Металлический наконечник для использования в сканирующем зонде и способ изготовления такого наконечника

Авторы патента:


Металлический наконечник для использования в сканирующем зонде и способ изготовления такого наконечника
Металлический наконечник для использования в сканирующем зонде и способ изготовления такого наконечника
Металлический наконечник для использования в сканирующем зонде и способ изготовления такого наконечника
Металлический наконечник для использования в сканирующем зонде и способ изготовления такого наконечника
Металлический наконечник для использования в сканирующем зонде и способ изготовления такого наконечника

 


Владельцы патента RU 2550759:

СПЕКС СЁРФЕЙС НАНО АНАЛИЗИС ГМБХ (DE)

Изобретение относится к металлическому наконечнику для использования в сканирующем зондовом микроскопе, а также к способу его изготовления. Наконечник (1) имеет осевую протяженность (l), радиальную протяженность (d), заостренную часть (В), которая проходит в осевом направлении от части с максимальной осевой протяженностью (5) к атомарно острому концу (9), и тупую часть (А), которая проходит в осевом направлении от части с максимальной осевой протяженностью (5) к тупому концу (7). Осевая протяженность заостренной части (В) больше, чем у тупой части (А). Металлический наконечник (1) имеет массу 10 микрограмм или менее. Технический результат - повышение добротности зондового датчика. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к металлическому наконечнику для использования в сканирующем зонде и способу изготовления такого наконечника. Кроме того, изобретение относится к датчику сканирующего зондового микроскопа.

В случаях использования сканирующих зондов, например, в сканирующей туннельной микроскопии, атомно-силовой микроскопии и связанных с ними методиках атомарно острые наконечники используют для определения туннельных токов или сил, например электростатических сил, магнитных сил и т.д., между наконечником и зондируемой поверхностью. В первом режиме работы сканирующих зондов наконечники располагают на конце рычагов (кантилеверов), которые подводят к зондируемой поверхности или вводят в контакт с ней, и по изгибу рычага определяют измеряемый сигнал. В другом режиме построения изображения используют осциллятор, который вибрирует с частотой, равной или близкой к резонансной частоте собственных колебаний или ее гармонике. В результате взаимодействия наконечника с зондируемой поверхностью изменяется амплитуда, фаза или частота этих колебаний. Таким образом, изменения частоты, амплитуды или фазы колебаний содержат информацию о зондируемой поверхности. Сканируя образец и следя за изменениями колебаний осциллятора, можно построить изображение поверхности образца.

В частности, если в сканирующем зонде используют осциллирующий датчик, желательно высокое значение добротности Q осциллятора. Добротность Q измеряется для определенной ширины полосы частот осциллятора, т.е. для определенного диапазона частот, на которых осциллятор резонирует, и для определенной степени затухания колебаний. Чем выше добротность Q, тем уже полоса частот и степень затухания колебаний, что ведет к более высокому качеству изображения поверхности образца.

Изготовление атомарно острых наконечников, необходимых для работы сканирующих зондов, можно осуществить различными способами. По одному из способов тонкую металлическую проволоку обрезают с помощью ножниц или скальпеля. Однако при таком способе изготовления наконечника требуется испытание наконечника перед использованием, поскольку результат обрезки трудно воспроизвести. Еще одна методика изготовления наконечника представляет собой травление. Известны различные способы травления, например, описанные в патенте US 5630932 или в статье М.Кулавика (М.Kulawik) "A double lamellae drop off etching procedure for tungsten tips attached to tuning fork atomic force microscopy/scanning tunnelling microscopy sensors". Review of Scientific Instruments, vol.74, No. 2, February 2003. При травлении обычно используется погружение металлической проволоки в качестве одного из электродов в раствор электролитического травления и подача напряжения между проволокой и вторым электродом, расположенным в травильном растворе. При подаче напряжения с проволоки вытравливается материал в пограничном слое между травильным раствором и воздухом. Через некоторое время проволока в пограничном слое становится такой тонкой, что часть проволоки, погруженная в раствор, отпадает. Тогда ток, протекающий через проволоку и травильный раствор, быстро выключают, чтобы предотвратить дальнейшее травление проволоки, которая затем используется в качестве наконечника. Известен еще один способ травления, в котором используют небольшие кольцевые электроды, через которые проходит проволока. Между проволокой и внутренней поверхностью кольцевого электрода располагают пленку электролита так, что травление происходит в области, окруженной этим кольцевым электродом. Через некоторое время проволока в зоне травления становится такой тонкой, что нижняя часть проволоки отпадает. Эта часть затем используется в качестве наконечника.

Хотя приведенные выше способы применимы для изготовления атомарно острых наконечников, все еще существует необходимость получить травленые наконечники, обеспечивающие более высокую добротность при использовании датчиков с вилками или подобными симметричными резонаторами.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является получение металлического наконечника для использования в зондовой микроскопии, которая обеспечивает высокую добротность Q вибрирующего зондового датчика. Кроме того, задачей настоящего изобретения является обеспечение эффективного способа травления для изготовления металлических наконечников для сканирующей зондовой микроскопии. Еще одной задачей изобретения является получение эффективно работающего датчика сканирующего зондового микроскопа.

