Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп, использующий квазичастицы



Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп, использующий квазичастицы
Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп, использующий квазичастицы
Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп, использующий квазичастицы

 


Владельцы патента RU 2563339:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" (RU)

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 области приборостроения преимущественно к измерительной технике. Оно может быть использовано, например, для изучения пространственного распределения упругих и вязкоупругих свойств поверхности, в частности, в терагерцовом диапазоне, в цитологии, биохимии для изучения распределения химического состава с нанометровым пространственным разрешением, для исследования магнитных свойств, для получения 3-D изображения приповерхностных слоев с нанометровым разрешением и т.д.

Известны устройства, включающее в себя АСМ, ультразвуковой генератор, возбуждающий колебания в подложке, и дополнительное измерительное устройство, позволяющее обнаруживать колебания зонда АСМ на частоте существенно выше, чем резонансная частота кантилевера. При подаче акустического сигнала на подложку часть сигнала передается на зонд кантилевера, в результате чего кантилевер начинает совершать колебания с частотой, задаваемой ультразвуковым генератором. Эти колебания детектируются дополнительным измерительным устройством. По амплитуде и сдвигу фаз колебаний кантилевера можно судить о механических свойствах исследуемой поверхности [Acoustic microscope. Patent USA No.: 5675075; Near field acoustic ultrasonic microscope system and method. Patent USA No.: 5319977].

Недостатки этих устройств заключаются в ограниченности частотного диапазона, в котором возбуждаются колебания подложки, а также в невозможности изучать химический состав исследуемой поверхности.

Известно устройство, включающее в себя АСМ, работающий в режиме амплитудной модуляции, в котором для возбуждения колебаний кантилевера используются две гармоники. Изменения амплитуды колебаний кантилевера на основной гармонике служат для построения топографического изображения поверхности. В то же время изменения сдвига фазы колебаний кантилевера на второй возбуждающей гармонике связаны с химическим составом поверхности. Такой АСМ позволяет, кроме получения топографического изображения поверхности и изучения вязкоупругих свойств поверхности, получать изображения, показывающие химический контраст поверхности [Method of using an atomic force microscope and microscope. Patent USA No.: 7921466].

Это устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога предложенного решения.

Первый недостаток этого устройства заключается в ограниченности частотного диапазона, в котором возбуждаются колебания кантилевера. Второй недостаток этого устройства заключается в том, что оно исследует изменение химического состава (химический контраст) поверхности, а не химический состав. Третий недостаток этого устройства заключается в невозможности изучать физические свойства поверхности для различных элементарных возбуждений (квазичастиц).

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей АСМ, позволяющем исследовать физические свойства поверхности образца для различных квазичастиц, которые могут существовать в твердом теле, с нанометровым разрешением. В частности, если в качестве элементарных возбуждений взять оптические фононы с частотами в терагерцовом диапазоне, то возможен анализ не только физических свойств, но и химический анализ исследуемой поверхности. Кроме того, для тех элементарных возбуждений, которые допускают измерение сдвига фаз, в частности, для акустических фононов, возможно построение 3-D изображений приповерхностных областей с нанометровым разрешением [Nearfield acoustic holography: I. Theory of generalized holography and the development of NAH. J. Acoust. Soc. Am. 78, 1395 (1985); Nearfield acoustic holography (NAH) II. Holographic reconstruction algorithms and computer implementation. J. Acoust. Soc. Am. 81, 1307 (1987); Earl G. Williams, Fourier Acoustics: Sound Radiation and Nearfield Acoustical Holography. 1999].

Указанный технический результат достигается тем, что в атомно-силовом микроскопе, использующем квазичастицы, включающем кантилевер, иглу кантилевера, систему обнаружения и регистрации отклонения кантилевера, которая содержит лазер, отражательную поверхность кантилевера и 4-секционный фотодиод с входным усилителем, систему 3-D позиционирования образца, контроллер атомно-силового микроскопа (АСМ), в отличие от аналога в конструкцию кантилевера дополнительно введены генератор и детектор квазичастиц, а также дополнительный контроллер.

Суть изобретения заключается в том, что благодаря генератору квазичастиц появляется возможность излучать квазичастицы в иглу кантилевера, а благодаря детектору квазичастиц регистрировать квазичастицы, отраженные от границы раздела острие иглы/исследуемая поверхность, дополнительный контроллер обрабатывает результаты измерений и строит карту отражательной способности поверхности.

При использовании в качестве квазичастиц фононов в качестве генератора фононов используется квантовый генератор звука (фазер), также фазер используется как детектор квазичастиц.

