Зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа

 

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно - к устройствам, обеспечивающим получение информации о магнитном состоянии поверхности с использованием сканирующей зондовой микроскопии. Сущность: в зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащий кварцевый резонатор с первой иглой, закрепленной на первом плече, введена вторая игла, изготовленная из магнитно-твердого материала в виде постоянного магнита и закрепленная на втором плече, а первая игла изготовлена из магнитно-мягкого материала. Технический результат: улучшение работы кварцевого резонатора, увеличение чувствительности зонда, упрощение процесса изготовления зонда, расширение диапазона измерений. 2 ил.

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим получение информации о магнитном состоянии поверхности с использованием сканирующей зондовой микроскопии.

Известен зонд для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), содержащий кварцевый резонатор с иглой, закрепленной на одном из его плече, причем другое плечо закреплено на держателе [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что в нем невозможно использовать второе плечо для расширения функциональных возможностей.

Известен также зонд для сканирующего зондового микроскопа, содержащий кварцевый резонатор, установленный на держателе с закрепленным на одном из его плечей иглой, выполненной в виде оптического волокна [2].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого устройства заключается в ограниченных функциональных возможностях, связанных с наличием одной иглы для работы в одном режиме СЗМ.

Второй недостаток связан также с использованием одной иглы, закрепленной на одном плече кварцевого резонатора, что приводит к уменьшению добротности (Q) резонатора за счет увеличения энергетических потерь и соответственно к уменьшению чувствительности зонда.

Общий недостаток одноигольчатых конструкций заключается в том, что приклейка игл малых размеров (длиной порядка 1 мм) связана с воздействием на них сил поверхностного натяжения клея, их разориентации и, в конечном итоге, усложнению изготовления зонда.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей использования зонда, повышении чувствительности зонда и упрощении процесса его изготовления.

Это достигается тем, что в зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащий кварцевый резонатор с первой иглой, закрепленной на первом плече, введена вторая игла, изготовленная из магнитно-твердого материала в виде постоянного магнита и закрепленная на втором плече, а первая игла изготовлена из магнитно-мягкого материала.

На фиг.1 изображен зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа.

На фиг.2 изображен вариант установки зонда в СЗМ.

Устройство содержит кварцевый резонатор 1 с первым 2 и вторым 3 плечами, на которых соответственно закреплены первая 4 и вторая 5 иглы. При этом первая игла 4 выполнена из ферромагнитного материала с большой коэрцитивной силой (магнитно-твердого материала), например самарий - кобальта, в виде постоянного магнита, а вторая игла 5, при этом, изготовлена из ферромагнитного материала с малой коэрцитивной силой (магнитно-мягкого материала), например никеля.

Кроме этого, кварцевый резонатор 1 содержит два вывода 6 и 7 и может содержать буртик 8.

Для большего удобства использования, а особенно, в условиях высокого вакуума зонд может быть закреплен на диэлектрическом держателе 9 посредством прижимов 10 и 11 (прижим 11 не показан) с диэлектрическими вкладышами 12. В держателе 9 может быть также установлен пьезокерамический источник колебаний 13 с проводящими обкладками 14 и 15. В СЗМ (подробно не показаны) держатель 9 может быть установлен на основании 16, закреплен посредством пружинных контактов 17, 18 и 19 и соединен с пружинным контактом 20, через который подключен к блоку управления и питания 21.

Детали поз. 10, 11, 9, 13 могут быть соединены посредством клея, припоя и т.п.

Способ изготовления второй иглы описан в [3, 4, 5]. Способ получения первой иглы 4 может содержать: раскол самарий - кобальтового магнита, выбор продолговатого заостренного фрагмента длиной ~ 1 мм и толщиной 0,2-0,4 мм и контроль острия под оптическим микроскопом. Массы игл 4 и 5 должны быть максимально равными. Способ приклейки игл целесообразно осуществлять следующим образом. Наносятся две капли, например, эпоксидной смолы на концы плеч 2 и 3, кладут иглы 4 и 5 соответственно на плечи 2 и 3 остриями наружу, ждут несколько секунд, пока магнитные поля удлиненных объектов более точно сориентируют иглы по одной линии и после этого полимеризуют клей.