Указанные задачи решаются использованием металлического наконечника согласно пункту 1 для использования в сканирующем зонде, датчиком согласно пункту 6 сканирующего зондового микроскопа и способом согласно пункту 8 изготовления металлического наконечника сканирующего зонда. Зависимые пункты формулы содержат уточнения изобретения.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается металлический наконечник для использования в сканирующих зондах. Наконечник имеет осевую протяженность, радиальную протяженность, заостренную часть, которая проходит в осевом направлении в сторону от части с максимальной радиальной протяженностью к атомарно острому концу, и тупую часть, которая проходит в осевом направлении от части с максимальной радиальной протяженностью к тупому концу. Металлический наконечник имеет массу 10 микрограмм или менее, в частности 5 микрограмм или менее, предпочтительно 3 микрограмма или менее. Осевая протяженность заостренной части больше, чем осевая протяженность тупой части.

Предлагаемые в настоящем изобретении наконечники с низкой массой увеличивают добротность Q, в частности добротность симметричных кварцевых осцилляторов в датчиках сканирующих зондовых микроскопов, так, что обеспечивается возможность получить высококачественные изображения сканируемой поверхности. Более того, такие наконечники можно изготавливать, используя самоограничивающиеся процессы травления.

Наконечник можно изготовить из металла, выбранного из групп с 6 по 11 и периодов с 4 по 6 периодической системы элементов, либо из сплавов, по меньшей мере содержащих указанные металлы в качестве основных компонентов. Примерами материалов, из которых могут быть изготовлены наконечники, являются, в частности, вольфрам (W), иридий (1 г), платина (Pt) и сплав платины и иридия.

До настоящего времени улучшение добротности Q достигалось путем присоединения дополнительной массы к симметричному осциллятору, чтобы уравновесить массу наконечника. Такое уравновешивание массы описано, например, в статье Бун Пинга (Boon Ping Ng et al.) "Improve performance of scanning probe microscopy by balancing tuning fork bronze" Ultramicroscopy, vol.109, issue 4, March 2009, стр.291 по 295. При использовании предлагаемого изобретения добротность Q можно увеличить без использования дополнительной массы, т.к. наконечник обладает меньшей массой по сравнению с травлеными наконечниками, известными из уровня техники.

Предлагаемые наконечники можно вытравить, используя предлагаемый в настоящем изобретении способ изготовления металлических наконечников для сканирующих зондов. Предлагаемый способ содержит стадии использования электролита, в который погружают первый электрод, частичного погружения проволоки в электролит в качестве второго электрода, подачи напряжения между первым электродом и проволокой, пока часть проволоки, которая погружена в электролит, не отпадет, очистки отпавшей части проволоки от электролита для ее использования в качестве наконечника сканирующего зонда. Изготовление наконечника осуществляется так, что в соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом проволоку частично, на 600 микрон или менее, погружают в электролит. В частном случае, в электролит погружают 400 микрон проволоки или менее.

Предлагаемый в настоящем изобретении способ основан на таком решении, что очень тонкие части отпадают от проволоки во время травления, когда проволоку погружают в электролит не более чем на 600 микрон, предпочтительно не более чем на 400 микрон.

Металлические наконечники, изготовленные заявляемым способом, помимо заостренной части, вытянутой в осевом направлении к атомарно острому концу, обычно имеют тупую часть, которая проходит в осевом направлении от части с максимальной радиальной протяженностью в сторону к тупому концу, при этом осевая протяженность заостренной части больше, чем осевая протяженность тупой части, в частности почти в три раза больше, и обычно от 5 до 10 раз больше. Указанная тупая часть может иметь овальную форму, в частном случае круглую или эллиптическую форму, так что наконечник имеет форму вытянутой капли.

Максимальная осевая протяженность предложенного наконечника, изготовленного в соответствии с предлагаемым способом, составляет 500 микрон или менее, в частности 350 микрон или менее, а максимальная радиальная протяженность составляет 50 микрон или менее, в частности 25 микрон или менее.

В предлагаемом способе изготовления металлического наконечника травление наконечника немедленно прекращается, как только часть, погруженная в электролит, отпадает от проволоки, поскольку она уже больше не связана с источником тока. Следовательно, травление наконечников, т.е. отпавших частей проволоки, является самоуправляемым, и выключения тока с помощью быстродействующего выключающего механизма не требуется, т.к. дальнейшее травление оставшейся проволоки некритично.

В соответствии с другими вариантами предложенного способа, металлическую проволоку подают вперед, для погружения следующей ее части в электролит, после того, как предыдущая погруженная в электролит часть проволоки отпала, и вновь подают напряжение между проволокой и вторым электродом, пока эта следующая часть проволоки не отпадет. Это можно повторять до тех пор, пока не получится необходимое количество наконечников либо пока не будет израсходована проволока. После того как несколько частей металлической проволоки отпало, можно проводить стадию очистки. Иными словами, после того как закончится желаемая длина проволоки, несколько наконечников можно очищать вместе.

