Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Atomic layer deposition of HfO2 investigated in situ by means of a noncontact atomic force microscopy

Kolanek K., Tallarida M., Schmeisser D.

Materials Science Poland

|

2010

|

Vol. 28, No. 3

731--740

EN

An ultra high vacuum atomic force microscope operating in a noncontact mode has been employed to investigate in situ atomic layer deposition (ALD) of HfO2. Tetrakis-di-methyl-amido-Hf and H2O were used as precursors and the deposition process was performed on Si(001)/SiO2 substrate maintained at 230 °C. The relation between the film growth and the root mean square surface roughness was studied after each ALD cycle. The histograms of the initial stages of the ALD process have been compared in terms of the surface height data as a way of characterizing the growth process. Parameter values corresponding to HfO2 layer thickness and coverage were calculated. A detailed analysis of the surface height histograms allowed one to construct a simplified growth model and confirm the completion of the first HfO2 layer after four ALD cycles.

2

FE based structural reliability analysis using STAND environment

Stocki R., Kolanek K., Knabel J., Tauzowski P.

Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences

|

2009

|

Vol. 16, No. 1

35-58

EN

An assessment of structural reliability requires multiple evaluations of the limit state function for various realizations of random parameters of the structural system. In the majority of industrial applications the limit state functions cannot be expressed explicitly in terms of the random parameters but they are specified using selected outcomes of the FE analysis. In conseąuence, in order to be useful in practice, a structural reliability analysis program should be closely integrated with a FE module or it should be interfaced with an advanced external FE program. When the FE source code is not available, which is usually the case, the only option is to establish a communication between the reliability analysis program and an external FE software through the batch mechanism of data modification, job submission and results extraction. The main subject of this article is to present the reliability analysis capabilities of STAND software, which is being developed in the Institute of Fundamental Technological Research of Polish Academy of Sciences. A special emphasis is put on the issues related to its interfacing with external general purpose FE codes. It is shown that when shape type random variables are used, leading to modifications of the FE mesh, or when the limit state function contains numerical noise, standard algorithms for localizing the design point often fail to converge and a special method based on some response surface approximation is needed. A proposition of such a strategy that employs an adaptive response surface approximation of the limit state function is presented in this article. Development of a reliability analysis program is a challenging project and calls for such a code organization, which would facilitate a simultaneous work of many programmers and allow for easy maintenance and modifications. The so-called object-oriented programming seems to provide a convenient framework to realize these objectives. The object-oriented approach is used in STAND development. The advantages of this programming paradigm and a short description of the STAND's class hierarchy are presented in the text. The study is concluded with two numerical examples of interfacing STAND with state of the art commercial FE programs.

3

Fabrication of micro- and nanostructures by scanning probe microscopy. Local anodic oxidation

Kolanek K., Gotszalk T., Zielony M., Grabiec P.

Materials Science Poland

|

2008

|

Vol. 26, No. 2

271--278

EN

Atomic force microscopy (AFM) is a high resolution imaging technique in which a cantilever with a very sharp tip is scanned over a sample surface. AFM technique can also be used to fabricate micro- and nanostructures on metallic or semiconductor surfaces. Nanolithography by local anodic oxidation or by noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) has strong potential to pattern the surface with a well defined feature size at the nanometer regime. In the paper, the growth rate of nanostructures produced by local anodic oxidation process has been investigated. Mechanisms of nanooxidation have been studied and dependences of its rate and resolution on the voltage applied between the tip and a sample surface, tip speed, and ambient humidity.

4

Wytwarzanie mikro- i nanostruktur metodami mikroskopii bliskich oddziaływań

Kolanek K., Gotszalk T., Zielony M., Grabiec P.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2008

|

Vol. 49, nr 5

9-11

PL

Postęp w dziedzinie wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych i układów scalonych wynika głównie z procesu miniaturyzacji. W wyniku miniaturyzacji wzrasta wydajność oraz zmniejsza się pobór mocy zaawansowanych przyrządów elektronicznych. W chwili obecnej technologia fotolitografii jest podstawowym narzędziem pozwalającym wytwarzać zawansowane przyrządy półprzewodnikowe. Tworzenie przyrządów o rozmiarach poniżej 100 nm powoduje znaczne problemy technologiczne. Nanolitografia, technika mikroskopii bliskich oddziaływań, wykorzystująca proces lokalnej anodyzacji powierzchni, jest zaawansowaną techniką pozwalającą wytworzac wzory na powierzchni półprzewodnika. Ze względu na precyzyjną kontrolę procesu lokalna anodyzacja jest wszechstronną techniką pozwalającą wytwarzać wzory nanostruktur. Łącząc technikę nanolitografii z procesem mokrego trawienia można wytworzyć nanostruktury o szerokości linii poniżej 100 nm. Przedstawiona technologia może w niedalekiej przyszłości posłużyć do wytwarzania przyrządów elektroniki kwantowej.

