УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ КАНТИЛЕВЕРА В СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Российский патент 2005 года по МПК G12B21/00 

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, изучающей топографию и поверхностные свойства объектов, такие как магнитные, электрические, теплофизические, эластичные и т.д. Оно может быть использовано для возбуждения механических колебаний зонда (кантилевера) в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ).

Известен ультразвуковой сканирующий зондовый микроскоп [1] с устройством возбуждения колебаний кантилевера, содержащий держатель кантилевера с кантилевером, включающим основание с гибкой балкой, на конце которой закреплено острие, а также источник возбуждения колебаний гибкой балки относительно образца, выполненный в виде ультразвукового излучателя (УИ), сопряженного с образцом. При этом между УИ и образцом расположены жидкие слои.

Первый недостаток указанного устройства заключается в том, что в нем не используется корректировка положения острия зонда кантилевера по нормали к поверхности образца.

Второй недостаток связан с невозможностью колебаний гибкой балки кантилевера вокруг своей продольной оси.

Третий недостаток связан с ограниченными частотными характеристиками УИ. Все перечисленные недостатки сужают функциональные возможности ультразвукового СЗМ.

Кроме этого в известном устройстве возможны температурные дрейфы положения образца относительно острия зонда, связанные с нагревом УИ и размещением жидких слоев для обеспечения акустического контакта между УИ и образцом.

Следует заметить, что нагрев УИ и расположение жидких слоев также может сужать функциональные возможности устройства. Например, при нагреве ограничен выбор исследуемых материалов, таких как термолабильные биологические образцы, материалы с высоким коэффициентом термического расширения и т.п.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого решения.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии, содержащее держатель кантилевера с кантилевером, включающим основание с гибкой балкой, а также источник возбуждения колебаний гибкой балки относительно образца, введены блок поддержания положения гибкой балки и второй электрод, на гибкой балке кантилевера сформированы первая и вторая электропроводящие области с индивидуальным подключением, разделенные слоем диэлектрика и представляющие собой первый электрод, расположенный с возможностью взаимодействия со вторым электродом, а источник возбуждения колебаний кантилевера выполнен в виде первого электростатического привода, подключенного к первому электроду, в качестве которого используют две электропроводящие области, и ко второму электроду.

Существует вариант, в котором блок поддержания положения гибкой балки выполнен в виде второго электростатического привода, состоящего из источника постоянного электрического напряжения, первым концом подключенного к первому электроду, а вторым концом - ко второму электроду.

Существует также вариант, в котором первый электростатический привод выполнен в виде источника переменного электрического напряжения, первым концом подключенного к первому электроду, в качестве которого используют две электропроводящие области, а вторым концом - ко второму электроду.

Кроме этого, возможно использование в качестве второго электрода - образца, выполненного из электропроводящего материала, или электропроводящей пластины, имеющей диффузно отражающую поверхность со стороны, противоположной кантилеверу, и закрепленной на держателе кантилевера.

Возможно также выполнение первого электростатического привода в виде источника парафазного переменного электрического напряжения, первым концом соединенного с первой электропроводящей областью первого электрода, вторым концом - со второй электропроводящей областью первого электрода, а третьим концом - со вторым электродом.

Целесообразно также выполнение первого электростатического привода в виде сочетания источника переменного электрического напряжения и источника парафазного переменного электрического напряжения, при том, что источник переменного электрического напряжения подключен к первому и второму электродам, а источник парафазного переменного электрического напряжения первым концом соединен с первой электропроводящей областью первого электрода, вторым концом - со второй электропроводящей областью первого электрода, а третьим концом - со вторым электродом.

На фиг.1 изображена схема устройства электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии в общем виде.

На фиг.2 изображен кантилевер (вид снизу).

На фиг.3 изображена схема подключения источников электрического напряжения к кантилеверу и электропроводящему образцу.

На фиг.4 изображена схема подключения источников электрического напряжения к кантилеверу и электропроводящей пластине.

На фиг.5 изображен вариант подключения источника парафазного переменного электрического напряжения к двум электропроводящим областям на гибкой балке кантилевера.

На фиг.6 изображен вариант выполнения первого электростатического привода в виде сочетания источника переменного электрического напряжения и источника парафазного переменного электрического напряжения.

Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии содержит держатель кантилевера 1 (фиг.1) с кантилевером 2, включающим основание 3 с гибкой балкой 4, на конце которой закреплено острие 5. Держатель 1 может быть закреплен, например, на пьезосканере СЗМ (не показан). Кантилевер 2 при этом первым электродом (см. ниже) подключен к источнику возбуждения колебаний 6 (первому электростатическому приводу) гибкой балки 4 относительно второго электрода 7 и блоку поддержания положения 8 гибкой балки 4. На гибкой балке 4 кантилевера 2 сформированы первая 9 (фиг.2) и вторая 10 электропроводящие области с индивидуальным подключением к электронным блокам 6 и 8, разделенные слоем диэлектрика 11 и представляющие собой первый электрод, расположенный с возможностью взаимодействия со вторым электродом 7. Блок 8 может быть выполнен в виде второго электростатического привода, состоящего из источника постоянного электрического напряжения, подключенного к первому и второму электродам. Описание СЗМ, пьезосканеров и кантилеверов подробно изложено в [2, 3].

Первый электростатический привод 6 может состоять из источника 12 (фиг.3) переменного электрического напряжения, подключенного к первому электроду, в качестве которого используют две электропроводящие области 9 и 10 (фиг.2), и ко второму электроду, в качестве которого может быть использован образец 13 (фиг.3), выполненный из электропроводящего материала.

Блок поддержания положения 8 (фиг.1) гибкой балки 4 может быть выполнен в виде второго электростатического привода, состоящего из источника постоянного электрического напряжения 14 (фиг.3), также подключенного к первому (области 9 и 10) и второму (образец 13) электродам.

Существует вариант, в котором в качестве второго электрода используют электропроводящую пластину 15 (фиг.4), закрепленную на держателе кантилевера 1 с возможностью взаимодействия с кантилевером 2. Данный вариант используют в том случае, если образец 16 выполнен из диэлектрического материала. При этом пластина 15 может иметь юстировочную подвижку относительно гибкой балки 4, осуществляемую подгибом пластины 15 и подвижкой в зазорах крепежа при закреплении винтами (не показано). Возможно также закрепление пластины 15 посредством клея, припоя и т.п.

На держателе кантилевера 1 закреплен пружинный захват 17, содержащий два изолированных друг от друга токоподвода, расположенных с возможностью электрического взаимодействия с электропроводящими областями 9 и 10.

Пластина 15 и пружинный захват 17 могут быть изготовлены, например, из бериллиевой бронзы и закреплены на держателе кантилевера 1 через изоляторы (не показаны), либо держатель кантилевера 1 должен быть изготовлен из изолирующего материала. Размер пластины 15 должен быть таким, чтобы был оптический доступ к гибкой балке 4 со стороны ее свободного конца. Например, при длине гибкой балки 4, равной 100 мкм, длина пластины 15 может составлять величину порядка 50 мкм. При этом ее ширина может несколько превышать ширину гибкой балки 4, что позволит этому объекту быть более заметным в оптический микроскоп. Пластина 15 со стороны, противоположной кантилеверу, может иметь диффузно отражающую поверхность, что позволит проводить предварительную настройку сигнала на ней с большей степенью точности.

Существует вариант, где первый электростатический привод выполнен в виде источника парафазного переменного электрического напряжения 18 (фиг.5), соединенного первым и вторым концами с первой 9 и второй 10 электропроводящими областями индивидуальными выводами, а третьим концом - со вторым электродом 7.

Существует также вариант, в котором первый электростатический привод 6 (фиг.1) выполнен в виде сочетания источника переменного электрического напряжения 12 (фиг.6) и источника парафазного переменного электрического напряжения 18, при том, что источник переменного электрического напряжения 12 подключен к первому (области 9 и 10) и второму (7) электродам, а источник парафазного переменного электрического напряжения 18 первым концом подключен к первой электропроводящей области 9 первого электрода, вторым концом - ко второй электропроводящей области 10 первого электрода, а третьим концом - ко второму электроду 7. На фиг.5 и 6 в качестве электрода 7 может быть использован как электропроводящий образец 13 (фиг.3), так и электропроводящая пластина 15 (фиг.4).