Также при использовании в качестве квазичастиц фононов в качестве генератора фононов используется оптический пьезогенератор (ОПГ) с накачкой фемтосекундным лазером и этот же ОПГ с задержанным зондирующим импульсом от фемтосекундного лазера используется как детектор фононов.

При использовании в качестве квазичастиц магнонов в качестве генератора магнонов используется пленка железоиттриевого граната с микрополосковыми линиями для подвода возбуждающего электромагнитного СВЧ-излучения и в качестве детектора магнонов используется пленка железоиттриевого граната с микрополосковыми линиями для отвода СВЧ-излучения с амплитудным и фазовым детекторами.

Примеры технической реализации заявляемого АСМ.

Схема АСМ изображена на рис. 1. Заявляемое устройство содержит кантилевер 1 с иглой 1а, систему обнаружения и регистрации отклонения кантилевера, включающую лазер 2, отражательную поверхность кантилевера 3, 4-секционный фотодиод с входным усилителем 4, систему для 3-D позиционирования образца 5, контроллер АСМ 6, дополнительный контроллер (ДК) 7, генератор квазичастиц 11, детектор квазичастиц 12.

Свет лазера 2 падает на отражательную поверхность кантилевера 3, расположенную над иглой кантилевера 1а. Отраженный свет лазера падает на 4-секционный фотодиод 4, с выхода которого дифференциальный сигнал после усиления и преобразования в цифровую форму поступает в контроллер микроскопа 6 и на систему 3-D позиционирования образца 5. Реализация генератора квазичастиц 11 и детектора квазичастиц 12 зависит от вида используемых квазичастиц: прямые и отраженные квазичастицы 9 в игле 1а, рассеянные квазичастицы 10 в образце 8.

Игла кантилевера 1а используется как проводник, подводящий квазичастицы 9, создаваемые генератором квазичастиц 11, к поверхности и отводящий отраженные от поверхности квазичастицы 9 к детектору квазичастиц 12. Доля квазичастиц, полученных детектором 12, зависит от отражательных свойств границы раздела - острие иглы кантилевера 1а/исследуемая поверхность образца 8, а также от способности иглы кантилевера 1а проводить и рассеивать квазичастицы. Дополнительный контроллер 7 подает управляющие сигналы на генератор квазичастиц 11 и на детектор квазичастиц 12, получает на вход сигналы от генератора квазичастиц 11 и от детектора квазичастиц 12, формирует изображение на основе этих сигналов.

В момент, когда игла АСМ находится в контакте с поверхностью, генератор квазичастиц 11 излучает квазичастицы. Квазичастицы, двигаясь вдоль иглы, достигают места, где игла касается поверхности. При этом часть частиц отражается от границы раздела острие иглы/поверхность и распространяется обратно вдоль иглы к детектору квазичастиц, а часть квазичастиц, преломившись через границу раздела острие иглы/поверхность, рассеивается в изучаемом образце, частично поглощаясь в нем, частично проходя сквозь него. В общем случае можно регистрировать как отраженные от поверхности образца квазичастицы, так и прошедшие сквозь него. Однако длина свободного пробега квазичастиц, как правило, невелика и в зависимости от условий измерения и используемых материалов лежит в диапазоне 10 нм - 10 мкм. Поэтому во всех случаях, если речь не идет о сверхтонких пленках, целесообразно регистрировать отраженные от образца квазичастицы. Детектор 12 регистрирует долю отраженных квазичастиц. В зависимости от конструкции детектора 12 он также может регистрировать фазу отраженных квазичастиц. Доля отраженных частиц зависит от свойств исследуемой поверхности в данной точке. Таким образом, регистрируя долю отраженных квазичастиц, контроллер ДК 7 может построить карту распределения отражательных свойств изучаемой поверхности по отношению к квазичастицам. В свою очередь, отражательные свойства поверхности связаны с мелкими примесными энергетическими уровнями приповерхностной области образца и с собственными глубокими энергетическими уровнями образца. В свою очередь, мелкие энергетические уровни связаны с наличием на поверхности тех или иных химических соединений и со структурой поверхности образца, а глубокие энергетические уровни связаны с объемными физико-химическими свойствами материала, из которого изготовлен образец.

При использовании в качестве квазичастиц фононов генератор квазичастиц 11 - это фазер, детектор квазичастиц 12 - тоже фазер, служащий для приема отраженных от поверхности фононов. Сам зонд кантилевера может быть оптимизирован для подведения фононов к поверхности образца и отведения отраженных фононов [Phonon Laser Action in a Tunable Two-Level System. PRL 104, 083901 (2010); Coherent Terahertz Sound Amplification and Spectral Line Narrowing in a Stark Ladder Superlattice. PRL 104, 085501 (2010); Phonon lasers gain a sound foundation. Physics 3, 16(2010)].