EN

Rapid progress in fabrication of the semiconductor devices and integrated circuits is mainly due to miniaturization. As a result of the miniaturization process improved performance and reduced power consumption is introduced to high- end electronic devices. At the present state mainly photolithography tools are used for developing electronic devices. Fabrication of nanostructures below 100 nm regime by conventional photolithographic techniques leads to technological limitations. Nanolithography based on local anodic oxidation by atomic force microscopy is a promising technique for patterning nanostructures on silicon substrates. Due to its versatility and precise control, local anodic oxidation is suited for preparing well defined nanostructures. By the combination of nanolithography and wet etching, nanostructures with a line width below 100 nm may be fabricated. Presented technology could be used to fabricate quantum devices in the near future.

5

Analiza i optymalizacja niezawodnościowa konstrukcji za pomocą adaptacyjnych metod symulacyjnych

Kolanek K.

Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN

|

2007

|

nr 3

3-183

PL

Do oszacowania prawdopodobieństwa awarii można wykorzystać adaptacyjne metody symulacyjne. Algorytmy tego rodzaju nie wymagają, tak jak FORM/SORM, różniczkowalności funkcji granicznej, a zarazem są bardziej efektywne obliczeniowo niż klasyczna metoda Monte Carlo. W literaturze można znaleźć wiele przykładów zastosowania algorytmów adaptacyjnych do rozwiązania zadania analizy niezawodności konstrukcji. Podstawą tych metod zwykle są skomplikowane procedury iteracyjne, dla których analiza zbieżności jest bardzo trudna. Dlatego też w publikacjach dotyczących tego zagadnienia najczęściej przedstawiane są przykłady efektywnego zastosowania proponowanych algorytmów ale bez dowodów ich zbieżności. Oczywiście znajomość warunków zbieżności jest cechą ułatwiającą efektywne wykorzystanie jakichkolwiek metod iteracyjnych. Podjęto więc próbę wyszukania i zbadania możliwości zastosowania w analizie niezawodności konstrukcji adaptacyjnych metod symulacyjnych, które mają dobrze opracowane podstawy teoretyczne. Ostatecznie analizie poddano metodę wzajemnej entropii (ang. Cross-Entropy Method) oraz metody generujące łańcuchy Markowa, które w literaturze anglojęzycznej są określane jako Markov chain Monte Carlo. Metoda wzajemnej entropii została zaproponowana w roku 1997 jako efektywny algorytm służący do oszacowania prawdopodobieństwa rzadkich zdarzeń. Od tego czasu metoda ta była intensywnie rozwijana i obecnie jest dobrze opracowanym teoretycznie algorytmem symulacji rzadkich zdarzeń i optymalizacji kombinatorycznej. Zastosowanie metody wzajemnej entropii w analizie niezawodności konstrukcji wymaga jedynie uwzględnienia innej postaci nierówności, która definiuje przekroczenie stanu granicznego. Autorowi, nie są jednak znane wcześniejsze przykłady wykorzystania tego podejścia w analizie niezawodności konstrukcji. W jednym z rozdziałów omówiono podstawy teoretyczne oraz szczegółowo przedstawiono implementację metody wzajemnej entropii. Wykorzystano przy tym notację charakterystyczną w przypadku analizy niezawodności konstrukcji. Ponadto, na podstawie przykładów testowych reprezentujących trudności związane z oszacowaniem prawdopodobieństwa awarii zbadano efektywność numeryczną tego algorytmu. Otrzymane wyniki mogą być wykorzystane jako podstawa doboru wartości jego parametrów, zależnie od cech rozwiązywanego zadania. Metody Markov chain Monte Carlo są drugą grupą algorytmów symulacyjnych, których zastosowanie w analizie niezawodności jest przedmiotem tej pracy. Jak wiadomo efektywność metody importance sampling zależy od właściwego doboru rozkładu prawdopodobieństwa, z którego generowana jest próba losowa. Gęstość rozkładu prawdopodobieństwa minimalizującego wariancję estymatora importance sampling jest niezerowa jedynie w obszarze awarii, gdzie jest proporcjonalna do gęstości prawdopodobieństwa losowych parametrów konstrukcji (estymator określony w ten sposób ma rozkład punktowy). Zastosowanie metod bezpośredniego generowania liczb losowych do tak zdefiniowanej gęstości prawdopodobieństwa, wymaga wyznaczenia jej stałej normalizującej, którą