Устройство работает следующим образом. Закрепляют кантилевер 2 с использованием пружинного захвата 17 на держателе 1, обеспечивая их электрические соединения. Используя блок поддержания 8 положения гибкой балки 4, выставляют ее требуемое первоначальное положение по координате Z. Переменное напряжение от первого электростатического привода 6 (фиг.1 и фиг.2) прикладывают к первому электроду в виде двух электропроводящих областей 9 и 10, разделенных слоем диэлектрика 11, и ко второму электроду 7. При этом из-за электростатического взаимодействия между ними возбуждаются механические колебания гибкой балки 4 кантилевера 2, что позволяет проводить анализ поверхности в бесконтактном режиме. Подробнее работу устройства смотри в [2, 3].

При функционировании устройства, изображенного на фиг.3, образец 13 должен быть изготовлен из электропроводящего материала. Используя источник постоянного электрического напряжения 14 и силы электростатического взаимодействия, осуществляют предварительную установку положения гибкой балки 4 относительно образца 13 по координате Z. При подаче переменных потенциалов между образцом 13 и гибкой балкой 4 с первым электродом возникают электростатические силы притяжения и отталкивания. Соответственно, при этом можно возбуждать механические колебания гибкой балки 4.

Специфика работы устройства, изображенного на фиг.4, заключается в том, что в процессе эксплуатации возможна юстировочная подвижка пластины 15 относительно кантилевера 2 с целью оптимизации силовых воздействий между ними. При этом, используя электростатическое взаимодействие, аналогично описанному выше, осуществляют колебания гибкой балки 4 и ее предварительную установку относительно образца 16.

Для того чтобы в процессе юстировки пластины 15 не повредить гибкую балку 4 кантилевера 2, может быть использован имитатор кантилевера в виде пружины, выполненной, например, из бериллиевой бронзы и повторяющей геометрическую форму гибкой балки кантилевера. Процесс установки кантилевера 2 происходит следующим образом. Берут основание 3 кантилевера 2 пинцетом и устанавливают его таким образом, что одна часть основания 3 ложится на держатель кантилевера 1, а другая на пластину 15. После этого сдвигают основание 3 в сторону пружинного захвата 17 и заводят под нее. После этого происходит фиксация основания 3 на держателе 1, что позволяет осуществить дальнейшее его движение, не опасаясь повредить гибкую пластину 4.

Процесс юстировки пластины 15 может происходить следующим образом. Держатель кантилевера 1 с имитатором кантилевера и пластиной 15 устанавливают в оптический микроскоп и выставляют размер между ними от 10 до 100 мкм путем подгиба пластины 15. Подготовленный таким образом держатель кантилевера 1 с пластиной 15 устанавливают в СЗМ и после этого вставляют кантилевер 2 с гибкой балкой 4.

Описанные выше варианты использования устройства позволяют исследовать поверхность образца в безконтактной моде, см., например [4].

Работа устройства, изображенного на фиг.5, заключается в попеременной подаче потенциалов от источника 18 на электропроводящие области 9 и 10, что при электростатическом взаимодействии с электродом 7 приводит к качанию гибкой балки 4 вокруг своей оси (О-О) по направлению В. В этом случае возможно изучать силу трения поверхности образца в зоне точечного измерения, проводить манипуляции со средой и т.п.

В устройстве, изображенном на фиг.6, объединены две описанные методики измерения.

Введение блока поддержания положения гибкой балки позволяет выбирать предварительный изгиб гибкой балки, что увеличивает Z-диапазон сканирующей зондовой микроскопии.

Формирование на гибкой балке кантилевера первой и второй электропроводящих областей с индивидуальным подключением, разделенных слоем диэлектрика и представляющих собой первый электрод, расположенный с возможностью взаимодействия со вторым электродом, позволяет на стадии изготовления кантилеверов проводить их оперативный контроль с целью корректировки, например, площадей электропроводящих областей. Кроме этого появляется возможность аппаратно устранять паразитные колебания балки кантилевера вокруг продольной оси, возникающие в результате погрешностей исполнения проводящих слоев. Это может быть осуществлено путем индивидуального подключения электропроводящих областей к дополнительным электронным блокам (не показаны).

Выполнение источника возбуждения колебаний гибкой балки кантилевера в виде первого электростатического привода, подключенного к первому и второму электродам, позволяет уменьшать тепловые нагрузки на конструкцию, что увеличивает возможный выбор исследуемых материалов.

