№ 5 (2023)

Дано краткое описание концепции мягкого рентгеновского микроскопа для станции “Наноскопия”, которая планируется для установки на синхротроне четвертого поколения СКИФ. Микроскоп будет предназначен для изучения строения клеток и динамических процессов в них с нанометровым пространственным разрешением. Прибор будет использовать уникальный абсорбционный контраст ~15 между углеродсодержащими структурами и водой в спектральном диапазоне “окна прозрачности воды” λ = 2.3–4.3 нм, что исключает необходимость контрастирования и применения флуорофоров и минимизирует необходимые для получения высококачественных 3D-изображений поглощенные в образцах дозы ионизирующего излучения. Приведены сканирующая и проекционная схемы микроскопа, их основные технические характеристики, в том числе расчетные спектры и параметры ондуляторного источника, получена оценка поглощенных доз в зависимости от разрешения. Основное преимущество предлагаемой концепции заключается в использовании объектива из высокоапертурных многослойных рентгеновских зеркал, который позволяет четко визуализировать фокальный срез образца. Для восстановления трехмерной структуры замороженных или высушенных образцов будет также использована технически простая аксиальная томография. В сканирующей схеме благодаря малой дозе облучения можно будет изучать живые клетки растений с разрешением до 10 нм, животных – до 80 нм и замороженные образцы с разрешением до 5 нм. В проекционной схеме за счет одномоментного наблюдения всего фокального ХY-среза существенно уменьшено время получения трехмерных изображений, но за счет большой дозы она будет ориентирована в основном на изучение фиксированных образцов.

В работе представлены результаты исследования влияния облучения импульсным электронным пучком поверхности силумина доэвтектического состава на механические свойства материала. В качестве материала исследования использован силумин марки АК5М2 (Al–(4.0–6.0)Si–1.3Fe–0.5Mn–0.5Ni–0.2Ti–2.3Cu–0.8Mg–1.5Zn). Для проведения одноосной деформации растяжением были изготовлены двухсторонние пропорциональные образцы с головками. Также приведены результаты исследования эволюции полей деформаций слоистых композитов силумин/углепластик на одноосное растяжение на базе облученного силумина. Углепластик выполнен из наполнителя – углеродной однонаправленной ткани FibARM Tape-230 – и связующего – двухкомпонентного эпоксидного состава FibARM Resin 530. Методами растровой электронной микроскопии исследована поверхность излома образца. Построены зависимости максимальных и минимальных значений величины деформации в локализаторах на поверхности образца от усредненных деформаций по рабочей области образца. Определено увеличение (относительно силумина в исходном состоянии) прочностных и пластических свойств как образцов облученного силумина, так и композита силумин/углепластик. Выявлен пилообразный характер деформационной кривой одноосного растяжения композитного материала силумин/углепластик с предварительно облученной поверхностью пластины силумина.

Обобщены результаты исследований оптических свойств и структуры пленок In₂O₃ на подложках Al₂O₃ (012), полученных методом dc-магнетронного распыления. Исследованные пленки отличаются временем напыления, температурой подложки, а также наличием дополнительной термообработки на воздухе. По результатам рентгеноструктурных измерений данные пленки демонстрируют рефлекс, соответствующий плоскости (222) кубической модификации In₂O₃, точное положение и полуширина которого зависят от времени напыления. Оптические свойства полученных пленок объясняются неоднородной по толщине микроструктурой, которая формируется при распылении мишени с относительно невысокой механической прочностью. Так, показатель преломления пленок, осажденных на подложки комнатной температуры, возрастает в направлении от подложки к внешнему интерфейсу. При температуре подложки более 300°C, показатель преломления пленок однороден, за исключением шероховатого слоя на поверхности. Термообработка уменьшает количество дефектов кристаллической структуры пленок, и приводит к уплотнению материала пленок. В результате исчезает неоднородность показателя преломления и уменьшается наблюдаемая ширина запрещенной зоны для прямых переходов. Последнее является следствием изменения сдвига Бурштейна–Мосса в результате уменьшения концентрации дефектов решетки. Ширина запрещенной зоны для “непрямых” переходов (соответствующая истинному значению ширины запрещенной зоны) малочувствительна к отжигу.

Представлен обзор расширения возможностей гибридного режима работы атомно-силового микроскопа, который является основным для двухзондового манипулятора атомно-силового микроскопа. Представлены варианты улучшения работы системы обратной связи атомно-силового микроскопа, которые существенно понижают шум в режиме сканирования рельефа. Продемонстрирована возможность применения данного режима для широкого класса зондов как упругих, таких как стандартные вольфрамовые зонды и стеклянные капилляры, так и жестких, например, как сапфировые зонды с диаметром скругления в десятки микрометров. Приведены примеры использования данного режима при измерении проводимости исследуемого образца, а также измерении силы адгезии нановискеров к кремниевой подложке. Кроме того, показано использование данного манипулятора атомно-силового микроскопа в микро- и нанофлюидике, такое как перемещение, соединение и разделение капель жидкости, а также создание капель определенного объема. Приведены примеры различных способов перемещения нановискеров по поверхности кремниевой подложки. Показана возможность манипулирования нановискером при помощи потока жидкости, формируемого зондом манипулятора атомно-силового микроскопа, т.е. без касания зондом самого нановискера.

Работа сканирующего микроскопа ионной проводимости основана на предположении, что ионный ток I(z), протекающий через наноапертуру зонда, выполненного в виде стеклянной нанопипетки, принимает максимальное значение I = I_sat вдали (по сравнению с апертурой зонда) от исследуемого образца, погруженного в раствор электролита, и монотонно уменьшается при сближении зонда с поверхностью. Величину рабочего тока сканирующего микроскопа ионной проводимости обычно выбирают вблизи тока насыщения I ~ 0.9I_sat. Однако при определенных условиях монотонный характер кривой подвода I(z) меняется, и при приближении нанопипетки к поверхности образца ионный ток увеличивается, проходит через максимальное значение и уменьшается при дальнейшем сближении зонда с поверхностью (“пик-эффект”). Очевидно, что “пик-эффект” может приводить к сбою в работе следящей системы сканирующего микроскопа ионной проводимости и шумам на получаемых изображениях. В работе экспериментально исследовалось появление пика на кривой подвода. Проведено сравнение экспериментальной кривой подвода с теоретическим расчетом, выполненным методом конечных элементов, зонд вблизи плоской поверхности образца рассматривали как микрофлюидную систему в виде Т-образного канала с симметрией относительно поворота вокруг оси пипетки.

Развитие современных технологий, в том числе нанотехнологии, основано на применении методов диагностики объектов, используемых в технологиях процессах. Для этой цели наиболее перспективными являются методы, реализованные в растровом электронном микроскопе. При этом одним из основных методов является измерение линейных размеров рельефных структур микронного и нанометрового диапазонов, используемых в микро- и наноэлектронике. В основе работы растрового электронного микроскопа лежит вторичная электронная эмиссия твердого тела. Однако практически все известные закономерности вторичной электронной эмиссии были получены на поверхностях, рельефом которых пренебрегалось. Приведен обзор теоретических и экспериментальных материалов исследования вторичной электронной эмиссии твердого тела на безрельефных поверхностях. Практически все известные закономерности проверены в экспериментах и получили свое физическое объяснение. Однако применение вторичной электронной эмиссии в растровой электронной микроскопии, используемой в микро- и наноэлектронике и нанотехнологиях, требует знания закономерностей, которые проявляются именно на рельефных поверхностях. Демонстрируется, какие закономерности можно применять в растровом электронном микроскопе для измерения линейных размеров рельефных структур. Делается вывод о необходимости изучения влияния рельефа поверхности твердого тела на вторичную электронную эмиссию.

В статье изложены результаты расчетов оптимальной геометрии конструкции одного из типов источников квазинейтральной плазмы. Рассмотрена схема ионного источника с индуктивным разрядом плазмы, образуемым и поддерживаемым с помощью высокочастотного электромагнитного поля с частотой порядка 1 МГц. С помощью численного моделирования проведена совместная оптимизация профилей поверхностей основных узлов конструкции, а именно разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы. Расчеты выполняли с помощью разработанной ранее инженерной модели индуктивного разряда в плазме. Критериями оптимизации являлись тяга и величина извлекаемого из источника ионного тока, определяемые из расчетных распределений электронной плотности и температуры электронов в объеме разрядной камеры. Оптимизационные расчеты проведены для ионного источника диаметром 16 см с разрядными камерами, поверхность которых имеет форму сегментов сферы. Результаты расчетов тяги представлены в сравнении с величинами, рассчитанными для базовой конфигурацией схемы ионного источника с полусферической разрядной камерой и плоской ионно-оптической системой. Получено существенное увеличение величины извлекаемого ионного тока и тяги в найденной оптимальной конфигурации ионного источника.