Подложка для реализации метода комплексных действий с материалами, способ ее изготовления, способ изготовления материалов на подложке и устройства для работы с ней
Настоящее изобретение относится к инструментарию для научных и производственно-технологических задач и, в частности, проведению работ по диагностике материалов различной природы, представленных в виде тонких пленок. Техническим результатом заявленного изобретения является создание комплексного метода диагностики материалов (в особенности, тонких пленок), основанного на использовании заявленной универсальной подложки, охватывающего практически весь спектр существующих в мире инструментов. Предлагается конструкция подложки для образцов, способ ее изготовления, прибор на ее основе. Технический результат достигается с помощью подложки для реализации комплексных действий с материалами образцов, которая содержит массивную часть - держатель, предметный столик для фрагментов материалов образцов, и, по крайней мере, одно средство для действия с фрагментами материалов образцов. При этом предметный столик представляет собой тонкую пленку, по крайней мере, часть которой представлена мембраной. Мембрана состоит, по крайней мере, из одного материала подложки, обе поверхности которой свободны. При этом крепление подложки к массивному держателю осуществляется, по крайней мере, вдоль части ее периметра. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 21 ил.
Настоящее изобретение относится к материаловедению, к прецизионному инструментарию для научных и производственно-технологических задач и, в частности, проведению работ по диагностике материалов (далее именуемых «субстанциями») различной природы, представленных в виде тонких пленок. Предлагаемый метод комплексного действия с субстанциями - тонкими пленками - заключается в создании тонкопленочного фрагмента субстанции на держателе специальной конструкции, позволяющей обеспечить возможность приготовления такого фрагмента субстанции и производство дальнейших манипуляций, необходимых как для его исследования, так и использования свойств субстанций для создания различных устройств.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В качестве одного из современных научных инструментов для изучения свойств и структур тонких пленок различного происхождения применяется так называемый микроскоп ближнего оптического поля (МБОП), являясь при этом разновидностью сканирующего зондового прибора (СЗП). Особую роль среди СЗП играет атомно-силовой микроскоп (АСМ).
Биологические объекты, объем исследования которых значительно увеличился после открытия АСМ, ранее изучались в основном с помощью оптических микроскопов (ОМ), в некоторой степени с помощью растровых сканирующих электронных микроскопов (СЭМ), просвечивающих электронных микроскопов (ТЭМ) и, особенно в последнее время, с помощью синхротронного излучения (СИ). Основными же инструментами в большинстве лабораторий остаются все же АФМ и ОМ, а также небольшой парк приборов МБОП.
ОМ дает возможность видеть крупную морфологию и внутреннее строение с разрешением до 500 нм, при использовании режима собственной люминесценции - до 100 нм. АФМ дает разрешение до 3 нм при изучении морфологии. Типичное разрешение МБОП - не более 100 нм, при этом он не совершенен и объем исследований с его применением незначителен. СЭМ имеет ограниченную возможность по разрешению биологических объектов со слабовыраженной морфологией. ТЭМ сложен в использовании (требуется размещение объектов на специальном держателе). Он также является дорогостоящим инструментом как при приобретении, так и при его содержании (в том числе высококлассного специалиста, что недоступно в большинстве университетах и научных центров). Прибор для исследования объектов в СИ вообще мало кому доступен, причем технология подготовки фрагментов субстанции для просмотра несовершенна. Суть ее заключается в том, чтобы получить тончайшую пленку 1 (Фиг.1а), натянутую на кольцо 2 и удерживающуюся на нем при помощи капиллярных сил, путем опускания такого кольца в раствор, содержащий исследуемую субстанцию.
В ОМ обычно используется стеклянная подложка 3 (Фиг.1b) толщиной предметного столика не менее 0,5 мм. При работе с МБОП такая подложка, хотя и является самой лучшей из имеющихся, однако вносит серьезные ограничения по получению картины внутреннего строения субстанции 4, расположенного на ее поверхности, с высоким разрешением. Однако такую подложку сложно использовать в ТЭМ.
Более специализированный подход к реализации комплексного подхода в исследовании субстанций на основе анализа тонких пленок из таких субстанций предлагается в [1]. В этом изобретении в качестве предметного столика используется тонкая пленка 152 (Фиг.2) с возможностью ее углового смещения относительно поддерживающей балки базового слоя 154. Такая подложка, имея дополнительные степени свободы, предоставляет больше возможностей. И в первую очередь - наличие тонкой пленки в качестве предметного столика. Однако ее конструкция не является универсальной, простой в обращении и в производстве и предназначена для решения специальных задач.
Для многих задач необходим, с одной стороны, комплексный, с другой - доступный (простой и дешевый) для широкого круга пользователей метод изучения субстанций, например биологических, полупроводниковых, оксидных и других субстанций. Большой круг работ ведется с белками (в том числе ДНК, вирусов) и др. (далее по тексту «тонкие пленки» или «ТП»), структуру которых необходимо проанализировать в различных условиях и ракурсах. Иными словами, необходимо изучить как морфологию поверхности субстанции, так информацию по ее объемной структуре, причем с высоким разрешением.
ОМ являются доступными для большинства пользователей. Это настольный прибор каждого исследователя. Комбинированным микроскопом ОМ+АФМ обладают небольшое количество пользователей в большей степени для удобства работы с АФМ. Совмещение МБОП с ОМ+АФМ осуществлено в настоящее время только несколькими специалистами-разработчиками новых методик. Один из таких микроскопов предлагает фирма AsylumResearch [2]. Однако такой прибор не является пока широко применяемым инструментом. Такой прибор хотя и дает разностороннее исследование субстанции, сам по себе он не достаточен. Ведь чтобы увидеть в объеме ту же субстанцию, что уже рассмотрена с хорошим разрешением в таком приборе, надо иметь возможность воспроизвести ее на держателях для ТЭМ и СИ. А это непростая задача, к тому же не может являться фактом то, что полученный на держателях для ТЭМ и СИ объект совпадает с первоначально рассмотренной субстанцией.