Очистку можно проводить, в частности, разводя электролит разбавителем, который разбавляет электролит. Разбавление электролита можно осуществить путем замены количества электролита равным количеством разбавителя. Это также можно повторять один или несколько раз.

Чтобы автоматизировать подачу проволоки в электролит, можно отслеживать наличие части проволоки, погруженной в электролит, по току, протекающему через проволоку. Как только погруженная в электролит часть проволоки отпадает, ток, протекающий через проволоку к противоположному электроду, падает, что указывает на то, что можно подавать следующую часть проволоки.

Проволока, частично погруженная в электролит, предпочтительно имеет диаметр 100 микрон или менее, в частности 50 микрон или менее, так что можно избежать слишком большой массы наконечника. Применение тонкой проволоки при изготовлении наконечника с использованием предлагаемого способа позволяет получить в результате травления наконечник, диаметр которого примерно в два раза меньше по сравнению с исходным диаметром. Следовательно, при исходном диаметре в 100 микрон получится наконечник с диаметром примерно в 50 микрон, а из проволоки с исходным диаметром в 50 микрон получится наконечник с диаметром примерно 25 микрон.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается датчик сканирующего зондового микроскопа (SPM-датчик), содержащий металлический наконечник. Датчик может быть, в частности, симметричным осциллятором, имеющим первый опорный выступ и второй опорный выступ, к которому прикреплен наконечник. Предложенный датчик позволяет получать высокую добротность Q, которая в свою очередь позволяет получить высокое качество изображения сканируемой поверхности без использования противовеса на первом опорном выступе осциллятора.

Остальные признаки, свойства и преимущества настоящего изобретения будут ясны из приведенного ниже описания вариантов осуществления изобретения в совокупности с прилагаемыми чертежами.

На фиг.1показан предлагаемый наконечник.

На фиг.2 показана система травления для изготовления наконечника, изображенного на фиг.1.

На фиг.3 показан наконечник перед окончанием травления.

На фиг.4 показано несколько наконечников, видимых с помощью электронного микроскопа.

На фиг.5 показан датчик сканирующего зондового микроскопа с наконечником.

Признаки и свойства предложенного наконечника будут описаны с помощью ссылок на фиг.1. Следует отметить, что фиг.1 представляет собой лишь схематический вид наконечника, и что отношение радиального размера к осевому размеру не обязательно совпадает с отношением размеров реального наконечника.

Предложенный наконечник 1 имеет форму вытянутой капли с осевой протяженностью вдоль горизонтальной оси 3 примерно от 300 до 400 микрон, обычно около 350 микрон. Наконечник имеет радиальную симметрию относительно горизонтальной оси 3 и имеет часть 5 с максимальной радиальной протяженностью d. Тупая часть А проходит в сторону от части с максимальной радиальной протяженностью к тупому концу 7, а заостренная часть В проходит от части с максимальной радиальной протяженностью 5 к атомарно острому концу 9. Диметр наконечника 1 в части с максимальной радиальной протяженностью находится в диапазоне от 50 микрон или менее, в частности составляет от 20 до 30 микрон, обычно - 25 микрон. Заостренная часть проходит значительно больше, чем тупая часть. Обычно осевая протяженность заостренной части в 5-10 раз больше, чем осевая протяженность тупой части.

Для изготовления наконечника 1 можно использовать несколько материалов. Обычно материалами, которые применяются для изготовления наконечников, используемых в сканирующем зонде, являются, например, вольфрам, платина и иридий. Кроме того, часто используют сплавы, такие как платиново-иридиевые сплавы. Однако, по существу, могут использоваться и другие материалы. Например, такими материалами могут быть марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Со), никель (Mi), которые принадлежат четвертому периоду и группам от седьмой до десятой периодической системы химических элементов. Другими материалами, по существу, пригодными для изготовления наконечников, могут быть рутений (Ru), рений (Re) и палладий (Pd) из пятого периода и из групп от восьмой до десятой периодической системы химических элементов. Кроме уже упомянутых материалов из шестого периода, таких как титан, иридий и платина, также могут использоваться и другие материалы из этого же периода, такие как осмий (Os) и золото (Au) или рений (Re). На практике, для изготовления предложенного наконечника в общем случае подходят материалы из периодов с четвертого по шестой и из групп с шестой по одиннадцатую периодической системы элементов.

Масса наконечника 1 составляет 10 микрограмм или менее, в частном случае 5 микрограмм или менее, в предпочтительном варианте 3 микрограмма или менее. Следует заметить, что масса наконечника зависит от его размеров, а также от плотности материала наконечника. В представленном примере реализации изобретения, наконечник 1 изготовлен из вольфрама, имеющего плотность 19,25 г/см3. Цилиндр из вольфрама длиной 350 микрон и диаметром в 25 микрон имеет массу приблизительно 3,3 микрограмм. Поскольку большая часть наконечника более или менее похожа на конус, ее масса составляет примерно 1/3 от массы цилиндра. Отсюда масса вольфрамового наконечника длиной 350 микрон с максимальным диаметром 25 микрон составит примерно 1 микрограмм. Если для изготовления наконечника 1 того же диаметра и длины, что и в случае с вольфрамовым наконечником, используется материал отличный от вольфрама, масса будет соизмерима с плотностью материала. Однако все перечисленные выше материалы, в том числе и вольфрам, взяты из шестого периода, и, в грубом приближении, у них будет одинаковая масса, поскольку все эти материалы имеют плотность примерно 20 г/см3. Если взять материалы из пятого или четвертого периода, наконечник с такими же размерами будет даже еще легче, поскольку плотности этих материалов меньше, чем плотности материалов элементов шестого периода таблицы.

