не лише поверхневих, а й глибинних шарів (із відповідною втратою просторової роздільної здатності по поверхні). Ця особливість застосовується для візуалізації структури біологічних об'єктів, аналізу та візуалізації пухлин.

    Перспективними є НВЧ-дослідження в галузі напівпровідникової мікро- та наноелектроніки, оскільки вони дозволяють отримувати багатопараметричну інформацію про поверхні та приповерхневі поверхні. Одним із застосувань НВЧ-діагностики є мікрохвильова мікроскопія в нанотехнологіях, яка на сьогодні використовується, наприклад, для аналізу технології отримання високотемпературних надпровідників, візуалізація поверхневого розподілу провідності, локальних вимірювань нелінійного НВЧ-відгуку і т. д.

    Як приклад на рис. 6.3 наведені типові схеми радіовимірювальних перетворювачів (РХП) мікрохвильових мікроскопів.

    Основою таких мікрозондів є коаксіальні лінії передач, які можуть бути виконані як в об'ємному, так і в мікросмуговому варіанті, що визначається параметрами та властивостями досліджуваного об'єкта.

    а б в

    Рисунок 6.3 – Різновиди вимірювальних перетворювачів: а – коаксіальний; б – із підвищеною добротністю; в – мікросмуговий


    Основними перевагами розглянутої мікрохвильової мікроскопії ближнього поля є: багатофункціональність, можливість додаткового впливу на зразок (постійним електричним полем, магнітним полем, додатковим НВЧ-полем, механічним і силовим полями тощо) і, найголовніше, можливість детального дослідження властивостей поверхневих шарів у НВЧ- діапазоні.

    У праці [31] були розвинені фізичні основи мікрохвильової сканувальної мікроскопії (МСМС) напівпровідників і розроблена загальна концепція підвищення просторової роздільної здатності (на рівні 100 нм) та чутливості (багатопараметрової) МСМС. Ця концепція полягала: у максимальній просторовій локалізації енергії зондувального НВЧ-поля в нормальній до об'єкта електричній складовій резонаторного коаксіального мікрозонда; у формуванні сигналів сканування із широким застосуванням модуляційних принципів і додаткової їх інформаційної обробки сучасними засобами проектування РХП для МСМС із поділом областей накопичення НВЧ-поля і випромінюванням у мікрозонд. На рис. 6.4 наведена загальна схема мікрохвильового сканування мікроструктур, що дозволила отримати просторовий дозвіл 1 мкм.

    Показано, що внаслідок реконструкції (модернізації) цієї схеми роздільна здатність може бути підвищена на порядок (тобто просторова роздільна здатність мікрохвильових мікроскопів може дорівнювати 100 нм), а можливо й більше.

    Рисунок 6.4 – Загальна схема мікрохвильового сканування мікроструктур


    На підставі аналізу праць [16, 31] і поданих вище результатів можна виділити такі області застосування мікрохвильової мікроскопії:

    - технологія високотемпературних надпровідників;

    - візуалізація поверхневого розподілу;

    - біологія і медицина: візуалізація структури біологічних об'єктів, дослідження та візуалізація пухлин.

    До перспективних областей застосування цього напрямку потрібно віднести:

    - напівпровідникова мікро- та наноелектроніка;

    - багатопараметричні дослідження поверхні та приповерхневих поверхонь, нанокластерів;

    - топологія розподілу електрофізичних параметрів матеріалів;

    - можливість нетеплової локальної модифікації поверхні та приповерхневих шарів.

    1. 6.2.2 Типові схеми мікрохвильових мікроскопів


    Сканувальні мікрохвильові мікроскопи використовуються для дослідження матеріалів на мікрохвильових частотах і для вимірювання змін опору. Найбільш типові схеми таких пристроїв наведені на рис. 6.5 і 6.6.