Предлагаемый настоящим изобретением метод комплексного исследования субстанций при помощи тонких пленок таких субстанций на специальных универсальных подложках (УП) и соответствующих устройствах позволит большинству исследователей различных областей перевести исследования из разряда «уникальных» в разряд «рутинных». Это обеспечит качественный (через количественное увеличение числа публикаций) скачок в исследованиях биологов и специалистов, работающих в различных областях нанотехнологий. Комплексный метод диагностики субстанций (в особенности тонких пленок), основанный на использовании УП, предлагаемый настоящим изобретением, охватывает практически весь спектр существующих в мире инструментов. Он позволяет эффективно запустить механизм коллективного пользования мирового парка научных инструментов (МКП) вне зависимости от национальной и пространственной принадлежности, с одной стороны, объекта и, с другой стороны, инструмента исследования.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает конструкцию универсальной подложки для реализации комплексных действий с субстанциями, которая может содержать массивную часть - держатель, предметный столик для субстанций, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями, причем предметный столик может представлять собой тонкую пленку, по крайней мере, часть которой может быть представлена мембраной, которая, в свою очередь, может состоять, по крайней мере, из одной субстанции, обе поверхности которой могут быть свободны, при этом крепление мембраны к массивному держателю может осуществляться, по крайней мере, вдоль части ее периметра. Тонкая пленка в предлагаемой подложке может быть выполнена из двух или более субстанций, каждая из которых может отличаться от другой структурой и/или химическим составом. Указанная подложка может содержать, по крайней мере, одно средство для формирования, по крайней мере, одной субстанции, которое может быть затем удалено на любом этапе, и/или, по крайней мере, одно средство для поддержания состояния субстанции в исходном состоянии, причем средство для формирования, по крайней мере, одной субстанции может содержать, по крайней мере, один рельефный элемент, который может быть сформирован на тонкой пленке. По крайней мере, одно средство для поддержания состояния, по крайней мере, одной субстанции в исходном состоянии может представлять собой, по крайней мере, одну тонкую пленку другой субстанции и/или фрагмента другой субстанции. Подложка может содержать, по крайней мере, одно средство для размещения, и/или, по крайней мере, одно средство для позиционирования, и/или, по крайней мере, одно средство для фиксации в держателе устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями, причем одно из перечисленных средств может быть совмещенным с другим. Подложка может иметь, по крайней мере, одно средство для позиционирования средств устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями. А также она может содержать, по крайней мере, один электрод, и/или, по крайней мере, одно аналитическое средство, и/или, по крайней мере, одно преобразующее средство. Для целей практического и удобного пользования рассматриваемой подложки она может содержать, по крайней мере, одно средство, обеспечивающее возможность ее размещения в/на транспортном контейнере и/или в держателе устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями, причем транспортный контейнер и/или держатель устройства могут содержать, по крайней мере, одно средство для поддержания состояния субстанции в исходном состоянии. Также предлагаемая подложка может иметь конструкцию, позволяющую осуществить действия с субстанциями, по крайней мере, на двух пространственно разнесенных устройствах, каждое из которых содержит, по крайней мере, одно средство для такого действия и позволяет достичь разрешения, достаточного для осуществления действия с объектом, имеющим размеры, по крайней мере, не более 100 нм. По крайней мере, одна сформированная ранее на рассматриваемой подложке субстанция используется для реализации комплексных действий, по крайней мере, еще с одной такой же субстанцией и/или, по крайней мере, еще с одной другой субстанцией. Наконец на лицевой и/или обратной стороне мембраны подложки может иметься покрытие, которое обеспечивает частичное или полное отражение какого-либо излучения и/или является проводящим.
Согласно настоящему изобретению предлагается устройство, содержащее, по крайней мере, одно средство для действия с подложкой, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями, причем оно может содержать держатель, позволяющий работать с подложкой, имеющей конструктивные особенности, описанные выше.
Также настоящее изобретение предлагает способ изготовления подложки, состоящий в изготовлении массивного держателя, в изготовлении предметного столика, причем предметный столик может быть изготовлен в виде тонкой пленки, по крайней мере, часть которой представлена мембраной, обе поверхности которой свободны, а крепление к массивному держателю которой формируется, по крайней мере, вдоль части ее периметра. При этом для изготовления подложки может использоваться уже готовая композитная пластина, содержащая, по крайней мере, два слоя, причем, по крайней мере, один из них массивный слой. Описываемый способ также предполагает, что, по крайней мере, один этап формирования предметного столика и/или его удаление может осуществляться после размещения каких-либо субстанций, по крайней мере, на части предметного столика.
Для более совершенной разработки метода комплексных действий с субстанциями настоящим изобретением предлагается способ изготовления субстанции, по крайней мере, часть которой может содержать кристаллическую структуру, причем может быть использовано, по крайней мере, одно средство для контролируемого использования силы гравитационного тяготения и/или использовано, по крайней мере, одно контролируемое средство для реализации аналога сил гравитационного тяготения в качестве средств для направленного формирования, по крайней мере, одной субстанции.
Наконец, настоящее изобретение предлагает устройство, содержащее, по крайней мере, одно средство для действия с подложкой, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями, причем оно может содержать, по крайней мере, одно средство, обеспечивающее направленное кристаллографическое формирование, по крайней мере, одной субстанции в виде тонкой пленки. В таком устройстве может иметься, по крайней мере, одно средство для контролируемого использования силы гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одной субстанции. Или же иметься, по крайней мере, одно контролируемое средство для реализации аналога сил гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одной субстанции. Во всех перечисленных здесь вариантах устройства может содержаться, по крайней мере, одно средство, позволяющее осуществить действие с подложкой, имеющей вышеописанную конструкцию, причем рассматриваемое устройство может содержать, по крайней мере, одно средство для действия, по крайней мере, с одной подложкой, причем подложка может содержать, по крайней мере, один электрод, и/или, по крайней мере, одно аналитическое средство, и/или, по крайней мере, одно преобразующее средство.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фиг.1а, b - предшествующий уровень техники. 1 - пленка исследуемой субстанции, выполненная в виде мембраны, натянутой на кольцо из проволоки, 2 - кольцо из проволоки, 3 - стеклянная подложка, 4 - тонкая пленка исследуемой субстанции.
Фиг.2 - предшествующий уровень техники: поперечное сечение подложки, предложенной авторами [1]. 152 - подложка из тонкой пленки, 154 - поддерживающая балка базового слоя.
Фиг.3а, b-15а, b - два стереометрических вида УП согласно настоящему изобретению: а - фронтальный вид, b - вид сбоку. 1 - массивная часть (держатель) УП, 2 - тонкая пленка предметного столика, выполненная в виде мембраны, 2' - тонкая пленка предметного столика на поверхности массивной части (держателя) УП, 3 и 7 - кронштейны жесткости, 4 - ячейка-резервуар для размещения первичной субстанции, 5 - канавка, соединяющая ячейку с предметным столиком, 6 - дополнительный слой массивной части (держателя) УП, 8 и 9 - канавки, сформированные в слоях 1 и 6 для реализации возможного отделения одной части держателя от другой части с предметным столиком, 10 - соединительная часть двух частей держателя.
Фиг.16 - стереометрический вид УП, размещенной на держателе устройства с изменяющимся углом α. 2 - тонкая пленка предметного столика, выполненная в виде мембраны, 4 - ячейка-резервуар для размещения первичной субстанции, 5' - канавка, соединяющая ячейку с предметным столиком, 11 - держатель устройства.
Фиг.17 - стереометрический вид УП, размещенной на держателе устройства, вращающемся с угловой скоростью ω. 2 - тонкая пленка предметного столика, выполненная в виде мембраны, 4 - ячейка-резервуар для размещения первичной субстанции, 5 - канавка, соединяющая ячейку с предметным столиком, 11 - держатель устройства.
Фиг.18 - стереометрический вид УП на разных этапах пользовательских действий с ней. I - собственно УП, II - формирование (изготовление) тонкопленочной субстанции, III - наблюдение субстанций в оптическом микроскопе, IV - исследование субстанции с помощью устройства зондовой микроскопии, V - исследование субстанции с помощью электронного микроскопа (сканирующего и/или просвечивающего), VI - исследование субстанции с помощью устройства, использующего какое-либо излучение волновой природы, VII - исследование субстанции с помощью какого-либо иного устройства.
Фиг.19 и 20 - поперечный срез мембраны с расположенной на ней субстанцией. 12 - отражающее покрытие, 13 - используемое для исследования излучение, 14 - субстанция, 15 - излучение, отраженное от субстанции, 16 - излучение, отраженное от лицевой поверхности мембраны, 17 - излучение, отраженное от обратной поверхности мембраны, 18 - интерференционная картина.
Фиг.21а-е - варианты способов изготовления УП.
ПРИМЕРЫ
Настоящим изобретением предлагается конструкция УП для реализации комплексных действий с субстанциями (здесь и далее: фрагментами, частями или образцами материалов, размещаемых на подложке). Такие действия состоят, в частности, в создании (формировании) субстанций в виде тонкой пленки, в воздействии на них каким-либо из известных физических способов, анализе последствий таких воздействий, манипулировании субстанциями или какой-либо из их частей, наблюдении и исследовании их свойств и структуры субстанций, а также использовании уже созданных на такой УП субстанций для реализации аналогичных комплексных действий уже с другими субстанциями.
Одна из главных задач, решение которой возможно благодаря использованию предлагаемой конструкции УП, является реализация метода комплексного исследования субстанций, заключающегося в предоставлении исследователю комплекса возможностей по формированию фрагмента субстанции интересующей его субстанции на УП и исследованию с помощью средств, предоставляемых такой УП. Исследователь сможет получить максимальную информацию об объектах своих исследований. Это станет возможным благодаря тому, что предлагаемая настоящим изобретением конструкция УП позволит исследовать конкретный фрагмент субстанции практически на любом приборе.
Другой задачей, для решения которой удобно использовать предлагаемую в настоящем изобретении конструкцию, является использование УП как средства для создания и как носителя субстанции для последующего его размещения или использования в каком-либо устройстве в качестве активного или пассивного элемента. Так УП может представлять собой предметный столик с субстанцией, являющейся активным элементом (например, преобразователем одной энергии в другую), и электродами, который является встраиваемым элементом электронной схемы. Например, в качестве активной субстанции, расположенной на поверхности предметного столика такой УП, может быть использован биологический кристалл родопсин (преобразующий энергию фотонов в электрический сигнал). Благодаря системе электродов УП преобразованный сигнал может быть зарегистрирован и обработан аналитической аппаратурой устройства. При этом соответствующая нормальному состоянию белка среда (твердотельная, жидкая или газовая) может быть реализована как в самой УП, так и устройстве, в которое такая УП встраивается. В частности, это имеется в виду, когда в настоящем изобретении используется следующая терминология: средство для поддержания состояния субстанции в исходном состоянии. Наконец, сама УП может представлять собой носитель, на котором размещены микросхемы (аналитическое средство) или какие-либо преобразовательные элементы (средства). То есть ранее сформированный носитель, например плата с аналитическими микрочипами, развитыми шинами (электродами) для передачи данных, релейными устройствами и др. элементами, согласно терминологии настоящего изобретения, с одной стороны, может рассматриваться как УП для реализации комплексных действий с субстанциями, с другой, как уже готовый блок или самостоятельное устройство для реализации сложных функций внешнему потребителю. Это, в частности, имеется в виду, когда в настоящем изобретении говорится, что УП может содержать, по крайней мере, один электрод, и/или, по крайней мере, одно аналитическое средство, и/или, по крайней мере, одно преобразующее средство.
В терминологии настоящего изобретения «предметный столик» - это плоская поверхность, на которой может быть расположена субстанция. Предметный столик согласно настоящему изобретению представляет собой (выполнен в виде) тонкую пленку, по крайней мере, часть которой представлена (выполнена) мембраной. Обе поверхности мембраны. Если субстанция расположена с одной стороны, то мы будем называть лицевой - со стороны субстанции и обратной - обратную сторону мембраны от субстанции. Любая доступная поверхность предметного столика может служить поверхностью для размещения субстанции. В том числе и обе стороны одновременно.
Мембрана имеет контакт (крепится) с массивной частью УП - ее держателя, по крайней мере, частью своего периметра. Согласно настоящему изобретению мембрана - это продолжение тонкой пленки предметного столика, свободно висячее в пространстве. Толщина тонкой пленки может составлять величину от единиц нанометров и до толщины предметных столиков, классически применяемых при исследовании субстанции.
В терминологии настоящего изобретения под «пространственно разнесенными устройствами» следует понимать такие устройства, совокупность основных элементных которых не является общей. Такими основными элементами являются: предметный столик, на котором размещаются субстанции или УП с такими субстанциями, система обеспечения условий наблюдения (вакуумно-шлюзовая система, освещение) и др.
Пример 1
Согласно настоящему изобретению самой простой и потому доступной конструкцией УП будет являться конструкция (Фиг.3а, b), в которой массивная часть 1 реализована таким полупроводниковым материалом, как кремний, а предметный столик выполнен в виде мембраны 2 из окисла кремния. Для сохранения прочностных характеристик мембраны при работе (в случае достаточно протяженной мембраны) в конструкции предусмотрена возможность реализовать кронштейн(ы) жесткости 3.
Благодаря возможности использования известного материала Si в конструкции можно легко реализовать дополнительные технологические элементы для дальнейшего их применения. В частности, в теле массивного держателя можно разместить, по крайней мере, средство для формирования субстанции, в частности, органического происхождения, но не только. На фигуре 4а, b изображена ячейка-резервуар 4, в которой можно разместить раствор субстанции для изучения, а через канавку 5 такой раствор может быть равномерно распределен по поверхности мембраны 2.
Согласно настоящему изобретению УП может иметь предметный столик, представленный мембраной 2, крепящейся к массивной части 1 по всему периметру (Фиг.5а, b). Более общий случай предполагает вариант, в котором предметный столик выполнен в виде тонкой пленки, часть которой представлена свободно висящей мембраной 2, а другая часть представлена тонкой пленкой 2', размещенной на массивном держателе (Фиг.6а, b).
Другим вариантом реализации предложенной универсальной конструкции являются конструкции, изображенные на фигурах 7а, b и 8а, b. Здесь в качестве материала, формирующего массивную часть, применена стеклянная пластина 1, а в качестве мембраны - слой нитрида кремния. Этот материал является более прочным по сравнению с окислом кремния. Тем не менее здесь также предусмотрена реализация кронштейна жесткости 3.
Пример 2
Как уже указывалось выше, УП может содержать элементы, необходимые для формирования субстанции. Чтобы, с одной стороны, обеспечить удобство при создании исследуемой субстанции на мембране 2 (Фиг.9а, b), и, с другой стороны, удобство при работе на исследовательских приборах или исполнительных устройствах, согласно данному изобретению после формирования указанной субстанции на мембране 2 пользователь (исследователь) такой УП может удалить ставший уже ненужным элемент массивной части с ячейкой 4 и находящимся в ней раствором. Для реализации такого варианта настоящим изобретением предлагается конструкция, включающая дополнительный массивный слой 6 с кронштейнами жесткости 7 или без них. При помощи специальных предназначенных для этих целей канавок 8 и 9, сформированных в массивных слоях 1 и 6 при создании УП, легко можно отколоть элемент массивного держателя, сформированного слоями 1 и 6. В результате формирования субстанции для осуществления с ним комплексных действий пользователь получает конструкцию УП, изображенной на фигурах 10а, b.
Мембрана предметного столика может быть также выполнена, например, из сапфира, алмаза, алмазоподобного материала, а также из любого иного материала, который удовлетворяет условиям, необходимым для проведения исследований, а именно быть достаточно тонким (одного порядка с субстанцией или тоньше ее), оптически прозрачным, иметь ровную поверхность, быть химически инертным и др. Таким материалом может быть как неорганическое, так и органическое соединение как аморфное, так и кристаллическое. Для реализации указанных вариантов конструкции УП настоящим изобретением предлагается вариант конструкции, в котором в качестве слоев 1 и 6 (Фиг.11a, b) массивного держателя УП используются различные материалы, обеспечивающие получение искомой тонкой пленки и мембраны при изготовлении предметного столика. После формирования субстанции для осуществления с ней комплексных действий пользователь получает конструкцию такой УП в виде, изображенном на фигурах 12а, b.
Более прочный вариант описанных конструкций изображен на фигурах 13а, b, 14а, b, и 15а, b.
При выборе в качестве материала мембраны ведущую роль может также сыграть адаптивность формируемой субстанции к материалу УП (предметного столика). Например, для исследования структур и свойств тонких слоев типа GaN или GaInN наиболее подходящим материалом для изготовления мембраны предметного столика следует выбрать сапфир, а еще лучше - карбид кремния. В таком случае возможно эпитаксиальное «наращивание» на указанных материалах тонких слоев GaN и GaInN по отдельности или друг за другом.
Как указывалось выше, в качестве одного из средств направленного формирования субстанции в виде тонкой пленки предлагается использовать канавку 5, благодаря которой из первичной («зародышевой») субстанции, размещенной в ячейке 4, будет формироваться искомая субстанция. Такая субстанция может быть равномерно распределена (механически) по поверхности мембраны 2.
Для этих целей можно применить устройство, позволяющее расположить его держатель 11 (Фиг.16) с УП под углом α к горизонту, причем так, чтобы в одном случае ячейка 4 с первичной субстанцией размещалась выше, чем предметный столик с мембраной 2, в другом - наоборот. Первый указанный случай соответствует положительному углу α, второй - отрицательному α. В случае положительного α на первичную субстанцию, размещенную в ячейке, будет действовать сила гравитационного тяготения, действие которой приведет к равномерному растеканию указанной субстанции через канавку 5 по предметному столику 2. Изменяя угол α, мы, таким образом, можем изменять проекцию силы гравитационного тяготения на направление формирования субстанции: увеличивая результирующую силу, действующую на субстанцию, или уменьшая ее. Это является примером использования силы гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одной субстанции.
Возможно также более сложное размещение УП на держателе устройства: плоскость предметного столика УП сначала наклоняется под углом к горизонту относительно одной оси - прямой, являющейся пересечением плоскости держателя с плоскостью горизонта, затем вся система наклоняется под углом к горизонту относительно любой иной оси. Таким образом, устройство может содержать более одного средства для контролируемого использования силы гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одной субстанции.
Также для этих целей можно применить устройство, позволяющее вращать держатель 11 (Фиг.17) с УП для создания «центробежных сил», при этом ячейка с первичной субстанцией может находиться как ближе к центру вращения, чем предметный столик с мембраной, так и дальше. Такое устройство благодаря явлению инерции обеспечивает создание аналога сил гравитационного тяготения. В описанном выше случае вариация величины проекции сил гравитации на направление формирования субстанции (и, соответственно, величины силы, воздействующей на субстанцию) ограничена диапазоном значений угла α (минимум 0°, максимум 90°). В случае с использованием вращения величина «инерционной силы», воздействующей на субстанцию, зависит от диапазона угловой скорости ω (скорости вращения) держателя устройства. «Инерционная сила» - это фактически часть центростремительной силы (взятая с обратным знаком), которой не хватает для компенсации смещения субстанции относительно УП, имеющего место из-за явления инерции. В результате чего частицы субстанции стремятся удалиться от центра вращения, фактически удаляются от ячейки с первичной субстанцией, растекаясь механическим образом по предметному столику. Регулируя скорость вращения, мы изменяем величину этой некомпенсированной части (величину «инерционной силы»). Для объекта, которым является первичная субстанция, проекция силы гравитационного тяготения на направление формирования субстанции (рассмотренная выше) и описанная здесь некомпенсированная часть центростремительной силы, взятой с обратным знаком, идентичны. Иными словами, для такого объекта нет разницы между ними: находясь на УП, он «не понимает», какая из указанных «сил на него действует». Именно эта схожесть между силами тяготения и следствием явления инерции была использована при создании теории относительности. Именно эта схожесть позволила нам ввести термин «аналог сил гравитационного тяготения» в терминологию настоящего изобретения. Приведенный случай является примером использования аналога сил гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одной субстанции.
Согласно настоящему изобретению одно из средств для формирования субстанции может быть представлено специальным рельефом (рельефным элементом), например в форме ступеньки, обеспечивающей благоприятные условия для кристаллографического роста субстанции в нужном направлении. Для кристаллографического способа создания субстанции и положительный, и отрицательный угол α держателя устройства относительно горизонта (Фиг.16) может быть использован для изменения условий роста. Равно как прямое и обратное взаимное расположение ячейки 4 и предметного столика 2 (Фиг.17) относительно центра вращения держателя устройства будет оказывать влияние на условия создания субстанции при использовании кристаллографического способа.
Сочетание указанных средств для направленного формирования субстанции позволит обеспечить его создание в виде однородной тонкой пленки, размещенной на поверхности предметного столика. В идеальном случае это будет монокристаллическая пленка, в промежуточном - поликристаллическая пленка, или, по крайней мере, пленка с вкраплениями отдельных кристаллов (кристаллических кластеров).
Настоящее изобретение предлагает и более сложную форму реализации сочетания средств для направленного формирования субстанции. Например, одновременно осуществляется еще, по крайней мере, одно вращение держателя устройства относительно оси, не совпадающей с осью первого вращения. Таким образом, устройство может содержать одно, два и более контролируемых средств для реализации аналога сил гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одной субстанции.
Субстанции в виде тонких пленок могут наноситься на предметный столик УП любым известным способом. Например, с помощью технологии Ленгмюра-Блоджетта [2-4]. Здесь получаются одиночные слои и многослойные структуры.
Также для формирования субстанций могут быть использованы любые известные технологии, например осаждение с использованием испарения субстанции источника электронным пучком, термическим испарением, высокочастотным распылением, осаждением из газовой фазы, эпитаксией атомных слоев и др.
Пример 3
С лицевой или обратной стороны мембрана 2 может иметь отражающее покрытие 12 (Фиг.19 и Фиг.20). Длина волны используемого для исследования излучения 13 может быть подобрана таким образом, что отраженные от субстанции 14 лучи 15 от лицевой 16 и/или от обратной стороны мембраны 17 в итоге дадут интерференционную картину 18. Широкий спектр излучения предоставляет синхротронное излучение (СИ). Благодаря СИ можно получить широкий диапазон длины волн: от радиочастотных воли до волн жесткого рентгеновского излучения. Если сопоставить интерференционные картины 18, получаемые в результате процессов, изображенных на фигурах 19 и 20, то, анализируя их, можно получить более информативный результат (вычленяя или добавляя те или иные элементы интерференционных картин). Дополнительно к сказанному можно использовать предложенную методику анализа структуры субстанции, «развернув» ее во времени. Это также позволит использовать указанный метод для анализа каких-либо процессов, происходящих с субстанцией in situ. Таким образом, настоящее изобретение предлагает вариант устройства, позволяющий провести анализ интерференционной картины, получаемой с помощью УП, основанный на указанной методике. Иными словами, мы рассмотрели частный случай устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с УП, содержащее, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями, причем такое устройство содержит держатель, позволяющий работать с УП, имеющей конструкцию согласно описанию, данному в настоящем изобретении.
Пример 4
Настоящее изобретение предлагает различные способы изготовления УП. Ниже приведены описания принципиальных этапов формирования УП, реализация каждого из которых может состоять из нескольких стандартных и хорошо известных литографических и механических (например, скрабирование, то есть резка при формировании, в частности, боковых поверхностей УП) процедур. Нижеописанные этапы демонстрируют принципиальные шаги при изготовлении одиночной УП. Согласно настоящему изобретению следует считать, что изготовление множества УП на одной пластине (например, кремния) осуществляется аналогичным образом посредством литографической мультипликации и создания матрицы из УП. Возможность отделения от материнской пластины каждой УП осуществляется путем формирования специальных канавок и полостей с помощью литографии и/или механической резки. Затем с помощью механического излома, который сможет сделать сам пользователь УП, осуществляется отделение готовой УП от материнской пластины. Приведенные ниже примеры позволяют сформировать тонкий слой предметного столика (в частности, мембраны) сколь угодно тонким: начиная с единиц нанометров и до сотен или тысяч нанометров.
Этапы одного из таких способов приведены на фигуре 21а. Здесь на поверхности пластины (например, кремния Si - этап I) формируется тонкая пленка будущего предметного столика (например, путем окисления образуется окисел кремния SiO2 - этап II). Затем часть указанной пластины удаляется с образованием мембраны (из окисла кремния - этап III). Оставшаяся массивная часть пластины служит держателем УП. Причем на этапе формирования мембраны одновременно с ней может быть создано, по крайней мере, одно средство для использования его в будущем формировании исследуемой субстанции для производства с ним каких-либо действий в соответствии с настоящим изобретением. Таким средством, в частности, являются ячейка-резервуар 4 и канавка 5, изображенные на фигуре 4.
Другой вариант формирования УП приведен на фигуре 21b. Первый массивный материал (например, кремний Si) - пластина (этап I) используется для создания тонкопленочного слоя будущего предметного столика. Это, в частности, может быть формирование окисла кремния (SiO2), нитрида кремния (Si3N4) или карбида кремния (SiC), а также множества других видов материала, необходимого для решения тех или иных задач на базе создаваемых УП. После формирования тонкой пленки (этап II) к первой пластине со стороны образованного тонкопленочного слоя прикрепляется вторая массивная пластина (этап III). Это может быть реализовано путем сплавления при наличии достаточно больших температуры и давления например, двух пластин кремния с образованием композитной пластины. Либо путем склеивания при использовании какого-либо материала-посредника, в том числе и путем эвтектики. Вторым слоем может быть, например, силикатное или иное стекло. После образования такой слоистой структуры часть второй пластины удаляется (этап IV). Оставшаяся часть второй пластины - это тело будущего держателя УП. В завершении удаляется первая пластина (этап V). Причем два последних шага могут быть осуществлены в обратном порядке: сперва удаляется первая пластина, затем - часть второй.
Третий способ представлен на фигуре 21с. К одной пластине (этап I) - массивному слою присоединяется (этап II) любым известным и удобным для нижеописанных процедур способом другая массивная пластина. Часть одной из пластин удаляется с оставлением тонкой пленки из материала этой пластины (этап III). После чего вторая пластина удаляется (этап IV).
Еще один возможный способ формирования УП представлен на фигуре 21d. В этом случае используется готовая промышленная композитная (многослойная) пластина (этап I). В данном случае трехслойная пластина, состоящая из двух массивных кремниевых слоев и промежуточного слоя окисла кремния. Это так называемая структура КНИ - кремний-на-изоляторе (Si-SiO2-Si). Это широко распространенная структура, выпускаемая промышленным образом. Из одного массивного слоя такой пластины формируются средства для действий с субстанциями, размещаемыми в дальнейшем на будущей подложке (этап II). Из этого же слоя возможно формирование кронштейнов жесткости. Часть указанной пластины удаляется с вскрытием промежуточного окисного слоя SiO2 композитной пластины. После этого аналогичные действия могут быть осуществлены и со второй массивной пластиной (этап III). Итог - формирование УП. В завершении (этап IV) в обеих массивных пластинах формируются технологические канавки для осуществления излома с целью удаления части массивного держателя сформированной УП на любом этапе работы пользователя с ней. В частности, после формирования исследуемой или используемой субстанции.
Наконец еще один частный случай способа изготовления УП изображен на фигуре 21е. Используется первая массивная пластина (этап I). На ее поверхности формируется тонкий слой будущего предметного столика (этап II). Со стороны сформированной тонкой пленки к первой пластине любым известным и удобным для будущих операций способом прикрепляется другая пластина (этап III). Затем подобно описанным в предыдущем абзаце этапам, начиная с второго, формируется искомая пластина. Если выбранные массивные пластины данного частного случая являются кремниевыми пластинами, а тонкий слой являлся окисным слоем (полученным, например путем окисления), при этом скрепление пластин через такой окисный слой осуществлялось при помощи температуры и давления, то этот случай совпадает с предыдущим.
Пример 5
Ниже будет приведен пример МКП, которое станет легкодоступным благодаря использованию УП. Если пользователь УП, исследующий конкретный опытный фрагмент (КОФ) субстанции, расположенный на УП, проводит серию опытов с использованием нескольких десятков УП, достигает искомого или близкого к нему результата, то встает необходимость увидеть именно этот результат на всех приборах (устройствах), где только можно проанализировать КОФ на предмет его структуры и свойств. Сам пользователь УП может своими силами отобрать такой КОФ в комбинированном устройстве, являющемся результатом совмещения МБОП с ОМ+АФМ. Однако для более подробного изучения КОФ у большинства исследователей нет ресурсов парка научных приборов и устройств. Как показано в приведенном ниже примере, он сможет воспользоваться МКП. Таким образом, решена одна из проблем: если исследователь получил КОФ на подложке, которая применима для использования в одном устройстве, и хочет исследовать его в другом аналитическом устройстве, ему уже не надо будет предпринимать еще несколько десятков попыток, чтобы воспроизвести такой же КОФ на подложке, используемой для размещения в держателе этого другого устройства. Он сможет воспользоваться КОФ, полученным на УП. Однако перед исследователем стоит еще одна задача, которая практически никем серьезно не решалась в силу ее сложности. Суть задачи в том, чтобы проанализировать одну и ту же пространственную точку (важный для исследователя элемент) на КОФ на пространственно разнесенных устройствах, с точностью до величин, соизмеримых с размерами исследуемых объектов. А такими объектами могут являться макромолекулы или кластеры, размерами в единицы или десятки нанометров. Размер КОФ, размещенный на УП, может составлять десятки микрон или миллиметров, что тысячи и миллионы раз больше характерных размеров объектов. А расстояние между «пространственно разнесенными устройствами» может составлять от нескольких сантиметров до тысяч километров. Таким образом, чтобы получить разностороннюю информацию об одном и том же участке (элементе) КОФ, необходимо обеспечить возможность «попадания» инструмента исследовательского устройства в данную пространственную точку с заданной точностью. Для этого согласно настоящему изобретению в УП предусматривается калибровочная шкала, размещенная таким образом, чтобы быть доступной для идентификации и использования инструментами всех (или основных) исследовательских устройств. В частности, это и имеется в виду, когда в настоящем изобретении говорится о том, что УП содержит, по крайней мере, одно средство для размещения, и/или, по крайней мере, одно средство для позиционирования, и/или, по крайней мере, одно средство для фиксации в держателе устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями, причем одно из перечисленных средств может быть совмещенным с другим.
Безусловно, такой шкалы может быть недостаточно для прецизионного «попадания» в искомую пространственную точку КОФ. Тогда на помощь может прийти методика, реализуемая с помощью конструкции УП, а также с помощью предложенного настоящим изобретением устройства. Имеется в виду создание специальной метки или меток на самом КОФ и/или на УП, например, с помощью специального зонда сканирующего микроскопа с химически модифицированной вершиной острия. Это имеется в виду, в частности, когда в настоящем изобретении говорится, что УП имеет, по крайней мере, одно средство для позиционирования средств устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с субстанциями. И то, что УП может содержать, по крайней мере, один электрод, и/или, по крайней мере, одно аналитическое средство, и/или, по крайней мере, одно преобразующее средство.
Пример 6
В заключении рассмотрим схему того, как метод комплексного воздействия на субстанции, предлагаемый настоящим изобретением, может быть использован для реализации механизма коллективного пользования мировым парком научных инструментов.
Исследователь (пользователь) в некоторой лаборатории рутинными процедурами на УП получает фрагмент новой субстанции. Проводит исследование такого фрагмента субстанции на приборе, имеющемся в его распоряжении. Обычным прибором является ОМ. Лучше, если он совмещен с АСМ, а еще лучше - еще и с МБОП. После того как он обнаружит характерные элементы объекта, которые он планировал получить, либо обнаружит что-либо интересное и неожиданное, он имеет возможность направить свой фрагмент субстанции на УП в пространственно удаленный исследовательский центр («коллективного пользования»), работающий с конкретными сложными методиками и приборами (требующими высококвалифицированного персонала) и специализирующийся на оказании услуг для сторонних организаций. Например, с использованием синхротронного излучения (СИ), устройство которого имеется лишь в единичном варианте в пяти развитых странах. Организации могут пользоваться такими услугами на постоянной (долговременной) или разовой основе. Для направления на исследование необходимо будет разместить УП в специальный транспортном контейнере (примерный размер которого 1×2×2 см), положить в конверт и отправить по почте. Контейнер в зависимости от объекта исследования должен будет иметь соответствующие внутренние параметры среды: для неорганической субстанции - лишь герметичность, для органической, а точнее для биологического - влажную питательную среду. В исследовательском центре проводится исследование образца, информация заносится на соответствующие носители, все это плюс контейнер с образцом помещаются в почтовое отправление и высылаются обратно по адресу пользователя. Главное в данной схеме - универсальность УП, ее адаптивность в держателях различных приборов. Таким образом, необходимо, чтобы конструкция такой УП подходила как минимум для работы в самом сложном приборе - просвечивающем электронном микроскопе, то есть размещался в его держателе. При этом должно быть обеспечено условие для просмотра образца «насквозь» и «по касательной» к поверхности субстанции. Последнее, например, важно для СИ.
Литература
1. Wen-Yen Hwang et al., US Patent 6,406,795. Jim. 18, 2002.
2. AsylumResearch, http://www.asylumresearch.com/Applications/AfmFluo/AfmFluo.shtml.
3. Langmuir I., J.Amer.Chem.Soc., 1917, 39, 1848.
4. Blodgett K.B., J.Amer.Chem.Soc., 1935, 57, 1007-1022.
5. Блинов Л.М. Успехи Физических Наук, 1988, 155, 443.
1. Подложка для реализации комплексных действий с материалами образцов, содержащая
массивную часть - держатель,
предметный столик для фрагментов материалов образцов,
по крайней мере, одно средство для действия с фрагментами материалов образцов,
отличающаяся тем, что
предметный столик представляет собой тонкую пленку, по крайней мере, часть которой представлена мембраной,
которая состоит, по крайней мере, из одного материала подложки, обе поверхности которой свободны,
крепление которой к массивному держателю осуществляется, по крайней мере, вдоль части ее периметра.
2. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что тонкая пленка выполнена из двух или более материалов подложки.
3. Подложка по п.2, отличающаяся тем, что, по крайней мере, два из указанных материалов подложки отличаются друг от друга структурой и/или химическим составом.
4. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, по крайней мере, одно средство для формирования, по крайней мере, одного фрагмента материала образцов, которое может быть затем удалено на любом этапе, и/или, по крайней мере, одно средство для поддержания состояния фрагментов материалов образцов в исходном состоянии.
5. Подложка по п.4, отличающаяся тем, что средство для формирования, по крайней мере, одного фрагмента материала образцов содержит, по крайней мере, один рельефный элемент.
6. Подложка по п.4, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одно средство для поддержания состояния, по крайней мере, одного фрагмента материала образцов в исходном состоянии может представлять собой, по крайней мере, одну тонкую пленку другого фрагмента и/или фрагмента другого материала.
7. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, по крайней мере, одно средство для размещения и/или, по крайней мере, одно средство для позиционирования, и/или, по крайней мере, одно средство для фиксации в держателе устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с фрагментами материалов образцов, причем одно из перечисленных средств может быть совмещенным с другим.
8. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что она имеет, по крайней мере, одно средство для позиционирования средств устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с фрагментами материалов образцов.
9. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, по крайней мере, один электрод и/или, по крайней мере, одно аналитическое средство, и/или, по крайней мере, одно преобразующее средство.
10. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, по крайней мере, одно средство, обеспечивающее возможность ее размещения в/на транспортном контейнере и/или в держателе устройства, содержащего, по крайней мере, одно средство для действия с фрагментами материалов образцов.
11. Подложка для образцов по п.10, отличающаяся тем, что транспортный контейнер и/или держатель устройства содержат, по крайней мере, одно средство для поддержания состояния фрагмента материала образцов в исходном состоянии.
12. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что подложка имеет конструкцию, позволяющую осуществить действия с фрагментами материалов образцов, по крайней мере, на двух пространственно разнесенных устройствах, каждый из которых содержит, по крайней мере, одно средство для такого действия и позволяет достичь разрешения, достаточного для осуществления действия с объектом, имеющим размеры, по крайней мере, не более 100 нм.
13. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один сформированный ранее на ней фрагмент материала образцов используется для реализации комплексных действий, по крайней мере, еще с одним фрагментом этого материала образцов и/или, по крайней мере, еще с одним фрагментом другого материала образцов.
14. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что на лицевой и/или обратной стороне мембраны имеется покрытие, которое обеспечивает частичное или полное отражение какого-либо излучения и/или является проводящим.
15. Устройство для реализации комплексных действий с материалами образцов, содержащее
по крайней мере, одно средство для действия с подложкой,
по крайней мере, одно средство для действия с фрагментами материалов образцов,
отличающееся тем, что
оно содержит держатель, позволяющий работать с подложкой, имеющей конструкцию пп.1-14.
16. Способ изготовления подложки, состоящий
в изготовлении массивного держателя,
в изготовлении предметного столика,
отличающийся тем, что
предметный столик изготавливается в виде тонкой пленки, по крайней мере, часть которой представлена мембраной,
обе поверхности которой свободны,
крепление к массивному держателю которой формируется, по крайней мере, вдоль части ее периметра.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что используется композитная пластина, содержащая, по крайней мере, два слоя, причем, по крайней мере, один из них массивный слой.
18. Способ по п.16, отличающийся тем, что, по крайней мере, один этап формирования предметного столика и/или его удаление осуществляется после размещения каких-либо фрагментов материалов образцов, по крайней мере, на части предметного столика.
19. Устройство для реализации комплексных действий с материалами образцов, содержащее
по крайней мере, одно средство для действия с подложкой,
по крайней мере, одно средство для действия с фрагментами материалов образцов,
отличающееся тем, что
оно содержит, по крайней мере, одно средство, обеспечивающее
направленное кристаллографическое формирование, по крайней мере, одного фрагмента материала образцов в виде тонкой пленки.
20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, одно средство для контролируемого использования силы гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одного фрагмента материала образцов.
21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, одно контролируемое средство для реализации аналога сил гравитационного тяготения в качестве средства для направленного формирования, по крайней мере, одного фрагмента материала образцов.
22. Устройство по любого из пп.19-21, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, одно средство, позволяющее осуществить действие с подложкой, имеющей конструкцию по пп.1-14.
23. Устройство по любого из пп.19-21, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, одно средство для действия, по крайней мере, с одной подложкой, причем подложка может содержать, по крайней мере, один электрод и/или, по крайней мере, одно аналитическое средство, и/или, по крайней мере, одно преобразующее средство.