Перечисленное расширяет функциональные возможности устройства с сохранением точностных характеристик.

Использование в качестве второго электрода образца из электропроводящего материала упрощает конструкцию устройства.

Выполнение второго электрода в виде электропроводящей пластины, закрепленной на держателе кантилевера, позволяет регулировать расстояние между ним и гибкой балкой кантилевера, что увеличивает возможность регулировки силовых воздействий на кантилевер и расширяет функциональные возможности устройства. Выполнение электропроводящей пластины с диффузно отражающей поверхностью со стороны, противоположной кантилеверу, позволяет наблюдать форму и размер лазерного луча, направляемого на гибкую балку кантилевера, при настройке СЗМ. Это позволяет упростить процедуру настройки СЗМ.

Выполнение первого электростатического привода в виде источника парафазного переменного электрического напряжения, первым концом соединенного с первой проводящей областью первого электрода, вторым концом - со второй проводящей областью первого электрода, а третьим концом - со вторым электродом, позволяет осуществлять колебания гибкой балки кантилевера вокруг продольной оси, что также расширяет функциональные возможности устройства.

Выполнение первого электростатического привода в виде сочетания источника переменного электрического напряжения и источника парафазного переменного электрического напряжения позволяет объединять описанные методики исследования поверхности образцов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент US № 5675075, G 01 B 5/28, 1997 г.

2. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы, том 12, №1, 1998 г., стр. 99-121.

3. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов. Успехи химии, 64 (8), 1995 г, стр. 818-833.

4. Положительное решение по заявке №2000131289 от 13.05.02 г.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и. может быть использовано для возбуждения механических колебаний зонда. Устройство содержит держатель кантилевера с кантилевером, включающим основание с гибкой балкой, источник возбуждения колебаний гибкой балки относительно образца, блок поддержания положения гибкой балки, второй электрод. На гибкой балке сформированы первая и вторая электропроводящие области. Области разделены слоем диэлектрика и представляют собой первый электрод. Первый электрод, расположен с возможностью взаимодействия со вторым электродом. Источник возбуждения колебаний кантилевера выполнен в виде первого электростатического привода. Электростатический привод подключен к первому электроду. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 1 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии, содержащее держатель кантилевера с кантилевером, включающим основание с гибкой балкой, а также источник возбуждения колебаний гибкой балки относительно образца, отличающееся тем, что в него введен блок поддержания положения гибкой балки, на гибкой балке кантилевера сформированы первая и вторая электропроводящие области с индивидуальным подключением, разделенные слоем диэлектрика и представляющие собой первый электрод, расположенный с возможностью взаимодействия со вторым электродом, а источник возбуждения колебаний кантилевера выполнен в виде первого электростатического привода, подключенного к первому и второму электродам.2. Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающееся тем, что блок поддержания положения гибкой балки выполнен в виде второго электростатического привода, состоящего из источника постоянного электрического напряжения, первым концом подключенного к первому электроду, а вторым концом ко второму электроду.3. Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающееся тем, что первый электростатический привод выполнен в виде источника переменного электрического напряжения, первым концом подключенного к первому электроду, в качестве которого используют две электропроводящие области, а вторым концом - ко второму электроду.4. Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии по п. 1 или 3, отличающееся тем, что в качестве второго электрода используют образец, выполненный из электропроводящего материала.5. Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии по п. 1 или 3, отличающееся тем, что в качестве второго электрода используют электропроводящую пластину, имеющую диффузно-отражающую поверхность со стороны, противоположной кантилеверу, и закрепленную на держателе кантилевера.6. Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающееся тем, что первый электростатический привод выполнен в виде источника парафазного переменного электрического напряжения, первым концом соединенного с первой электропроводящей областью первого электрода, вторым концом - со второй электропроводящей областью первого электрода, а третьим концом - со вторым электродом.7. Устройство электростатического возбуждения колебаний кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии по п.1, отличающееся тем, что первый электростатический привод выполнен в виде сочетания источника переменного электрического напряжения и источника парафазного переменного электрического напряжения, при этом источник переменного электрического напряжения подключен к первому и второму электродам, а источник парафазного переменного электрического напряжения подключен первым концом к первой электропроводящей области первого электрода, вторым концом - ко второй электропроводящей области первого электрода, а третьим концом - ко второму электроду.