Способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек Российский патент 2017 года по МПК G01Q60/38 G01Q70/08 B82Y35/00 

Изобретение относится к области приборостроения преимущественно к измерительной технике. Оно может быть использовано, например, в материаловедении при исследовании химического состава образцов с нанометровым пространственным разрешением, фононного спектра изучаемых образцов, при исследовании закономерностей поведения наноструктур на поверхности с целью дальнейшей разработки наноустройств.

Известен способ исследования объектов, называемый флуоресцентной микроскопией. В рамках этого метода какие-то интересующие исследователя элементы (молекулы, клетки и т.д.) помечаются специфическими флуоресцентными метками. Далее объект освещается лучом лазера, заставляющего эти метки флуоресцировать. После этого может быть построено изображение исследуемого объекта по флуоресцентным меткам, которое показывает пространственное распределение интересующих исследователя элементов и то, как с течением времени это распределение меняется. Также может быть исследовано время флуоресценции, анизотропия, спектры и кинетика флуоресценции, могут быть использованы и более сложные методы анализа с использованием флуоресценции [Optical Fluorescence Microscopy: From the Spectral to the Nano Dimension Summary, ed. By A. Diaspro, Springer, 2011; Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. 1986. 488].

К недостаткам такого способа исследования с помощью флуоресценции относится:

- низкое разрешение без использования сверхразрешения;

- невозможность управлять положением флуоресцентной метки при использования сверхразрешения.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является способ возбуждения и регистрации оптических фононов в игле кантилевера атомно-силового микроскопа (АСМ), который позволяет возбуждать и регистрировать оптические фононы на острие иглы кантилевера АСМ непосредственно вблизи исследуемой поверхности, а за счет тесной механической связи острия иглы кантилевера с исследуемой поверхностью исследовать спектры оптических фононов исследуемого образца.

К недостаткам такого способа возбуждения и регистрации оптических фононов в игле кантилевера АСМ относятся:

- довольно сложная экспериментальная техника, предполагающая использование фемтосекундного лазера;

- ограниченный функционал, позволяющий экспериментатору работать только с оптическими фононами.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении используемой экспериментальной техники, с одной стороны, и в увеличении возможностей в исследовании физических явлений на поверхности с нанометровым пространственным разрешением (химический состав, вязкоупругие свойства, диэлектрическая проницаемость и т.д.), с другой стороны.

Указанный технический результат достигается тем, что способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек, включающий облучение лазером активного слоя материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, прижатой к исследуемому образцу, возбуждение и регистрацию в нем оптических фононов, обработку полученной информации, отличается тем, что в качестве слоя материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, служит взаимодействующая с исследуемой поверхностью квантовая точка, в которой возбуждаются электроны с помощью импульса лазерного излучения, далее с помощью регистрирующего устройства, сфокусированного на квантовой точке, регистрируется флуоресцентное излучение, которое высвечивается квантовой точкой, обрабатывают полученную информацию, и на основании характеристик флуоресцентного излучения делается вывод о свойствах среды, в которой находится квантовая точка.

В отличие от наиболее близкого аналога можно использовать квантовые точки различного состава и устройства, что позволит исследовать не только спектр оптических фононов, но и другие свойства поверхности, доступные методам флуоресцентной спектроскопии. Кроме того, при экспериментах не требуется фемтосекундный лазер.

Характер флуоресцентного излучения зависит от непосредственного окружения квантовой точки, закрепленной на острие иглы кантилевера.

Отличительным признаком предложенного способа является использование флуоресцентного излучения, генерируемого квантовой точкой, закрепленной на острие иглы кантилевера, после ее возбуждения лучом лазера. За счет механического контакта между квантовой точкой и исследуемой поверхностью свойства флуоресцентного излучения зависят от свойств поверхности. Благодаря тому что квантовая точка размещена на острие иглы кантилевера, появляется возможность точно позиционировать ее размещение на исследуемой поверхности.

Примеры технической реализации заявляемого метода.

Схема устройства для исследования поверхности на АСМ с помощью флуоресцентных квантовых точек изображена на рис. 1. Устройство включает лазер 1, кантилевер 2, иглу кантилевера 3, острие иглы кантилевера 4, квантовую точку 5, закрепленную на острие иглы кантилевера 4, исследуемый образец 6, систему регистрации флуоресцентного излучения 7.

Способ исследования поверхности на АСМ с помощью флуоресцентных квантовых точек реализуется следующим образом (рис. 1). Лазер 1 генерирует импульс, который возбуждает квантовую точку 5, закрепленную на острие иглы кантилевера 4 и прижатую к исследуемому образцу 6. Возбужденное состояние квантовой точки высвечивается в виде флуоресцентного излучения, которое регистрируется системой регистрации 7. Благодаря тесному механическому контакту квантовой точки 4 с исследуемым образцом 6 характеристики флуоресцентного излучения зависят от свойств поверхности, на которые настроена квантовая точка. Таким образом, изучая характеристики флуоресцентного излучения, можно изучать свойства поверхности в окрестности квантовой точки. Перемещая квантовую точку из одного места в другое с помощью кантилевера, мы можем получать изображение поверхности для соответствующего свойства, в том числе в жидкости, что может представлять особый интерес для биологических исследований.

Получение спектров флуоресцентного излучения (а также исследование его других характеристик, таких как время флуоресценции, анизотропия, спектры и кинетика и т.д.), совмещенного с 3D изображением зондового микроскопа, позволит ответить на многие актуальные вопросы физики конденсированных сред, химии, биологии, медицины.

Изобретение относится к области техники зондовой микроскопии. Технический результат изобретения заключается в упрощении используемой экспериментальной техники, с одной стороны, и в увеличении возможностей в исследовании физических явлений на поверхности с нанометровым пространственным разрешением (химический состав, вязкоупругие свойства, диэлектрическая проницаемость и т.д.), с другой стороны. Технический результат достигается за счет квантовой точки, закрепленной на острие иглы кантилевера и находящейся в тесном механическом контакте с исследуемым образцом. Облучение квантовой точки заставляет ее высвечивать флуоресцентное излучение. Свойства флуоресцентного излучения определяются как свойствами самой квантовой точки, так и свойствами поверхности исследуемого образца в ее окрестности. 1 ил.

Способ исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе с помощью флуоресцентных квантовых точек, включающий облучение лазером активного слоя материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, прижатой к исследуемому образцу, возбуждение и регистрацию в нем оптических фононов, обработку полученной информации, отличающийся тем, что в качестве слоя материала, нанесенного на острие иглы кантилевера, служит взаимодействующая с исследуемой поверхностью квантовая точка, в которой возбуждаются электроны с помощью импульса лазерного излучения, далее с помощью регистрирующего устройства, сфокусированного на квантовой точке, регистрируется флуоресцентное излучение, которое высвечивается квантовой точкой, обрабатывают полученную информацию и на основании характеристик флуоресцентного излучения делается вывод о свойствах среды, в которой находится квантовая точка.