w tym przypadku jest prawdopodobieństwo awarii. Często można spotkać się ze stwierdzeniem, ze w celu dokładnego oszacowania prawdopodobieństwa awarii za pomocą importance sampling wystarczyłaby jedna symulacja z rozkładu optymalnego, ale do uzyskania oszacowania w ten sposób konieczna jest znajomość rozwiązania zadania. Zdaniem autora stwierdzenie takie jest mylące, gdyż znając stałą normalizującą znamy rozwiązanie zadania i przeprowadzanie symulacji jest bezcelowe. Zasadniczym problemem nie jest w tym przypadku generowanie próby losowej, a jest nim oszacowanie stałej nonnalizującej równej prawdopodobieństwu awarii. Algorytmy Markov chain Monte Carlo pozwalają otrzymać próbę losową z rozkładu o danej gęstości prawdopodobieństwa, jeżeli jest znana funkcja do nie] proporcjonalna. Za, pomocą tych metod można, więc wygenerować próbę, losową o rozkładzie optymalizującym metodę importance sampling. Przybliżenia, prawdopodobieństwa awarii na podstawie takiej próby losowej wymaga oszacowania stałej normalizującej jej gęstość, do czego konieczne jest posłużenie się odpowiednim algorytmem. Rozdział poświęcony zastosowaniu Markov chain Monte Carlo w analizie niezawodności zawiera omówienie metod wykorzystywanych do oszacowania prawdopodobieństwa awarii za pomocą przedstawionego podejścia. Poruszane są zagadnienia kluczowe w przypadku numerycznej implementacji algorytmów, takie jak efektywność oszacowania czy modyfikacja rozkładu prawdopodobieństwa pozwalająca przyjąć dowolny punkt startowy. Rozdział ten zawiera również przykłady zastosowania proponowanej metody do rozwiązania zadań testowych charakterystycznych w przypadku analizy niezawodności. W niniejszej pracy również przedstawiono wykorzystanie pól losowych do modelowania imperfekcji geometrycznych konstrukcji jedno i dwuwymiarowych. Rozważane imperfekcje mają postać wstępnych odchyleń od idealnej osi pręta bądź powierzchni środkowej płyty. Szczególną uwagę poświęcono uzyskaniu pól losowych, których realizacje spełniają warunki brzegowe utwierdzenia. W tym celu posłużono się metodą warunkowania pól losowych. To podejście było już wcześniej stosowane do definiowania pól losowych, których realizacje spełniają warunki brzegowe swobodnego podparcia. Uwzględnienie warunków utwierdzenia wymagało teoretycznego opracowania zagadnienia warunkowania pól losowych na ich pochodnych. Zaproponowaną metodę przedstawiono na przykładach numerycznych, które pokazały, że uzyskane realizacje pól losowych spełniają warunki brzegowe z zadowalającą dokładnością. Ponadto omówiono warunki ciągłości i różniczkowalności realizacji pól losowych. Przedmiotem jednego z rozdziałów jest przykład, w którym analizuje się niezawodność ściskanej półki blachownicy z uwzględnieniem jej wstępnej deformacji. Jako model tego elementu konstrukcyjnego przyjęto płytę z imperfekcjami w postaci gaussowskiego pola losowego. Spełnienie warunków podparcia przez realizacje pola losowego zostało zapewnione za pomocą metody warunkowania. Rozważanym stanem granicznym jest przekroczenie dopuszczalnych wartości przemieszczeń normalnych do idealnej powierzchni płyty, w wyniku jej ściskania. Do wyznaczenia prawdopodobieństwa awarii zastosowano metodę wzajemnej entropii i metody oparte na Markov chain Monte Carlo. Zwrócono także uwagę, że symetrie konstrukcji skutkują symetriami powierzchni awarii, co wiąże się z występowaniem kilku istotnych punktów projektowych. Intrygujący jest fakt, że pomimo powszechnego wykorzystywania symetrycznych modeli konstrukcji, zagadnienie to nie było wcześniej poruszane w literaturze. Do rozwiązania tego problemu zastosowano podejście oparte na przedstawieniu stanu granicznego w postaci systemu awarii. Tematem poruszanym w pracy jest także optymalizacja niezawodnościowa konstrukcji. Oryginalnym elementem w tym przypadku jest przyjęcie założenia, że pewne parametry projektowe przyjmują wartości w zbiorach dyskretnych. Optymalizacja niezawodnościowa jest problemem, którego rozwiązanie wymaga długotrwałych obliczeń komputerowych. Uwzględnienie dyskretnego charakteru parametrów projektowych stanowi dodatkowe utrudnienie, gdyż uniemożliwia zastosowanie algorytmów gradientowych. Do rozwiązania tak sformułowanego zadania zaproponowano dwa