Способ измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде



Способ измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде

 


Владельцы патента RU 2570239:

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

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 приборостроения, преимущественно к измерительной технике, и может быть использовано в цитологии, в биохимии для изучения распределения химического состава с нанометровым пространственным разрешением, для изучения термодинамических свойств материалов также с нанометровым разрешением.

Известен способ измерения собственных частот колебаний молекулы, заключающийся в том, что острие зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) подводится к поверхности и облучается светом лазера. Возбуждаемый при этом плазмон, благодаря соответствию его спектра спектру колебаний молекулы, в частности колебаниям, отвечающим за рамановское излучение, позволяет судить о колебательном спектре молекулы, расположенной под острием зонда [R. Zhang, Y. Zhang, Z.С. Dong, S. Jiang, С. Zhang, L.G. Chen, L. Zhang, Y. Liao, J. Aizpurua, Y. Luo, J.L. Yang and J. G. Hou. Chemical mapping of a single molecule by plasmon-enhanced Raman scattering. Nature 498, 82-86 (06 June 2013)]. Точное соответствие плазмонного спектра и колебательного спектра молекулы достигается благодаря возможности точно изменять расстояние от острия зонда до поверхности.

К недостаткам такого способа исследования энергетических спектров элементарных возбуждений (квазичастиц) относятся:

- исследуемый спектральный диапазон ограничен диапазоном возможных собственных частот возбуждаемого плазмона;

- можно изучать только те квазичастицы, которые напрямую или опосредованно взаимодействуют со светом;

- изучаемая молекула должна быть расположена на проводящей поверхности, что не всегда возможно по условиям постановки эксперимента.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения, включающий облучение лучом лазера острия иглы кантилевера атомно-силового микроскопа (АСМ). Далее, после отражения измеряется интенсивность и фаза отраженного света, таким образом можно получить значение комплексных оптических констант изучаемого материала с разрешением, определяемым радиусом острия иглы кантилевера [R. Hillenbrand and F. Keilmann. Complex Optical Constants on a Subwavelength Scale. Phys. Rev. Lett. 85, 3029; Fritz Keilmann, Rainer Hillenbrand. Near-field microscopy by elastic light scattering from a tip.Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 2004, 362, 787-805]. Изменяя частоту падающего излучения, можно получать спектры поглощения электромагнитного излучения исследуемого материала, как следствие, можно получить спектры фононов, экситонов. Достоинством данного способа является возможность изменять частоту падающего электромагнитного излучения в очень широких пределах [A.J. Huber, F. Keilmann, J. Wittborn, J. Aizpurua and R. Hillenbrand. Terahertz Near-Field Nanoscopy of Mobile Carriers in Single Semiconductor Nanodevices. Nano Lett., 2008, 8 (11), pp 3766-3770; Hongzhou Ma and Jeremy Levy. GHz Apertureless Near-Field Scanning Optical Microscopy of Ferroelectric Nanodomain Dynamics. Nano Lett., 2006, 6 (3), pp 341-344]. К недостаткам такого способа относятся:

- относительная сложность получения высокого разрешения из-за концентрации ближнего поля снаружи зонда;

- можно изучать только те квазичастицы, которые напрямую или опосредованно взаимодействуют со светом.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в измерении энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде (фононов, плазмонов, магнонов, поляритонов и др.), при этом латеральное разрешение при измерениях определяется радиусом острия иглы кантилевера, снимается ограничение на способность квазичастиц взаимодействовать со светом, а также появляется возможность проводить анализ химического состава поверхности с латеральным разрешением порядка радиуса острия зонда кантилевера.

Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде включает в себя возбуждение квазичастиц с нужными свойствами, распространение квазичастиц вдоль иглы кантилевера, отражение квазичастиц от границы раздела острие иглы кантилевера/поверхность образца или от границы раздела острие иглы кантилевера/окружающая среда, повторное распространение отраженных квазичастиц вдоль иглы кантилевера, регистрацию отраженных квазичастиц, обработку полученной информации и восстановление спектра квазичастиц в исследуемом образце. В процессе распространения потока квазичастиц вдоль иглы кантилевера он ослабляется и рассеивается. Эти процессы могут быть учтены расчетом. Для случая фононов можно использовать математические модели, приведенные в книгах [Ф. Басс; В. Бочков и Ю. Гуревич. Электроны и фононы в ограниченных полупроводниках. Наука, 1984, 288 с., М. Строшио, М. Дутта. Фононы в наноструктурах. ФИЗМАТЛИТ, 2006, 320 с.].