Так же при использовании в качестве квазичастиц фононов блоки 11, 12 могут быть изменены, дополнительно введен блок 13, см. рис.2. Блок 11 представляет собой фемтосекундный лазер совместно с регулируемой линией задержки. В его задачу входит генерирование пар фемтосекундных лазерных импульсов, причем второй импульс задержан относительно первого на заданную величину, задаваемую ДК 7, порядка пикосекунд. Первый лазерный импульс служит для возбуждения фононов в игле кантилевера АСМ 1а с помощью оптического пьезогенератора (ОПГ) 12. Второй лазерный импульс используется для приема фононов. После отражения от ОПГ 12 амплитуда лазерного импульса оказывается промодулированной рассеянными от поверхности фононами 9, его амплитуда измеряется с помощью приемника 13 [Generating coherent THz phonons with light pulses. Solid State Communications, Volume 102, Issues 2-3, April 1997, Pages 207-220; Evidence for the Generation of Coherent Longitudinal Acoustic Phonons through the Resonant Absorption of Pulsed Far-Infrared Laser Radiation in Silicon Doping Superlattices. Chinese journal of physics, vol. 49, no. 1 p. 118; Coherent Phonon Generation and Detection by Picosecond Light Pulses. Phys. Rev. Lett. 53, 989 (1984)]. Цифрой 10 помечены рассеянные в образце фононы.

Схема устройства при измерениях с использованием магнонов изображена на рис.3. Назначение блоков на рис.3 аналогично назначению блоков на рис. 1, за исключением блоков 11-15. Блок 11 представляет собой СВЧ-генератор электромагнитных колебаний гигагерцового диапазона, выход которого подключен к пленке железо-иттриевого граната (ЖИГ) 12, преобразующей электромагнитные колебания в спиновые волны (СВ). Конструкция иглы кантилевера 1а сделана такой, что СВ 9 распространяются вдоль иглы до контакта острия иглы 1а с исследуемой поверхностью образца 8, здесь СВ отражаются(9)/преломляются(10) на границе острие иглы/поверхность и отраженная волна 9 возвращается к пленке ЖИГ 13, здесь СВ преобразуется в электромагнитные СВЧ колебания, которые детектируются по амплитуде и фазе, соответственно, детекторами 14 и 15 и поступают на вход ДК 7 [Гуревич А.Г. и др. Магнитные колебания и волны. 1994].

Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что изображение поверхности в АСМ-микроскопе строят в зависимости от величины отражательной способности для используемых квазичастиц для границы раздела острие иглы кантилевера/исследуемая поверхность, что позволяет изучать с нанометровым разрешением такие физические свойства поверхности, которые ранее не были доступны для столь детального исследования.

Применение квазичастиц в зондовых микроскопах позволяет решить, в частности, такие вопросы исследования физико-химии поверхности, как исследование химического состава поверхности с нанометровым разрешением, исследование кинетики физических процессов с нанометровым разрешением.

Отражательная способность поверхности может быть как действительной величиной, так и комплексной. Во втором случае, зная сдвиг фазы между опорным сигналом и отраженным сигналом, можно, используя известные методы построения голографических изображений, построить 3D изображение приповерхностной области исследуемого образца.

Отличительные признаки технического решения в заявляемом атомно-силовом микроскопе, использующем для получения изображения квазичастицы, позволили получить эффект, заключающийся в расширении функциональных возможностей АСМ. В частности, появилась возможность изучать динамику поведения квазичастиц на поверхности с нанометровым разрешением, при использовании оптических фононов, с частотами в терагерцовом диапазоне, проводить химический анализ поверхности, при одновременном измерении сдвига фазы, строить 3-D изображения приповерхностных областей.

1. Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп, содержащий 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, отличающийся тем, что кантилевер имеет дополнительное устройство для генерации квазичастиц и дополнительное устройство для приема квазичастиц, отраженных от поверхности исследуемого образца, а также дополнительный контроллер для построения карты отражающей способности поверхности.

2. Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного устройства для генерации фононов используется фазер и в качестве дополнительного устройства для приема фононов также используется фазер.

3. Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного устройства для генерации фононов используется оптический пьезогенератор с накачкой фемтосекундным лазером и в качестве дополнительного устройства для приема фононов также используется детектирование с помощью оптического пьезогенератора и фемтосекундного лазера.

4. Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного устройства для генерации магнонов используются пленки железоиттриевого граната с микрополосковыми линиями и в качестве дополнительного устройства для приема магнонов также используются пленки железоиттриевого граната с микрополосковыми линиями.