algorytmy. Pierwszy z nich wykorzystuje transformację zmiennych dyskretnych do rozszerzonej przestrzeni parametrów ciągłych. Drugi, to algorytm kontrolowanego przeglądu, w którym wprowadzono modyfikacje zwiększające jego efektywność. Praktyczne zastosowanie tych metod zostało przedstawione na przykładach optymalizacji konstrukcji kratownicowych, gdzie dyskretnymi parametrami projektowymi były pola przekrojów prętów. Takie sformułowanie zagadnienia odzwierciedla ograniczone możliwości doboru elementów konstrukcyjnych przy wykorzystaniu standardowych wyrobów hutniczych. W pracy omówiono również podstawowe zagadnienia związane z analizą niezawodności. Obok klasycznych metod oszacowania prawdopodobieństwa awarii przedstawione jest sformułowanie niezawodności zależnej od czasu oraz metody analizy niezawodności systemów awarii. Rozprawa składa się z 10 rozdziałów. Poza zawierającym wstęp pierwszym rozdziałem, opisują one następujące zagadnienia: Rozdział 2 zawiera podstawy analizy niezawodności. Na wstępie wprowadzane są pojęcia, takie jak: awaria konstrukcji, funkcja graniczna, obszar awarii, prawdopodobieństwo awarii oraz wskaźnik niezawodności. Wykorzystanie tych pojęć zilustrowano za pomocą prostego przykładu. Dalej, rozdział 2 zawiera omówienie podstawowych algorytmów numerycznych wykorzystywanych do wyznaczenia prawdopodobieństwa awarii; są to: transformacja zmiennych losowych do gaussowskiej przestrzeni standardowej, metody FORM i SORM, a także całkowania Monte Carlo z uwzględnieniem metod redukcji wariancji. Rozdział 3 poświęcono zagadnieniu optymalizacji niezawodnościowej konstrukcji. Przedstawiono sformułowanie minimalizacji kosztu początkowego przy ograniczeniach nałożonych na wielkość prawdopodobieństwa awarii. Następnie sformułowanie to rozszerzono o ograniczenia pozwalające uwzględnić dyskretny charakter zmiennych projektowych. Do rozwiązania zadania niezawodnościowej optymalizacji dyskretnej zaproponowano dwa algorytmy. Pierwszy z nich wykorzystuje transformację zadania do ciągłej przestrzeni parametrów. Dopuszczalne wartości dyskretnych parametrów projektowych reprezentowane są za pomocą zmiennych z przedziału [0,1]. Wprowadzenie do zadania dodatkowych ograniczeń pozwala na jednoznaczne określenie optymalnych wartości parametrów dyskretnych. Drugą omawianą metodą jest algorytm kontrolowanego przeglądu. W tym przypadku wprowadzono modyfikację, która polega na wstępnej selekcji kombinacji parametrów projektowych w oparciu o liniową aproksymację wskaźników niezawodności. Dokładnej analizie niezawodności poddawane są tylko te kombinacje, których przybliżone wartości ograniczeń są najbliższe zeru. Taka modyfikacja pozwala na uzyskanie zadowalającego rozwiązania, przy znacznej oszczędności czasu obliczeń. Efektywność obydwu metod porównano na przykładach, optymalizacji konstrukcji kratownicowych. Analizie poddano płaską kratownicę złożoną z 10 prętów oraz kopułę kratownicową podatną na utratę stateczności. W przykładach tych, jako zmienne dyskretne przyjęto pola przekrojów prętów. Rozdział 4 dotyczy wykorzystania w analizie niezawodności pól losowych. Omówiono podstawowe charakterystyki pól losowych, takie jak: funkcja wartości oczekiwanej, funkcja kowariancji, długość korelacji oraz stacjonarność. Oszacowanie prawdopodobieństwa awarii wymaga przedstawienia pola losowego za pomocą skończonej liczby zmiennych losowych - konieczne jest wykonanie tzw. dyskretyzacji. W pracy przedstawiono następujące algorytmy wykorzystywane w tym celu: metody średnich przestrzennych, metody rozwinięcia w szereg oraz aproksymację liniową. Głównym celem rozdziału 4 jest modelowanie za pomocą pól losowych imperfekcji geometrycznych z uwzględnieniem warunków brzegowych utwierdzenia. Zaproponowana metoda wykorzystuje warunkowanie jednorodnego pola losowego na wartościach i pochodnych jego realizacji w punktach brzegowych. Przedstawiono więc sposób, w jaki można określić warunkowe pole losowe, a w załączonym przykładzie wyprowadzano warunkowe funkcje wartości oczekiwanej i kowariancji gaussowskich, pól losowych. Uwzględnienie warunków brzegowych w postaci utwierdzenia wymaga wprowadzenia pojęcia gradientu pola losowego. Ponadto konieczne jest wyznaczenie wzajemnych kowariancji między składowymi