    Рисунок 6.5 – Схема мікрохвильового мікроскопа з ІП на основі відрізка коаксіальної лінії


    Мікрохвильовий сигнал від джерела входить у лінійний резонатор із коаксіальною лінією передачі, обмеженої з одного боку розв'язувальною ємністю, а з іншого – відкритим коаксіальним зондом. За рахунок багаторазового відбиття в коаксіальному резонаторі (із добротністю ~102–103) вдається значно зменшити шум і підвищити точність вимірювань, але при цьому виникає необхідність перебудови параметрів резонатора при вимірюванні на різних частотах.

    Рисунок 6.6 – Схема мікрохвильового мікроскопа з ІП на основі коаксіального резонатора


    Для того щоб контролювати відстань між зразком і зондом, встановлюється залежність відбитого сигналу від відстані до зразка. Прив'язка системи до зразка переважно ємнісна. Якщо зразок металевий, то він становить одну обкладку конденсатора, а інша формується центральним провідником коаксіального зонда. При зменшенні відстані між зондом і зразком ємність зростає, що призводить до падіння резонансної частоти коаксіального резонатора. В одному граничному випадку, коли зонд перебуває далеко від зразка, лінія передачі з відкритим кінцем має кінцевий імпеданс. У цьому разі подана система – це напівхвильовий резонатор із резонансною частотою . В іншому граничному випадку, коли зразок знаходиться в контакті із зондом, ланцюг замикається. Така схема має назву «контакт Корбіно». У даному випадку система є чвертьхвильовим резонатором і резонансна частота зменшується на

    , (6.1)


    де L – довжина коаксіального резонатора; – відносна діелектрична стала коаксіального кабелю. Для типових відстаней між зондом і зразком зміщення частоти досягає значень між 0 та .

    Просторова роздільна здатність мікроскопа не залежить від частоти вимірювання, і система може працювати в широкому інтервалі частот. Це означає, що карту поверхневого розподілу властивостей матеріалу можна отримувати точно на тій частоті, на якій буде використовуватися матеріал. Наприклад, розглянемо мікроскоп із довжиною коаксіального резонатора L = 2 м. У цьому разі частота основної (фундаментальної) моди становить приблизно 50 МГц, і можна отримати овертони, кратні 50 МГц, доступні для отримання зображення. Верхня межа частоти мікроскопа задається відповідно з робочою шириною смуги електроніки. На практиці мікрохвильове джерело має верхню межу частоти 50 ГГц. Однак мікрохвильова спрямована котушка (сполучна муфта), детектор і коаксіальний кабель теж можуть обмежувати ширину частотної смуги мікроскопа. Однак можна сконструювати мікроскоп, який має майже безперервне зображення за трьома десятками частот від 50 МГц до 50 ГГц.

    Для аналізу надпровідних керамічних зразків необхідні кількісні безпосередні та руйнівні методи дослідження характеристик тонких плівок. При цьому метод повинен забезпечувати високу просторову роздільну здатність і бути високошвидкісним. Бажано також, щоб установка для аналізу мала просту конструкцію, складалася з комерційно доступних компонентів і забезпечувала безпосередню інтерпретацію зображення. Всім переліченим вище вимогам відповідає МСМС.

    Неруйнівний спосіб отримання зображень мікрохвильового поверхневого опору був продемонстрований із використанням різних систем резонансних зондів. Найкращі результати із зображення дисипації у зразку отримані при вимірах добротності Q. Для визначення взаємозв'язку між Q мікроскопа та поверхневим опором зразка була використана алюмінієва плівка змінної товщини на скляній підкладці. Перетин тонкої плівки клиноподібний, тому можна зіставити зміну поверхневого опору з параметрами сканування. Використовуючи зонд із центральним провідником діаметром 500 мкм і вибираючи резонанс мікроскопа та частоту 7,5 ГГц, автори роботи отримали дані про зміщення частоти і Q, що дозволило побудувати топографію розподілу поверхневого опору тонкої плівки на сапфіровій підкладці [16].



  • 1   ...   16   17   18   19   20   21   22   23   24


    База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
    звернутися до адміністрації

        Головна сторінка