5. Атомно-силовой сканирующий зондовый микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что дополнительное устройство для приема квазичастиц, отраженных от поверхности исследуемого образца, кроме амплитуды принимаемых квазичастиц позволяет определять сдвиг фазы по отношению к излучаемым квазичастицам, что позволяет строить объемные изображения приповерхностных областей.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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).

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.

Использование: для обнаружения дефектов посредством ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что главный корпус преобразователя имеет на своем переднем торце осциллирующую пластину, имеющую на виде сбоку изогнутую форму и соответствующую изогнутой с большим диаметром поверхности, образованной на изгибе слоистой части.

Изобретение относится к средствам фотоакустической визуализации. Устройство получения информации о субъекте содержит блок акустического преобразования, выполненный с возможностью принимать акустическую волну, генерируемую при облучении субъекта светом, и преобразовывать акустическую волну в электрический сигнал, и блок обработки, выполненный с возможностью получения поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности от света, падающего на поверхность субъекта, на основании информации о форме поверхности субъекта, получения распределения интенсивности света внутри субъекта на основании поверхностного распределения интенсивности света или поверхностного распределения освещенности и получения распределения оптических свойств внутри субъекта на основании электрического сигнала и распределения интенсивности света внутри субъекта.

Использование: для ультразвукового контроля. Сущность изобретения: система ультразвукового контроля объекта, содержащая множество передающих блоков и приемные блоки, при этом каждый передающий блок выполнен с возможностью генерировать ультразвуковые колебания на поверхности объекта и/или в объекте, причем каждый приемный блок выполнен с возможностью оптически измерять колебание поверхности объекта; приемный блок выполнен с возможностью принимать свет, падающий на него из зоны измерения; соответствующему приемному блоку соответствует одна зона измерения, так что приемный блок принимает свет, падающий на него из зоны измерения, при этом каждый передающий блок создает искровой промежуток, причем указанный искровой промежуток создает на поверхности и/или в объекте ультразвуковые колебания, причем между искровым промежутком и зоной измерения размещен экран, приемный блок включает в себя осветительный лазер, свет которого освещает поверхность в зоне измерения, и световодную систему, выполненную с возможностью излучать свет лазера в своем первом положении в первую зону измерения, а во втором положении - во вторую зону измерения, световодная система выполнена с возможностью разделять свет лазера и излучать его в одну или другую зоны измерения.

Изобретение относится к области ультразвуковых устройств и может быть использовано в медицинской терапевтической или диагностической системе. .

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к ультразвуковым зондам для диагностики живого тела. .

Изобретение относится к преобразователям для контроля целостности металлических изделий с помощью ультразвука, например для контроля трубопроводов. .

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к средствам определения текстурной анизотропии, толщины и напряженно-деформированного состояния конструкций и проката типа лент, полос, труб и др.

Изобретение относится к электромагнитным акустическим преобразователям для контроля ферромагнитных материалов, в частности, помимо прочего, газопроводов. .

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно к устройствам для контроля геометрических параметров технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК.

Использование: для неразрушающего контроля деталей ультразвуком при погружении. Сущность изобретения заключается в том, что установка для контроля посредством ультразвука при погружении трубчатой детали с цилиндрической стенкой (2), заканчивающейся концевыми поперечными фланцами (3, 4), содержит ультразвуковые преобразователи излучатель (21) и приемник (22), управляемые при контакте с жидкостью взаимодействия, предназначенные для установки на одной линии соответственно с обеих сторон фланца, подлежащего контролю, и конструкцию (23) в виде U-образной или С-образной скобы (24), на торцах противоположных ветвей (26, 27) которой соответственно расположены преобразователь-излучатель (21) и преобразователь-приемник (22), находящиеся на одной линии относительно друг друга с образованием между собой пространства (32) для относительного прохождения фланца (3, 4), подлежащего контролю, и основание (28) которой шарнирно установлено в торце подвижного управляемого плеча (25), при этом она содержит короб для погружения (36), в котором расположена конструкция (23) в виде скобы (24), на которой находятся преобразователи (21, 22) и которая содержит жидкость для взаимодействия преобразователей между собой, причем упомянутый короб имеет соответствующую форму, чтобы быть расположенным на фланце (3, 4), подлежащем контролю, и включает в себя две части (37, 38), выполненные с возможностью зацепляться с и герметично перекрывать поперечный фланец и смежную цилиндрическую стенку трубчатой детали. Технический результат: обеспечение возможности полного контроля отдельных частей трубчатых деталей, а также сокращение габаритных размеров установки. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх