ÚFI/Studium fyz. inženýrství/Představení oboru Fyzikální inženýrství a nanotechnologie/Podrobnější informace o oboru Fyzikální inženýrství a nanotechnologie/ Od ideje k realizaci     

Od ideje k realizaci

Dva příklady aplikace znalostí studentů oboru fyzikální inženýrství.

Rastrovací tunelovací mikroskop

Obr. Tunelování elektronu skrze bariéru

Tak napadlo budoucí nositele Nobelovy ceny, že tunelovacího jevu využijí k měření vlastností vodivých povrchů. Tenký hrot vodivě spojili přes zdroj se vzorkem a přiblížili jej k povrchu na vzdálenost asi jeden nanometr. Vzduchová mezera mezi hrotem a povrchem je pro elektrony potenciálová bariéra, která mění tloušťku během pohybu hrotu nad povrchem. Proud, který teče obvodem přímo souvisí s pravděpodobností, že elektrony protunelují z hrotu do vzorku. Záznam změny proudu odráží tvar povrchu (obr).

Obr. Měření profilu vodivého povrchu

Úkolem studenta 5. ročníku Fyzikálního inženýrství bylo navrhnout rastrovací tunelovací mikroskop. Již z principu vyplývá, že mikroskop je třeba velmi dobře izolovat od vibrací. To je zajištěno pomocí naznačených pružin, na kterých je zařízení zavěšeno. Vířivé proudy v kovových destičkách pohybujících se v magnetickém poli způsobují tlumení nežádoucích vibrací. Dále je třeba zajistit malé posuvy hrotu (od 1 nm po 1 um). Těchto malých posuvů se dosahuje pomocí piezokeramik. Celé zařízení je umístěno do vysokovakuové komory (tlak v takové komoře je zhruba 10^-8 Pa). Pro takové tlaky je nutné užít materiálů, které nezhoršují vakuum. Aby se výroba a provoz komory příliš neprodražovala, bylo třeba navrhnout takové rozmístění jednotlivých součástí, aby zabíralo co nejméně místa, ale zároveň aby bylo možné např. bezpečně vyměnit vzorek nebo hrot. Výkres sestavy zařízení je na obrázku.

Obr. Výkres rastrovacího tunelového mikroskopu

Podle výrobních výkresů dodaných studentem bylo zařízení vyrobeno v dílnách Fakulty strojního inženýrství a instalováno ve vysokovakuové komoře. K mikroskopu byl dále navržen systém výměny vzorků a hrotů. Vakuum se v komoře udržuje pomocí iontové pumpy, která z principu nevytváří žádné vibrace. Na fotografii je vidět mikroskop v komoře.

Obr. Rastrovací tunelový mikroskop ve vakuové komoře

Na obrázku je jeden z prvních snímků povrchu grafitu na ploše asi 3x3 nm. Světlé body jsou obrazy atomů uhlíku uspořádaných do pravidelných šestiúhelníků s jedním centrálním atomem. To přesně odpovídá krystalové mřížce grafitu.

Obr. Obraz povrchu grafitu.

Vidíme, že od fyzikálního jevu, který popíší teoretičtí fyzikové, je ještě poměrně dlouhá, ale velmi zajímavá, cesta k praktickému využití. Fyzikální inženýři jsou žádáni právě proto, že dokáží tuto celou cestu zvládnout sami. Jak může "spatřit světlo světa" přístroj, lze demonstrovat pomocí následujícího příkladu vzniku optického měřicího přístroje, vyvinutého na ÚFI FSI k měření tlouštěk tenkých vrstev.

Návrh přístroje pro optickou reflektometrii

Nápad

Tvůrčí činnost představuje jednu z nejobtížnějších činností člověka. Jak sami dobře víte, dostat správný nápad ve správný čas je k nezaplacení. Jednoho dne dostal někdo na ÚFI nápad, který byl inspirován pohledem na mýdlovou bublinu, která "hrála všemi barvami", jak je vidět na obrázku.

Obr. Fyzika všudypřítomná - obrázek přejatý z publikace Fyzika: kapitola 36, obrázek číslo 14: Odraz slunečního světla od mýdlové blány napnuté ve svislém drátěném oku. Barevné interferenční proužky (nebo pásy) zdobí zbylou část vrstvy a jejich barevnost souvisí s tloušťkou mýdlové blány.

Nápad a jeho hrubé obrysy

Barvy nějakým způsobem (který by fyzik měl znát) souvisí s tloušťkou mýdlové blány. Proč nepoužít tento princip k měření i jiných tenkých vrstev zrovna se tvořících? Zvolený postup je v hrubých rysech naznačen na obrázku - mýdlovou bublinu nahradíme vzorkem (tj. vytvářenou vrstvou) neznámé tloušťky, sluneční svit nahradíme žárovkou a monochromátorem a lidské oko nahradíme plošným detektorem - kamerou. Toto je krok číslo 2.

Obr. Nápad a jeho hrubé obrysy.

Konkretizace

Dalším krokem je konkretizace nápadu a ideje v konstrukční návrh zařízení (tento návrh vypracoval v rámci svého diplomového úkolu student ÚFI FSI Petr Neugebauer):

Obr. Konstrukční výkres sestavy optického zařízení k měření tlouštěk tenkých vrstev.

Praktické použití

Pak nezbývá než v kroku číslo 4 zařízení podle výkresů vyrobit, sestavit a vyzkoušet jeho funkci v průběhu měření, jak je vidět na obr.

Obr. Zařízení pro měření tlouštěk tenkých vrstev v praxi.

Výsledky

V poslední, pátém kroku, už nezbývá, než se těšit na výsledky, které jsou měřením dosaženy. Na obrázku je vidět vyhodnocená struktura leptání původně homogenní vrstvy SiO2 kyselinou nestejnoměrně, takže vznikly na vzorku schody.

Obr. Vyhodnocení tloušťky vrstvy

Na závěr uvedeme pro ty zvídavější z vás, na kolika uvedených krocích se aktivně podílejí studenti. Odpověď je jednoduchá - na všech.