Устройство работает следующим образом. Зонд устанавливают на основание 16 в СЗМ (фиг.2) в сторону объекта (не показан) либо иглой 4, либо иглой 5 и проводят измерение напряженности магнитного поля поверхности (см., подробнее, [1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]).

Процедура измерения распределения напряженности магнитного поля по поверхности исследуемого образца подробно описана в работах [9, 10] и основана на измерениях локальных сил взаимодействия между магнитными полями поверхности образца и зонда в процессе сканирования поверхности образца с использованием СЗМ.

Применение двух игл одинаковой массы позволяет улучшить работу кварцевого резонатора, поскольку при симметричности плеч увеличивается добротность (Q) резонатора за счет уменьшения энергетических потерь при осциллировании, вследствие чего увеличивается чувствительность зонда, т.к. эта характеристика пропорциональна Q^1/2.

Использование двух игл, одна из которых выполнена в виде постоянного магнита, расширяет, во-первых, функциональные возможности прибора, а именно диапазон исследуемых материалов благодаря тому, что иглой из постоянного магнита возможно исследовать магнитно-твердые структуры, не опасаясь ее перемагничивания, с невысоким разрешением (порядка 100 нм).

Во-вторых, поскольку иглу из магнитно-мягкого материала гораздо легче изготовить с малым радиусом закругления [4, 5, 6], чем иглу из магнитно-твердого материала, такого как, например самарий - кобальт, получаемого методом порошковой металлургии, то благодаря этому существенно повышается чувствительность зонда. И, в-третьих, зонт из магнитно-твердого материала поддерживает постоянную намагниченность магнитно-мягкой иглы, что в конечном итоге приводит к увеличению чувствительности зонда с магнитно-мягкой иглой.

Следует также заметить, использование двух удлиненных игл позволяет им сориентироваться вдоль одной линии, преодолев силы поверхностного натяжения, стремящиеся их сориентировать произвольно. Это упрощает процесс изготовления зонда.

ЛИТЕРАТУРА 1. Franz J. Giessibl, High - speed force sensor for force microscopy and profilometry utilizing a quartz tuning fork., Applied Physics Letters, Volume 73, 26, 28 December 1998.

2. Патент ЕР 0791802 Al, G 01 B 7/34, 1996 г.

3. Патент Японии 04203903А, G 01 B 7/34, 1990 г.

4. Патент Японии 02066402А, G 01 B 7/34, 1988 г.

5. Патент Японии 04344403, G 01 B 7/34, 1991 г.

6. Franz J. Giessibl, Atomic resolution on Si(lll) - (7х7) by noncontact atomic force microscopy with a force sensor based on a quartz tuning fork., Applied Physics Letters, Volume 76, 11, 13 March 2000.

7. W.H.J. Rensen and N.F. van Hulst, A.G.T. Ruiter and P.E. West, Atomic steps with huning - fork - based noncontact atomic force microscopy., Applied Physics Letters, Volume 75, 11, 13 September 1999.

8. A. Michels, F. Meinen, Т. Murdfield, et. all., 1 MHz quartz length extension resonator as a probe for scanning near - field acoustic microscopy., Thin Solid Films 264, 1995, 172 -175.

9. Philip C.D. Hobbs, David W. Abraham, and H.K. Wickramasinghe, Magnetic force microscopy with 25 nm resolution., Appl. Phys. Lett. 55 (22), 27 November 1989.

10. S. F. Alvarado, S.E. Lambert, et. al., Separation of magnetic and topographic effects in force microscopy., J. Appl. Phys. 67 (12), 15 June 1990.

11. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др. Сенсорные системы т. 12, 1, 1998 г., с.99-121.

12. Сканирующая туннельная и атомно - силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И. Данилов. Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.

Формула изобретения

Зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащий кварцевый резонатор с первой иглой, закрепленной на его первом плече, отличающийся тем, что в него введена вторая игла, изготовленная из магнитно-твердого материала в виде постоянного магнита и закрепленная на втором плече, а первая игла изготовлена из магнитно-мягкого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2