На фиг.2 показана типичная система, используемая для изготовления наконечника 1 путем травления. Система травления содержит контейнер 11, заполненный электролитом 13, который используется в качестве травильного раствора. Кольцеобразный первый электрод погружается в травильный раствор. Далее металлическую проволоку 17, из которой будет изготовлен наконечника, частично погружают в электролит 13 на 600 микрон или менее, в частности на 400 микрон или менее. Указанная металлическая проволока 17 образует второй электрод, чтобы осуществить электролитическое травление части проволоки, погруженной в электролит 13.

Для выполнения процесса травления подают постоянное напряжение между двумя электродами так, что материал вытравливается с части 19 проволоки, погруженной в электролит 13. В процессе травления наибольшая скорость вытравливания материала достигается на границе между электролитом 13 и окружающей средой, обычно представляющей собой воздух. Однако в качестве окружающей среды можно использовать другие газы, например азот или инертный газ.

Металлическая проволока 17 с частью, погруженной в электролит 13, изображена на фиг.3 в момент перед окончанием процесса травления. Можно видеть, что из-за того, что самая высокая скорость травления наблюдается вблизи поверхности 21 электролита 13, самая большая убыль материала в части 19 проволоки, погруженной в электролит 13, также наблюдается вблизи поверхности 21 электролита. Следовательно, вблизи границы между электролитом 13 и атмосферой образуется сужение 23, которое в результате становится таким тонким, что часть 19 проволоки, погруженная в электролит 13, отпадает от проволоки 17, формируя требуемый металлический наконечник.

Процесс травления контролируют по току, протекающему между двумя электродами через электролит 13. В момент, когда погруженная в электролит часть 19 проволоки отпадает, можно наблюдать резкое падение тока, протекающего через электролит 13. Управляющее устройство 27, соединенное с амперметром 25, измеряющим ток, протекающий через проволоку 17 и электролит 13, управляет током и отключает постоянное напряжение с помощью управляемого переключателя 29, к которому оно также подсоединено, если оно определяет резкое падение тока. Следует, однако, отметить, что быстрое отключение тока несущественно, поскольку в качестве наконечника используется часть 19 проволоки, а не оставшаяся проволока 17. Следовательно, процесс травления прекращается сразу, как только часть 19 проволоки отпадает от проволоки 17. Выключение постоянного напряжения просто предотвращает слишком большой расход проволоки 17 и позволяет осуществлять дальнейшую подачу проволоки в электролит 13 без осуществления процесса травления во время движения проволоки. Подача постоянного напряжения затем точно определяет начало травления.

Когда проволока 17 подается вперед так, что следующая часть 19 проволоки погружается в электролит 13 на 600 микрон или менее, в частности на 400 микрон или менее, переключатель 29 снова перекрывается управляющим устройством 27 для травления очередного наконечника. Так как подачу проволоки также можно контролировать с помощью управляющего устройства 27, весь процесс формирования наконечника можно полностью автоматизировать.

В качестве конкретного примера формирования наконечника с помощью предложенного способа можно описать формирование вольфрамового наконечника. Вольфрамовая проволока диаметром в 50 микрон подается в электролит, который в данном примере представляет собой гидроксид натрия (NaOH). Проволока погружается в гидроксид натрия на 400 микрон. Для того чтобы начать травление, между вольфрамовой проволокой, являющейся анодом, и кольцеобразным электродом 15, являющимся катодом, подается постоянное напряжение. Начинается травление части 19 проволоки, погруженной в NaOH, при этом наибольшая скорость травления наблюдается на границе раздела атмосфера/электролит. Во время приложения постоянного напряжения следят за током, протекающим через вольфрамовую проволоку 17, чтобы отслеживать процесс травления.

Пока приложено напряжение, идет травление проволоки вокруг погруженной в электролит части 19, при этом наибольшая скорость травления продолжает сохраняться вблизи границы раздела атмосфера/электролит. В результате диаметр погруженной в электролит части вольфрамовой проволоки вблизи границы раздела атмосфера/электролит становится таким тонким, что указанная погруженная в электролит часть, которая приобретает форму удлиненной капли, отпадает от вольфрамовой проволоки 17. В этот момент электрическая схема размыкается, поскольку вольфрамовая проволока больше не находится в прямом контакте с электролитом и, следовательно, процесс травления автоматически прерывается. В отличие от других процессов травления, в качестве наконечника используют не оставшуюся проволоку 17, а отпавшую часть 19. Если необходимо изготовить больше наконечников, вольфрамовую проволоку подают вперед в электролит, чтобы погрузить в электролит следующую часть проволоки на величину 400 микрон.