gradientu oraz kowariancji wartości pola losowego i składowych jego gradientu. W pracy podano również warunki zapewniające ciągłość i różniczkowainość pól losowych. Przykłady zamieszczone w rozdziale 4 ilustrują zastosowanie zaproponowanej metody do modelowania imperfekcji geometrycznych prętów i płyt z uwzględnieniem warunków ich podparcia. Rozdział 5 poświęcono omówieniu niezawodności zależnej od. czasu. Na wstępie zostały przedstawione podstawowe sformułowania pojęcia prawdopodobieństwa awarii w przedziale czasu: transformacja do zadania niezależnego od czasu oraz klasyczna teoria niezawodności. Przedstawiono również wykorzystywane współcześnie w analizie niezawodności konstrukcji pojęcie prawdopodobieństwa pierwszego przekroczenia powierzchni awarii przez proces losowy modelujący losowe i zależne od czasu parametry projektowe. W dalszej części rozdziału 5 omówiono: kluczowe w przypadku prawdopodobieństwa pierwszego przekroczenia, zagadnienie częstości wyjść procesu losowego do obszaru awarii. Przedstawiono formułę Rice'a dotyczącą procesów ciągłych oraz omówiono metody wyznaczania częstości przekroczeń procesów odnowy o prostokątnych impulsach. Rozdział kończy elementarne zadanie analizy niezawodności zależnej od czasu. Rozdział 6 dotyczy analizy niezawodności systemów. Przedstawiono definicje pojęć takich, jak element oraz system awarii, a w przykładzie wykorzystano je do określenia globalnej awarii kratownicy statycznie niewyznaczalnęj. Omówiono również metody wyznaczania przybliżeń i ograniczeń prawdopodobieństwa awarii systemów. Rozdział 7 poświęcono zastosowaniu metody wzajemnej entropii do wyznaczenia, prawdopodobieństwa awarii konstrukcji. Omówione zostały podstawy teoretyczne tej metody, jak również szczegółowo przedstawiono algorytm numeryczny. Wykorzystano przy tym notację stosowaną w analizie niezawodności konstrukcji. Efektywność prezentowanej metody zbadano na podstawie przykładów testowych odzwierciedlających problemy charakterystyczne w przypadku analizy niezawodności: dużą liczbę zmiennych losowych, małe prawdopodobieństwo awarii, silną nieliniowość powierzchni granicznej, zaszumienie funkcji granicznej, nieróżniczkowalność powierzchni granicznej, złożony kształt systemowych obszarów awarii. Podane wyniki zawierają średnią liczbę symulacji koniecznych do oszacowania prawdopodobieństwa awarii ze współczynnikiem zmienności na poziomie 10%. Na ich podstawie można, więc zidentyfikować zagadnienia, w których metoda wzajemnej entropii jest efektywna. W przykładach omówiono również zagadnienie doboru parametrów algorytmu, zapewniających jego efektywne działanie. Rozdział 8 zawiera podstawy metod Markov chain Monte Carlo oraz prezentuje ich zastosowanie w analizie niezawodności konstrukcji. Rozdział rozpoczyna się od omówienia wybrany cli własności łańcuchów Markowa. Dalej opisywany jest algorytm Metropolis-Hastings będący podstawowym algorytmem typu Markov chain Monte Carlo. Poruszane są następujące zagadnienia związane z jego implementacją: klasyfikacja odmian algorytmu, efektywność oszacowania, oraz dostosowanie do rozwiązywanego zadania. Część rozdziału poświęcono metodom wyznaczania stałych, normalizujących gęstość rozkładu prawdopodobieństwa. Zagadnienie to jest kluczowe w przypadku zaproponowanego sposobu oszacowania prawdopodobieństwa awarii na podstawie próby losowej z optymalnego rozkładu importance sampling otrzymanej za pomocą Markoy chain Monte Cario. W rozdziale 8 omówiono również inne zagadnienia, które są istotne w przypadku proponowanego podejścia: rozszerzenie poza obszar awarii rozkładu prawdopodobieństwa, z jakiego generowana jest próba losowa, ocena błędu oszacowania za pomocą metody bootstrap oraz dobór parametrów tzw. rozkładu pomocniczego. Zamieszczone przykłady numeryczne prezentują efektywność opracowanej metody w przypadku testowych zadań analizy niezawodności. Rozdział 9 stanowi przykład analizy niezawodności ściskanej półki blachownicy z im-perfekcjami geometrycznymi. Zadanie to przedstawia praktyczne zastosowanie omówionych we wcześniejszej części pracy metod modelowania imperfekcji geometrycznych oraz algorytmów analizy niezawodności. Rozdział 10 zawiera wnioski, spostrzeżenia i omówienie możliwości kontynuacji badań.

6

Application of adaptive simulation methods in reliability analysis

Kolanek K., Jedno S.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2007

|

R. 53, nr 8

29-32

EN

The cross-entropy method is a new approach to estimate rare event probabilities by Monte Carlo simulation. Application of this method for structural reliability analysis is presented. The efficiency of the approach is tested on some benchmark problems typical for reliability analysis.

PL

Metoda wzajemnej entropii (ang. cross-entropy) jest nową modyfikacją metod Monte Carlo służącą do oszacowania prawdopodobieństwa rzadkich zdarzeń. W pracy przedstawiono zastosowanie tej metody do rozwiązania zagadnienia analizy niezawodności. Jej efektywność jest oceniona na przykładach charakteryzujących się trudnościami typowymi w analizie niezawodności.

7

Evaluation of adaptive Monte Carlo methods for reliability analysis

Jendo S., Kolanek K.

Journal of KONBiN

|

2006

|

No. 2

219--228

EN

The cross-entropy method is a new approach to estimate rare event probabilities by Monte Carlo simulation. Application of this method for structural reliability analysis is presented. The efficiency of the approach is tested on some benchmark problems typical for reliability analysis.

8

Zastosowanie interferomerii światłowodowej w ocenie właściwości metrologicznych czujników bliskiego pola mikroskopu sił atomowych

Mulak P., Gotszalk T., Kolanek K., Woszczyna M., Masalska A., Zawierucha P., Wielgoszewski G., Zielony M., Sankowska A., Szeloch R., Janus P., Grabiec P.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2006

|

Vol. 47, nr 5

57-59

PL

Podstawowym problemem metrologicznym mikroskopii sił atomowych jest pomiar oddziaływań dynamicznych występujących między mikroostrzem a powierzchnią. W praktyce laboratoryjnej stosowane są zwykle układy natężeniowych detektorów laserowych, które umożliwiają jedynie detekcję (rozumianą w sensie jakościowej oceny ugięcia dźwigni). W laboratorium mikroskopii bliskich oddziaływań, nanostruktur i nanomiernictwa Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki opracowaliśmy światłowodowy interferometr pracujący w konfiguracji Fabry-Perota, za pomocą którego jesteśmy w stanie przeprowadzić pomiary właściwości metrologicznych układów piezoelektrycznych stosowanych w mikroskopii bliskich oddziaływań oraz dokonać skalowania czujników bliskiego pola ze zintegrowanymi detektorami wychylenia końcówki. Przedmiotem naszych prac była analiza właściwości piezoelektrycznych rezonatorów kwarcowych i elektrostatycznych aktuatorów wychylenia. Prezentowane przez nas metody i techniki pomiarowe pozwalają na pomiar ugięcia (wychylenia) dźwigni kamertonu piezoelektrycznego z rozdzielczością 0,1 nm w paśmie 1 kHz w zakresie częstotliwości do 100 kHz.

EN

One of the fundamental metrological issues in scanning probe microscopy is the measurement of nearfield interactions between the microprobe and the surface. In most experiments the detection of the cantilever deflection is performed using so called Position Sensitive Detectors. In this setup the measurements of forces acting at the microtip require additional tedious and very time consuming calibration. Therefore in the laboratory of scanning probe microscopy, nanostructure and nanometrology at the Faculty of Microsystem Electronics and Photonics of the Wroclaw University of Technology we developed fiber optical Fabry-Perot inteferometer which can be used to determine the metrological parameters of the nearfield sensors. In this work we will present the results of piezoelectrical tuning fork measurements, which enable deflection detection of the tuning fork prongs with the resolution of 0,1 nm in the bandwidth of 1 kHz in the frequency range up to 100 kHz. We will also report in the calibration of the microsystem electrostatic deflection actuator, which can be used to maintain the distance between the microprobe and sample.

9

Wytwarzanie przyrządów elektroniki kwantowej metodami mikroskopii bliskich oddziaływań

Kolanek K., Gotszalk T., Woszczyna M., Masalska A., Zawierucha P., Mulak P., Szeloch R., Zielony M., Janus P., Grabiec P.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2006

|

Vol. 47, nr 5

27-29

PL

Ciągły rozwój technologii półprzewodnikowej powoduje wzrost skali integracji, szybkości działania układów elektronicznych oraz zmniejszenie pobieranej przez nie mocy. Obecny stan technologii opiera się głównie na technice fotolitografii i osiąga kres swoich możliwości zmniejszania charakterystycznych wymiarów przyrządów półprzewodnikowych. Przewiduje się, że fotolitografia nie zapewni tworzenia przyrządów półprzewodnikowych o rozmiarach charakterystycznych mniejszych od 30 nm. Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do lokalnej anodyzacji powierzchni otwiera nowe perspektywy wykonywania wzorów o wymiarach mniejszych od 30 nm. Zaletą tej techniki jest możliwość zarówno wytwarzania, jak i jednoczesnej diagnostyki wygenerowanych wzorów. Przedstawiono wyniki eksperymentów prowadzonych w laboratorium mikroskopii bliskich oddziaływań, nanostruktur i nanomiernictwa WEMiF z Politechniki Wrocławskiej.

