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.