В описанном процессе травления длина травленых наконечников может быть задана точно с помощью регулирования длины проволоки, погруженной в электролит. Типичный процесс изготовления металлических наконечников содержит следующие стадии.

1. Погружение проволоки в электролит, при котором в электролит погружают определенную ее длину.

2. Подача постоянного напряжения и регулирование протекающего тока.

3. Травление до тех пор, пока не прервется измеряемый ток.

4. Выключение постоянного напряжения.

5. Подача вольфрамовой проволоки вперед на заданную длину.

6. Повторение шагов со 2 по 5, пока не получится нужное количество наконечников либо пока не закончится проволока.

На фиг.4 приведена фотография нескольких наконечников, изготовленных описываемым способом. Фотография, полученная с помощью электронного микроскопа, показывает производительность, получаемую с помощью предлагаемого процесса травления.

Чтобы использовать травленые наконечники, которые обычно лежат на дне контейнера 11, их нужно очистить от электролита, не прибегая к механическому касанию, так, чтобы избежать механического повреждения, изгиба или затупления наконечников. Для этого электролит 13 последовательно заменяют разбавителем, разбавляющим электролит 13. Обычно в качестве разбавителя можно использовать дистиллированную воду, как в приведенном выше примере, когда в качестве электролита используют гидроксид натрия. Разбавление электролита 13 обычно проводят несколько раз, заменяя две трети электролита дистиллированной водой в каждом цикле. После нескольких циклов электролит разбавлен настолько, что больше не наблюдается загрязнение наконечников электролитом, когда наконечники вынимают из контейнера 11. В приведенном выше примере, когда в качестве электролита используют гидроксид натрия, а в качестве разбавителя используют дистиллированную воду, для очистки наконечников обычно достаточно пяти или шести циклов. Однако может потребоваться замена, например, одной второй или одной четвертой части электролита разбавителем при более высоких или более низких концентрациях электролита.

Хотя в приведенном примере в качестве электролита использовали гидроксид натрия, а в качестве разбавителя - дистиллированную воду, также можно использовать другие электролиты и разбавители. В частности, электролит можно подбирать с учетом материала, из которого изготовлена металлическая проволока. Подобным же образом, разбавитель и/или доля заменяющего электролит разбавителя может быть выбрана с учетом используемого электролита. Например, некоторые электролиты не разводят водой, но их можно разбавить, например, спиртом. Кроме того, использование в процессе травления постоянного напряжения необязательно. В принципе, можно также прикладывать переменное напряжение. Кроме того, температура электролита, величина напряжения, материал и геометрия противоположного электрода, который погружают в электролит, а также процедура промывки могут меняться, в частности, с учетом материала изготавливаемых наконечников и используемого электролита.

Предложенный наконечник 1 можно использовать с симметричным кварцевым осциллятором датчика сканирующего зондового микроскопа. Пример датчика 31 сканирующего зондового микроскопа, содержащего симметричный кварцевый осциллятор, показан на фиг.5. Указанный датчик содержит кварцевый стержень 33, образующий осциллятор, который удерживается в его центре с помощью двух опорных выступов 35А, 35В опорной конструкции 35. Первый опорный выступ 33А кварцевого стержня входит в конструкцию 35, а второй опорный выступ 33В, на торце которого закрепляют предложенный наконечник 1, выходит из опорной конструкции 35.

Кварцевый стержень 33 содержит два золотых покрытия 37А, 37В, которые наносят на периферийные области стержня 33, развернутые друг от друга. Эти золотые покрытия 37А, 37В изолированы друг от друга и от электродов, электрически соединенных соответственно с опорными выступами 35А, 35В, которые образованы из электропроводящего материала и изолированы друг от друга с помощью конструкционной части 35С, выполненной из непроводящего материала. Резонансные колебания кварцевого стержня 33 можно возбудить, прикладывая синусоидальное возбуждающее напряжение Uexc к одному из электродов кварцевого стержня 33, в настоящем примере к электроду 37А, через опорный выступ 35А конструкции 35. Подаваемое напряжение вызывает расширения и сжатия кварцевого стержня, вызванные пьезоэлектрическим эффектом. На втором электроде 37В указанный пьезоэлектрический эффект наводит заряды на поверхность стержня, которые можно обнаружить по колебательному току lose. Колебательный ток можно измерить с помощью второго электрода 37В.

Когда наконечник 1 подводят очень близко к сканируемой поверхности образца, силы, оказываемые поверхностью 39 к наконечнику 1, воздействуют на резонансные колебания стержня 33 так, что колебательный ток lose изменяется. Это изменение содержит информацию о поверхностной структуре образца и, следовательно, позволяет получать изображение поверхности. Структуру поверхности можно визуализировать тем более качественно, чем больше величина добротности Q резонансных колебаний. Более низкая масса наконечника 1, прикрепленного к кварцевому стержню 33, позволяет получить более высокую добротность Q. Следовательно, предложенный наконечник 1 с низкой массой позволяет получать датчик сканирующего зондового микроскопа с очень высокой добротностью Q.