EN

Rapid progress in semiconductor technology leads to greater scale of integration, improved speed and a reduced amount of the needed power of the electronic devices. At the present time mainly photolithography tools are used for developing electronic devices. Now the tools are working on the edge of the performance. Scanning probe microscopy is one of the methods which may be applied not only to surface visualization but also to modification. In this paper we describe local anodization process, which may be applied to create patterns on semiconductor and metallic surfaces. Control software of the atomic force microscope transfers designed patterns on the surface. We will present our research conducted in Laboratory of scanning probe microscopy, nanostructures and nanometrology in the Faculty of Microsystems Electronics and Photonics at Wroclaw University of Technology.

10

Scanning probe microscopy as a metrology method in micro- and nanostructure investigations

Gotszlak T., Marendziak A., Kolanek K., Szeloch R., Grabiec P., Zaborowski M., Janus P., Rangelow I.W.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2006

|

Vol. 54, nr 1

19-23

EN

Evolution of many high technologies such as microelectronics, microsystem technology and nanotechnology involves design, application and testing of technical structures, whose size is being decreased continuously. Scanning probe microscopes (SPM) are therefore increasingly used as diagnostic and measurement instruments. Consequently the demand for standardized calibration routines for this kind of equipment rises. Up to now, there bas been no in generally accepted guideline on how to perform SPM calibration procedure. In this article we discuss calibration scheme and focus on several critical aspects of SPM characterization e.g. the determination of the static and dynamic physical properties of the cantilever, the influence factors which need to be considered when plotting a scheme for the calibration of the force and displacement sensitivity.

11

Wejściowe układy elektroniczne współpracujące z mikrosystemowymi piezoelektrycznymi czujnikami nanosił i nanowychyleń

Woszczyna M., Masalska A., Kolanek K., Gotszalk T., Szeloch R.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2005

|

Vol. 46, nr 11

50-52

PL

Podstawowym problemem towarzyszącym detekcji sił atomowych w mikroskopii bliskich oddziaływań jest pomiar wielkości elektrycznych proporcjonalnych do nanosiły lub nanowychyleń. Sygnał sondy, odpowiadający bliskiemu oddziaływaniu, narażony jest na wiele zakłóceń w torze pomiarowym. Aby zminimalizować ten problem koniecznie należy zastosować układ wstępnego wzmocnienia, którego budowa uzależniona jest od sposobu pomiaru topografii powierzchni. W opracowaniu przedstawiono rozwiązania przedwzmacniaczy współpracujących z systemem mikroskopii sił atomowych, w których rolę sondy siły skupionej na mikroostrzu pełni piezoelektryczny rezonator kwarcowy.

EN

Quartz tuning forks are widely applied in noncontact scanning probe micrcscopy as force sensors. Forces acting at the microtip, which is attached to one of the prong of the tuning fork, are used to describe surface parameters. The amplitude of the osscillation is at thelevelofnanometers, so generated piezoelectric voltage is very low. To obtain correct topography of the sample, it is crucial to detect these electric signal avoiding large voltage noise at the output. Therefore it is neccessary to use electronic input circuits, which preamplify signal produced by the tuning fork. In this article we present several tuning fork based schemes for atomic force microscopy applications. We compare current and voltage preamplifiers to determine which solution gives better results.

12

Nanomiernictwo mikro- i nanostruktur metodami mikroskopii bliskich oddziaływań

Gotszalk T., Radojewski J., Szeloch R., Marendziak A., Kolanek K., Woszczyna M., Masalska A., Grabiec P., Janus P., Rangelow I.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2005

|

Vol. 46, nr 6

6-10

PL

Przedstawiono zastosowanie mikroskopii bliskich oddziaływań (ang. Scanning Probe Microscopy - SPM) w miernictwie właściwości mikro- i nanostruktur. Omówiono uwarunkowania eksperymentalne i podstawowe metody, których celem jest przeprowadzenie ilościowej analizy parametrów badanych układów. Zaprezentowano również wyniki badań prowadzonych w trybie kalibrowanej mikroskopii sił atomowych (ang. Calibrated Atomie Force Microscopy- CD AFM), mikroskopii bliskiego pola optycznego (ang. Scanning Nearfield Optical Microscopy- SNOM) oraz mikroskopii sił atomowych z piezoelektrycznym rezonatorem kwarcowym, pełniącym rolę czujnika siły skupionej na mikroostrzu.

EN

In this article we describe application of Scanning Probe Microscopy in measurements of micro- and nanostructures. We will describe the experimental setup and principles of methods and techniques, which are devoted to quantitative investigations of nanostructures. In our work we will present the results of measurements using Calibrated Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical Microscopy and Scanning Probe Microscopy with piezoelectrical quartz resonator as a detector of forces acting at the microtip.

13

Metody mikroskopii bliskiego pola od mikro- do nanoelektroniki: diagnostyka, wytwarzanie

Gotszalk T., Sikora A., Kolanek K., Szeloch R., Szmidt J., Grabiec P., Rangelow I. W., Mitura S.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2005

|

Vol. 46, nr 11

14-18

PL

Obserwowane obecnie tendencje w rozwoju systemów elektronicznych i tzw. mikrosystemów, które łączą w sobie zarówno funkcje przetwarzania sygnałów elektronicznych, jak i oddziaływań mechanicznych, chemicznych, itp. wyrażają się w znacznym zmniejszeniu tzw. wymiaru charakterystycznego do setek i dziesiątek nanometrów. W opracowaniu przedstawiono przegląd metod bliskiego pola zarówno w zastosowaniach diagnostycznych jak i technologicznych, które pozwalają zaspokoić skrajnie trudne warunki powstałe na drodze do nanoelektroniki, a ogólnie do nanotechnologii. Badania i wytwarzanie tego typu układów wymagają nowatorskiego podejścia, które musi uwzględniać prawa fizyki kwantowej.

EN

In last decades rapid progress in fabrication of integrated circuits and microsystems has been observed. Simultaneously novel problems connectec with measurements of such devices and microelectronical materials were defined. In our work we will describe the application of scanning probe microscopy based methods in measurements of physical properties of microelectronical devices and materials. We will present methdos and techniques, which were developed at the Faculty of Microsystem Electronic; and Photonics of Wroclaw University of Technology. In this experiments we used novel nearfield sensors and measurement electronics to describe quantitavely the surface properties. We will present preliminary results on fabrication of nanostructures, which can be applied as quantum electronical devices like: quantum points and single electron transistors.

14

Diagnostyka materiałów i układów mikro- i nanolektronicznych metodami modularnej mikroskopii bliskich oddziaływań

Gotszalk T., Radojewski J., Szeloch R., Marendziak A., Sikora A., Hasek T., Kolanek K., Grabiec P., Rangelow I.

Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania

|

2004

|

Vol. 45, nr 12

29-33

PL

Przedstawiono możliwości obserwacji właściwości układów i materiałów mikro- i nanometrowych oraz nanoelektronicznych metodami mikroskopii bliskich oddziaływań. Omówiono podstawowe tryby pomiarowe tej metody badawczej, jej możliwości pomiarowe i zasadnicze ograniczenia. Zaprezentowano również rodzinę modularnych mikroskopów bliskich oddziaływań skonstruowanych w Politechnice Wrocławskiej oraz wyniki badań topografii powierzchni, rozkładu napięć elektrycznych i temperatury występujących na powierzchni mikroelektronicznych ukladów mikrometrowych i mikrosystemów.

EN

In this article we describe the application of Scanning Probe Microscopy (SPM) in high resolution diagnostics of microelectronical devices and materials. In this experimental method the interactions between microtip with the tip radius of 10 nm located above the investigated structure surface are monitored. Based on this measurements various mechanical, thermal and electrical surface properties can be resolved within several nanometers. We will present results of thermal and electrical surface characterization using Scanning Thermal Microscopy (SThM) and Electrostatic Force Microscopy (EFM). We will also describe the sensor technology, which was developed in our group and which enables us to observe the surface thermal conductivity, electrical potentials and dopant profiles in micro- and nanostructures.

15

Circular and annular two-phase plates of minimal compliance

Kolanek K., Lewiński T.

Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences

|

2003

|

Vol. 10, No. 2

177-199

EN

The paper deals with optimal design of thin plates. The plate thickness assumes two possible values: h1 and h2 and the plate volume is given. The problem of minimizing the plate compliance needs relaxation. The relaxed formulation was found by Gibiansky and Cherkaev in 1984. In the present paper a finite element approximation of this problem is presented in the framework of rotationally symmetric bending of circular and annular plates. The problem is composed of a nonlinear equilibrium problem coupled with a minimum compliance problem. The aim of the present paper is to analyze the forms of the optimal solutions, in particular, to look into the underlying microstructures. It is proved that in some solutions a ribbed microstructure occurs with ribs non-coinciding with both the radial and circumferential directions. Due to non-uniqueness of the sign of an angle of inclination of ribs the appearance of this microstructure does not contrasts with the radial symmetry of the problem. In the degenerated problem when the smallest thickness h1 vanishes the above interpretation of the inclined ribbed microstructure becomes incorrect; in these regions one can assume that the plate is solid but with a varying thickness. The degenerated case of h1=0 was considered in the papers by Rozvany et al. and Ong et al. but there such a microstructure was not taken into account. One of the aims of the paper is to re-examine these classical and frequently cited results.