В общем случае распространение квазичастиц описывается кинетическими уравнениями, которые являются существенно нелинейными из-за интеграла столкновений [Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика. Т. 10. Физическая кинетика. Наука, 1979, 528 с. ]. Для важного частного случая, когда кинетические уравнения движения квазичастиц можно линеаризовать (например, когда излучаемый генератором избыток квазичастиц над их равновесным числом намного меньше их равновесного числа), комплексный коэффициент отражения , который по определению равен

где - комплексная функция распределения квазичастиц по энергии, описывающая число отраженных от границы раздела острие иглы кантилевера/поверхность квазичастиц, - комплексная функция распределения квазичастиц по энергии, пришедших к месту касания иглой кантилевера исследуемого образца от генератора квазичастиц, можно выразить через непосредственно измеряемые функции и , где - комплексная функция распределения квазичастиц по энергии, излучаемых генератором квазичастиц, - комплексная функция распределения квазичастиц по энергии, принимаемых детектором квазичастиц, следующим образом:

где комплексный коэффициент - описывает долю частиц, передаваемую от генератора к детектору через отражение от исследуемого образца, а комплексный коэффициент - описывает долю частиц, передаваемую от генератора к детектору, минуя отражение от исследуемого образца, через диффузионное рассеяние. Коэффициенты и в линейном приближении зависят только от свойств иглы кантилевера и условий измерения. Зная коэффициенты и , можно по результатам измерений на генераторе квазичастиц и детекторе квазичастиц найти коэффициент отражения . Коэффициенты и можно найти через расчеты на основе линеаризованных кинетических уравнений.

Измерение энергетических спектров квазичастиц производится при касании острием иглы кантилевера поверхности исследуемого образца. При этом происходит отражение части потока квазичастиц в иглу кантилевера, а часть потока квазичастиц рассеивается в образце. При обработке результатов измерения должно учитываться затухание потока квазичастиц в игле кантилевера и квазичастицы диффузионно рассеянные в игле кантилевера. В этом случае можно найти как относительное значение коэффициента отражения в двух соседних точках исследуемого образца, так и его точное значение в каждой точке.

Термодинамические функции находятся расчетным путем с помощью суммирования экспоненциальных членов по известным формулам статистической физики, предполагая, что существенную часть энергетического спектра квазичастиц мы смогли измерить.

Отличительным признаком предложенного способа является использование квазичастиц, распространяющихся вдоль иглы кантилевера и отражающихся от границы раздела острие зонда/исследуемая поверхность, для определения в данной точке зависимости от энергии квазичастиц отражательной способности поверхности, по которой и рассчитывается энергетический спектр квазичастиц. Использование такого способа измерения позволяет повысить разрешение при измерении энергетических спектров, повысить помехозащищенность и воспроизводимость результатов измерения, расширить возможности метода за счет более широкого выбора способов возбуждения квазичастиц и более точного их позиционирования на образце.

Также отличительной особенностью заявляемого способа является то, что измеряется комплексное значение коэффициента отражения в данной точке, а не относительное значение комплексного коэффициента отражения в двух соседних точках, либо относительное значение комплексного коэффициента отражения квазичастиц при разных энергиях.

Также отличительной особенностью заявляемого способа является то, что энергетический спектр квазичастиц находится по результатам измерения зависимости величины отражательной способности поверхности от энергии падающих и отраженных для границы раздела острие иглы кантилевера/исследуемая поверхность.

Примеры технической реализации заявляемого метода.

Схема атомно-силового микроскопа (АСМ) для измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде изображена на рис. 1. Устройство включает кантилевер 1 с иглой 2 и острием 3, образец 4, систему 3D позиционирования 5, генератор квазичастиц 6, детектор квазичастиц 7.

Способ измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде реализуется следующим образом (рис. 1). Генератор 6 излучает квазичастицы 8 с заданным энергетическим распределением в иглу 2 кантилевера 1, которые распространяются вдоль иглы к границе раздела острие зонда 3 кантилевера/поверхность исследуемого образца 4, частично отражаются от этой поверхности обратно в иглу 2, частично рассеиваются (10) в исследуемом образце 4. Отраженные квазичастицы 9 регистрируются детектором 7 и вычисляется ослабление потока квазичастиц, а также их энергетическое распределение. Ослабление потока квазичастиц и изменение их энергетического распределения зависит как от пути, пройденного квазичастицами вдоль иглы кантилевера, так и от величины отражательной способности границы раздела острие иглы кантилевера/поверхность и вида отражения -зеркальное или диффузное. Зависимость отражательной способности границы раздела острие иглы кантилевера/исследуемая поверхность от энергии квазичастиц изучается либо путем перестройки энергии излучаемых генератором квазичастиц, либо путем излучения генератором пучка частиц с широким спектром. Во втором случае для нахождения энергетического спектра квазичастиц необходимо использовать методы гармонического анализа.

Измерение энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде с помощью зондовых микроскопов позволяет решить многие актуальные вопросы физики конденсированных сред, молекулярной биологии, в частности, такие вопросы, как исследование химического состава поверхности с нанометровым разрешением, изучение термодинамических свойств образцов с нанометровым разрешением, исследование кинетики физических процессов.

Способ измерения энергетических спектров квазичастиц в конденсированной среде, включающий возбуждение квазичастиц с нужными свойствами, распространение, отражение, повторное распространение отраженных квазичастиц, регистрацию отраженных квазичастиц, обработку полученной информации и восстановление спектра квазичастиц в исследуемом образце, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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. 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.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений по трем взаимоортогональным осям. Интерферометр содержит одночастотный лазер, коллиматор для ввода излучения в транспортное волокно, коллиматор, вводящий излучение в оптическую схему, акустооптический модулятор, формирующий опорное и измерительное плечи интерферометра, поляризационный светоделитель, позволяющий развести лучи на расстояние, достаточное для их независимого использования зеркалами, систему зеркал, которая расположена вокруг пьезоэлектрического стола, триппель-призмы, закрепленные на пьезоэлектрическом столе так, что их оси симметрии проходят через центр вращения пьезоэлектрического стола, фотоприемники, подключенные к соответствующим измерительным входам фазометра, а также генератор сдвиговой частоты, связанный с акустооптическим модулятором и опорным входом фазометра. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов оптической системы, уменьшение собственных шумов за счет уменьшения колебаний значений показателя преломления воздуха и уменьшения ошибки Аббе. 1 з.п. ф-лы, 1 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 электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой, вершина которой продета через магнитопрозрачную сферу, выполненную 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 характеристик электрического сигнала на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство манипулирования относится к области точной механики и может быть использовано для точного перемещения объектов, например, в зондовой микроскопии. Заявленное устройство манипулирования включает основание (1) с блоком направляющих, на котором установлена подвижная каретка (2), включающая блок опор, сопряженная с блоком направляющих посредством блока опор, и привод (13), сопряженный с рычагом (18), имеющий возможность разъемного соединения с подвижной кареткой (2) Согласноизобретению подвижная каретка (2) установлена на блоке направляющих при помощи блока опор с возможностью однозначной установки в рабочее положение, при этом подвижная каретка (2) в рабочем положении имеет минимум потенциальной энергии. Технический результат изобретения заключается в повышении точности перемещения устройства манипулирования. 16з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может использоваться в условиях ограниченного доступа к зондам, например, в вакууме или агрессивной среде. Многозондовый датчик контурного типа содержит основание, на котором по внешнему контуру первыми концами закреплены гибкие консоли с зондами, имеющими заострения на вторых концах, где гибкие консоли с зондами представляют собой зондовые модули (8). Основание включает установочный модуль, имеющий координатную привязку с зондовыми модулями (8) и включающий первый выступ (55), второй выступ (56) и отверстие (57). Технический результат - обеспечение возможности быстрой смены зондов. 11 ил.
Наверх