Следует заметить, что датчик 31, описываемый со ссылкой на фиг.5, представляет собой лишь одну из возможных конфигураций таких датчиков. Возможны и другие конфигурации, например, такие, в которых вместо линейного кварцевого стержня используется вилкообразная конструкция. Кроме того, если наконечник 1 выполняется в виде электрического контакта, проводящего электричество через электрод на конце кварцевого стержня 33, туннельные токи между поверхностью образца и наконечником можно измерить. Следовательно, наконечник можно использовать на сканирующих зондовых микроскопах различного типа, например на атомно-силовых микроскопах, либо, при наличии упомянутого электрического контакта с наконечником, в сканирующих туннельных микроскопах.

Настоящее изобретение обеспечивает создание наконечника с очень низкой массой для использования в сканирующих зондах и способ изготовления такого наконечника. Благодаря низкой массе наконечник можно использовать при изготовлении датчика сканирующего зондового микроскопа с высоким значением добротности Q. Кроме того, процесс травления, используемый для изготовления наконечников, является самоограничивающимся, т.е. он прекращается автоматически, как только наконечник отпадает. В сравнении с другими известными способами, использующими часть проволоки, находящейся в атмосфере, это является основным преимуществом, поскольку указанные способы требуют использования быстродействующей электроники для остановки процессов травления. Наконечники могут быть изготовлены с высокой производительностью при автоматизированном процессе травления.

Обозначения

А тупая часть

В заостренная часть

1 наконечник

3 продольная ось

5 часть с максимальной радиальной протяженностью

7 тупой конец

9 атомарно острый конец

11 контейнер

13 электролит

15 электрод

17 металлическая проволока

19 часть проволоки, погруженная в электролит

21 поверхность

23 сжатие

25 амперметр

27 управляющее устройство

29 переключатель

31 датчик

33 кварцевый стержень

35 опорная конструкция

37А золотое покрытие

37В золотое покрытие

39 поверхность образца

l осевая протяженность

d максимальная радиальная протяженность

1. Металлический наконечник (1) для использования в сканирующих зондах, имеющий осевую протяженность (l), радиальную протяженность (d), заостренную часть (B), которая проходит в осевом направлении от части с максимальной радиальной протяженностью (5) к атомарно острому концу (9), и тупую часть (A), которая проходит в осевом направлении от части с максимальной радиальной протяженностью (5) к тупому концу (7), причем осевая протяженность заостренной части (B) больше, чем осевая протяженность тупой части (A), а металлический наконечник (1) имеет массу 10 микрограммов или менее.

2. Металлический наконечник по п. 1, максимальная осевая протяженность (l) которого составляет 500 микрон или менее.

3. Металлический наконечник (1) по п. 1, максимальная радиальная протяженность (d) которого составляет 50 микрон или менее.

4. Металлический наконечник (1) по любому из пп. 1-3, который изготовлен из металла, выбираемого из материалов групп с 6 по 11 и из периодов с 4 по 6 периодической системы, либо из сплава, содержащего по меньшей мере один из указанных металлов в качестве основного компонента.

5. Применение металлического наконечника (1) по любому из пп. 1-4 в качестве наконечника для сканирующих зондов.

6. Датчик (31) сканирующего зондового микроскопа, отличающийся тем, что он содержит металлический наконечник (1) в соответствии с любым из пп. 1-4.

7. Датчик (31) сканирующего зондового микроскопа по п. 6, отличающийся тем, что он содержит симметричный осциллятор (33) с первым опорным выступом (33A) и вторым опорным выступом (33 В), к которому прикреплен наконечник (1).

8. Способ изготовления металлического наконечника (1) для использования в сканирующих зондах, содержащий следующие стадии:
- использование электролита (13), в который погружают первый электрод (15);
- частичное погружение проволоки (17) в электролит (13) в качестве второго электрода;
- подача напряжения между первым электродом (15) и проволокой (17), пока часть (19) проволоки (17), которая погружена в электролит (13), не отпадет;
- очистка отпавшей части (19) от электролита для ее использования в качестве металлического наконечника (1) для сканирующих зондов,
отличающийся тем, что
проволоку (17) частично погружают в электролит (13), причем часть (19) проволоки, которая становится металлическим наконечником (1), полностью погружена в электролит на величину 600 микрон или менее.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что металлическую проволоку (17) подают вперед для погружения следующей ее части в электролит (13) после того, как часть (19) металлической проволоки (17), ранее погруженная в электролит, отпала, и вновь подают напряжение между первым электродом (15) и проволокой (17), пока не отпадет следующая часть проволоки (17).

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что очистка имеет место после того, как отпало несколько частей металлической проволоки (17).

11. Способ по любому из пп. 8-10, отличающийся тем, что очистку выполняют путем добавления в электролит (13) разбавителя, разбавляющего электролит (13).

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что разбавление электролита (13) выполняют путем замены некоторого количества электролита (13) равным количеством разбавителя.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что стадию разбавления электролита (13) повторяют по меньшей мере один раз.

14. Способ по любому из пп. 8-10, 12, 13, отличающийся тем, что процесс отпадания части (19) проволоки (17), которая погружена в электролит (13), контролируют путем контроля тока, протекающего через проволоку (17).

15. Способ по любому из пп. 8-10, 12, 13, отличающийся тем, что проволока (17) имеет диаметр 100 микрон или менее.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для исследования образцов, например биоматериалов и изделий медицинского назначения, методами сканирующей зондовой микроскопии, включая исследование внутренних пор зондом сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой зонд на основе полевого транзистора с наноразмерным каналом и может быть использовано при определении физико-химических и электрических параметров наноразмерных объектов физической, химической и биологической природы.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам сканирования поверхности объекта с помощью сканирующего зондового микроскопа, и может быть использовано для определения изменения рельефа, линейных размеров и физических характеристик поверхности объекта при пропускании электрического тока.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии. Микроскоп с устройством включает платформу (1), держатель образца (2) с образцом (3), установленные на сканирующем устройстве (4), сопряженном с платформой (1), блок сближения (5), систему регистрации (6), состоящую из источника излучения (7) и фотоприемника (8), многозондовый датчик контурного типа (9), содержащий основание (10) с гибкими консолями (15), остриями (16, 17) и первый установочный модуль (18), закрепленный посредством второго установочного модуля (19) на захвате (20), сопряженном с приводом вращения (21), соединенным с платформой (1), а также блок управления (30) и модуль ориентации по углу (25), сопряженный с захватом (20).

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и профилометрии, и может быть использовано для калибровки профилометров и сканирующих зондовых микроскопов в плоскости.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и профилометрии и может быть использовано для калибровки профилометров и сканирующих зондовых микроскопов в трех измерениях.

Система оптического зонда имеет зонд с оптической направляющей (G) с дистальным концом. Оптическая направляющая (G) устанавливается в корпусе (H), так чтобы дистальный конец мог перемещаться относительно корпуса (H).

Изобретение относится к области прецизионной наноэлектроники. Способ контролируемого роста квантовых точек (КТ) из коллоидного золота в системе совмещенного АСМ/СТМ заключается в выращивании КТ при отрицательном приложенном напряжении между иглой кантилевера совмещенного АСМ/СТМ и проводящей подложкой, причем в процессе роста КТ периодически переключают полярность внешнего напряжения с отрицательной на положительную и фиксируют единичный пик на туннельной ВАХ при определенном значении приложенного напряжения из диапазона значений от 1 до 5 В.

Изобретение относится к области формирования в цифровом виде образного изображения поверхности нанообъекта в сканирующем туннельном микроскопе. Под образным изображением нанообъекта понимается его топография, отличающаяся от истинной, но сохраняющая отличительные признаки. Способ формирования образного изображения поверхности нанообъекта в сканирующем туннельном микроскопе заключается в том, что поверхность исследуемого вещества сканируют металлической иглой в режиме постоянного тока, для чего в каждой точке сканирования производят вертикальное перемещение иглы относительно исследуемой поверхности так, чтобы туннельный ток в каждой точке сканирования равнялся величине туннельного тока в первой точке сканирования. Данные о микроструктуре поверхности исследуемого вещества получают, регистрируя перемещение иглы. Из экспериментальной топографии поверхности с нанообъектами на подложке вычитают плоскость, параллельную поверхности подложки, которая выше исходных шероховатостей подложки, но ниже поперечного радиуса нанообъекта. Полученное изображение нанообъекта масштабируют путем умножения на коэффициент больше единицы. Технический результат - повышение избирательного разрешения и производительности метода сканирующей туннельной микроскопии нанообъектов, например, полимерных молекул, возможность использовать способ для определения их фрагментарной последовательности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано для проведения измерений объектов при постоянном контроле внешних условий. Многофункциональный анализатор содержит установочную платформу, сопряженную с держателем объекта средствами соединения и включающую активный модуль с первым активным элементом, выполненным в виде сканирующего зондового микроскопа, и вторым активным элементом, в качестве которого используют датчик измерения уровня вибрации измеряемого объекта. Технический результат - обеспечение оптимальных условий финишных измерений. 4 ил.

Изобретение относится к области техники зондовой микроскопии. Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп (АСМ) содержит кантилевер, иглу кантилевера, систему обнаружения и регистрации отклонения кантилевера, включающую лазер, отражательную поверхность кантилевера и 4-секционный фотодиод с входным усилителем, систему 3-D позиционирования образца, контроллер АСМ для обработки результатов измерения, а также устройство для генерации квазичастиц, устройство для приема квазичастиц, отраженных от поверхности исследуемого образца, и дополнительный контроллер для построения карты отражающей способности поверхности. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности изучения динамики поведения квазичастиц на поверхности с нанометровым разрешением. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на зонды для атомно-силовой микроскопии (АСМ). Способ включает нанесение покрытия по меньшей мере на один АСМ-зонд посредством источника ионных кластеров. Нанесение покрытия осуществляют материалом в форме сферических наночастиц контролируемого размера. Технический результат - улучшение геометрических свойств зонда, уменьшение исходного радиуса кривизны острия зонда. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области техники зондовой спектроскопии, которая занимается разработкой устройств и методов для исследования спектров поверхности с нанометровым разрешением. Согласно способу измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде, возбуждают квазичастицы с нужными свойствами, производят распространение, отражение, повторное распространение отраженных квазичастиц, регистрацию отраженных квазичастиц, обработку полученной информации и восстановление спектра квазичастиц в исследуемом образце. Распространение и повторное распространение отраженных квазичастиц происходит вдоль иглы кантилевера. Отражение квазичастиц производится от границы раздела острие иглы кантилевера/поверхность образца, при этом затухание потока квазичастиц в игле кантилевера учитывается расчетом. Технические результаты - упрощение настройки, повышение стабильности работы, уменьшение искажений. 1 ил.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии. Согласно способу работы сканирующего зондового микроскопа генерируют относительное периодическое перемещение между зондом и образцом, детектируют перемещение зонда, восстанавливают из продетектированного перемещения зонда мгновенную силу между зондом и образцом при взаимодействии зонда и образца, определяют интересующую временную зону, связанную с восстановленной мгновенной силой, и стробируют ее. В качестве сигнала возбуждения используют тепло, подводимое к образцу или зонду, внешнее взаимодействующее поле, электромагнитную волну, оптическое возбуждение, сигнал напряжения или магнитную силу и измеряют контролируемый физический отклик зонда на этапе генерации в интересующей временной зоне в пределах периода взаимодействия между зондом и образцом. При этом сигналы, отличные от идущих с контролируемого участка, считаются паразитными шумами. Технический результат заключается в улучшении разрешения, повышении производительности сканирования. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 63 ил.

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии. Сканер содержит корпус сканера, включающего привод и датчик для обнаружения движения сканера. Корпус сканера выполнен с возможностью съема с головки вручную и имеет общий объем менее приблизительно пяти кубических дюймов. При этом корпус имеет первый открытый конец для подключения сканера к свободной концевой части головки, имеющей внешнюю поверхность, выступающую в сторону образца, и второй закрытый конец, на котором расположен держатель зонда, а также внутреннюю поверхность, проходящую между первым и вторым концами. Внешняя и внутренняя поверхности имеют одинаковую коническую форму и совпадают друг с другом. Технический результат - повышение жесткости конструкции сканера. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 20 ил.

Изобретение относится к креплению для сенсорного блока сканирующего зонда. Крепление для сенсорного блока (27, 127) включает опору (1, 101, 201, 301), образующую в креплении плоскость, подвижные фиксирующие соединительные элементы (9, 109, 208), расположенные по краю опоры (1, 101, 201, 301) и выполненные с возможностью взаимодействия с соответствующей ответной частью (43, 143) сенсорного блока и возможностью перемещения в первое положение, в котором они прикладывают усилие к установленному сенсорному блоку (27, 127) таким образом, чтобы действовать на него в направлении опоры (1, 101, 201, 301) по нормали к указанной плоскости, и во второе положение, в котором они позволяют производить установку сенсорного блока (27, 127) на опору (1, 101, 201, 301) или снятие этого блока с опоры в направлении вдоль нормали к плоскости. Плоскость в креплении образована тремя шариками (5, 105, 205, 305). Каждый фиксирующий соединительный элемент (9, 109, 208) расположен на пружине (206, 306) или подвижном элементе (11, 111), выполненном с возможностью смещения к центру опоры (1, 101). Фиксирующие соединительные элементы (9, 109, 208) равномерно распределены по краю опоры (1, 101) так, что усилие, действующее на сенсорный блок (27, 127) в направлении опоры (1, 101, 201, 301) по нормали к плоскости, представляет собой суперпозицию радиальной и параллельной компонент по отношению к направлению установки, которые в сумме дают результирующую силу, действующую в направлении вдоль нормали. Технический результат - уменьшение риска повреждений сенсорного блока. 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к сканирующим зондовым микроскопам, адаптированным для измерения поверхности образца, полученной после механической модификации этой поверхности. Микроскоп содержит основание (1), сканирующее устройство (33), установленное на механизме (6) перемещения образца (40), образец (40), закрепленный на сканирующем устройстве (33), первый зажим (27) с зондом (28), адаптированным для зондирования образца (6), блок управления, адаптированный для управления сканирующим устройством (33) и зондом (28), и платформу (18) с первой и второй направляющими, на которых установлена подвижная каретка (26). На основании установлены пуансон (2) с первым приводом (4) и механизм (6) перемещения образца (40) со вторым приводом (7). Платформа (18) закреплена на механизме (6) перемещения образца (40). Первый зажим (27) с зондом (28) установлены на подвижной каретке (26). Технический результат - снижение погрешности измерения поверхности образца. 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что магнитопрозрачный кантилевер соединен с магнитопрозрачной зондирующей иглой, вершина которой соединена с магнитопрозрачной сферой, выполненной из стекла со сквозными нанометровыми порами малого и большого диаметра, заполненными соответственно квантовыми точками структуры ядро-оболочка и магнитными частицами структуры ядро-оболочка. Техническим результатом является возможность одновременного сочетания магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн точечного воздействия с измерением механической реакции на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх