Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.
Известен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор полимерной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [1].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор стеклянной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [2].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Отличие предлагаемого технического решения от выше изложенных заключается в использовании программируемого нанокомпозитного излучающего элемента в виде стеклянной сферы, содержащей равномерно распределенный по ее поверхности ранжированный массив групп последовательно изменяющих свой диаметр сквозных нанопор с конусообразными входами, упорядочено заполненных безызлучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка и излучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, с ранжированными дискретными длинами волн и временными интервалами флуоресценции, образующих, в свою очередь, управляющий объектом диагностирования пакет кодовых комбинаций с точечным воздействием в виде набора спектров определенных длин волн, излучаемых в определенные интервалы времени, в совокупности образующих динамически изменяющиеся программируемые спектральные портреты излучения. Использование огнеупорной, термоустойчивой стеклянной сферы (в отличие от полимерной сферы, используемой в известном техническом решении [1]) позволило осуществлять диагностирование электрических свойств наноструктур при проведении их термических испытаний и сохранить термоустойчивость конструкции и работоспособность при контакте электропроводящей зондовой иглы, продетой через стеклянную сферу, с раскаленными участками объекта диагностирования. Введение в конструкцию зонда атомно-силового микроскопа стеклянной сферы также позволило исключить размягчение нанопор, сползание излучающего элемента с электропроводящей иглы при ее нагревании от прохождения по ней электрического тока от исследуемого объекта или повышения температуры окружающей среды и исключить необратимое помутнение поверхности сферы при ее нагревании и последующее искажение спектральных портретов. Кроме того, применение стеклянной сферы (в отличие от полимерной сферы, поверхность которой легко деформируется треками заряженных частиц, вызывающими изменение коэффициента прозрачности и искажение спектральных портретов) позволило проводить исследования при воздействии на объект диагностирования заряженных частиц.
Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с одновременным измерением характеристик сигнала электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета через одну из сквозных нанопор стеклянной сферы, остальные сквозные нанопоры которой заполнены без выхода их оболочек за периметр стеклянной сферы квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрытыми с внешней стороны защитным слоем, внешний электромагнитный источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка, стеклянная сфера содержит равномерно распределенный по ее поверхности массив, состоящий из более чем двух ранжированных по диаметру наноразмерных групп сквозных нанопор с конусообразными входами с равным количеством сквозных нанопор с конусообразными входами одинакового диаметра в каждой наноразмерной группе, квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, геометрические параметры которых ранжированы по наноразмерным группам, а излучательные параметры по флуоресцентно-временным подгруппам, безызлучательные квантовые точки структуры ядро-оболочка, имеющие диаметры, равные диаметрам используемых квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, общее количество безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка в сумме с квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции равно количеству заполненных ими сквозных нанопор с конусообразными входами, число наноразмерных групп которых равно максимальному количеству используемых дискретных длин волн, максимальное количество ранжированных интервалов времени излучения которых равно количеству используемых флуоресцентно-временных подгрупп квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, которые вложены в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, причем программируемая комбинация сочетаний диаметров квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка, вложенных в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, определяет последовательность сочетаний излучаемых в определенные интервалы времени и не излучаемых дискретных длин волн, в совокупности формирующих заданную последовательность спектральных портретов излучения зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка (выносной элемент А представлен на фиг. 2).
На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки структуры ядро-оболочка и сквозной нанопоры с конусообразным входом и их допусковые отклонения геометрических размеров, не нарушающие повторяемости спектральных портретов при тиражировании зондов.
На фиг. 4 приведены примерные временные характеристики флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, допусковые отклонения их параметров и их кодировка, используемая при программировании излучающего элемента.
На фиг. 5 приведено схематическое изображение пошагового программирования сквозных нанопор с конусообразными входами излучающего элемента квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции при использовании технологической донорской матрицы.
На фиг. 6 приводится трехмерный график, поясняющий динамику процесса изменения спектральных портретов в зависимости от сочетаний, ранжированных по параметрам квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, введенных при программировании в излучающий элемент.
Под используемым в тексте словосочетанием «наноразмерная группа» понимается следующее: наноразмерная группа Nn - это множество наносфер или сквозных нанопор с конусообразными входами, имеющих одинаковые номинальные размеры соответственно внешних и внутренних диаметров, где n - порядковый номер наноразмерной группы, присвоенный по ранжиру в зависимости от возрастающих номинальных размеров диаметров элементов образующих группу (например: N1, N2, …, Nn). Наноразмерная группа Nn, включающая квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, имеющие одинаковые наружные диаметры, состоит из нескольких флуоресцентно-временных подгрупп Mn с одинаковыми временными интервалами флуоресценции τn квантовых точек в каждой подгруппе, но с различными временными интервалами флуоресценции квантовых точек, входящими в соседние подгруппы.
Под используемым в тексте словосочетанием «флуоресцентно-временная подгруппа» понимается следующее: флуоресцентно-временная подгруппа Mn - это множество квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, имеющих одинаковые геометрические размеры и одинаковые интервалы времени флуоресценции, где n - порядковый номер флуоресцентно-временной подгруппы, присвоенный по ранжиру возрастания дискретных величин интервалов времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка (n = 0, 1, 2, …, n-1).
Зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка фиг. 1, состоит из: кантилевера 1, соединенного с электропроводящей зондирующей иглой 2, вершина которой продета через одну из сквозных нанопор стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14, заполненными квантовыми точками 5, 7, 9, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и безызлучательной квантовой точкой 11 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 16 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, также на фиг. 1 представлен диагностируемый объект 17, размещенный на подложке 18 в момент соприкосновения его с электропроводящей зондирующей иглой 2 (элементы 4-15 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).
На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где электропроводящая зондирующая игла 2; стеклянная сфера со сквозными нанопорами с конусообразными входами 3; сквозная нанопора с конусообразным входом 4 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 5 второй флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в первую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 6, в одну из которых вложена квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 7 первой флуоресцентно-временной подгруппы, с диаметром, входящим во вторую наноразмерную группу, а в другую сквозную нанопору с конусообразным входом 6, также входящую во вторую наноразмерную группу, продета вершина электропроводящей зондирующей иглы 2; сквозная нанопора с конусообразным входом 8 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 9 четвертой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в третью наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 10 и вложенная в нее безызлучательная квантовая точка структуры ядро-оболочка 11 нулевой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в четвертую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 12 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 13 четвертой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в пятую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 14 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 15 третьей флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в шестую наноразмерную группу; внешний источник электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка 16; объект диагностирования 17; подложка 18, на которой расположен объект диагностирования 17.
Крупными сдвоенными параллельными стрелками на фиг. 2 указывается направление входящего импульсного электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции λ0 и преобразованного по длине волны излучения f1(λ1,τ2), f2(λ2,τ1), f3(λ3,τ4), f4(λ4,τ0), f5(λ5,τ4), f6(λ6,τ3), где: λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 - длина волны флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого наноразмера; где τ0, τ1, τ2, τ3, τ4 - интервалы времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции соответственно нулевой (безызлучательной), первой, второй, третьей и четвертой флуоресцентно-временной подгруппы.
Сдвоенными параллельными, перечеркнутыми чертой стрелками, указывается отсутствие излучения с длиной волны, равной λ4. В данном примере она не генерируется вследствие вложения в сквозную нанопору с конусообразным входом 10 безызлучательной квантовой точки 11 структуры ядро-оболочка нулевой флуоресцентно-временной подгруппы, с интервалом времени флуоресценции τ0, равным нулю, на этапе программирования спектральных портретов стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, согласно технического задания.
Мелкими стрелками на фиг. 2 указывается направление выходящего мультиволнового излучения F{λi,τi}, где: i=1, 2, …, n. F{λi,τi}=(f1(λ1,τ2), f2(λ2,τ1), f3(λ3,τ4), f4(λ4,τ0), f5(λ5,τ4), f6(λ6,τ3)} - спектр излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, образованный совокупным излучением всех квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, динамически изменяющийся по времени.
На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки структуры ядро-оболочка и сквозной нанопоры с конусообразным входом и их допусковые отклонения геометрических размеров, не нарушающие повторяемости спектральных портретов при тиражировании зондов.
На фрагменте А) (фиг. 3) приведены технические требования к допуску диаметра квантовых точек структуры ядро-оболочка наноразмерной группы Nn, который может колебаться на величину Δ от номинального размера dn-Δ в меньшую сторону, для осуществления сопряжения со сквозными нанопорами с конусообразными входами наноразмерной группы Nn.
На фрагменте Б) (фиг. 3) приведены технические требования к диаметру сквозных нанопор с конусообразными входами наноразмерной группы Nn, где: схематически изображена сквозная нанопора с конусообразным входом, диаметр которой на глубине H по осевой линии от основания конуса равен радиусу (1/2 диаметра) квантовой точки структуры ядро-оболочка, dn+Δ/2 наноразмерной группы Nn колеблется на величину Δ от номинального размера Dn+Δ в большую сторону для осуществления сопряжения с квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции наноразмерной группы Nn.
На фрагменте В) (фиг. 3) приведены выполненные технические требования сопряжения, предъявленные к паре, состоящей из квантовой точки 9 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции (фрагмент фиг. 2), вложенной в сквозную нанопору с конусообразным входом 8, входящие в одну наноразмерную группу N3, где представлена квантовая точка 9 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции диаметром d3-Δ, вложенная в соответствующую нанопору диаметром D3+Δ без выхода оболочки квантовой точки за периметр поверхности стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. Стрелками показано, соответственно, входная длина волны возбуждения квантовой точки λ0 и функция преобразованной длины волны f3(λ3,τ4). Где: d - номинальный размер наружного диаметра квантовой точки структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции; D - номинальный размер внутреннего диаметра сквозной нанопоры с конусообразным входом; n - номер наноразмерной группы; Δ - максимальный размер разбросов диаметров с учетом температурного дрейфа, при котором сохраняется достоверность повторяемости спектральных портретов (т.е. исключается попадание квантовой точки, относящейся к одной группе Nn, в нанопоры Nn-1 или Nn+1, относящиеся к другой рядом расположенной наноразмерной группе).
На фиг. 4 приведены примерные временные характеристики флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, допусковые отклонения их параметров и их кодировка, используемая при программировании излучающего элемента.
Где: на координате Y - ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.0; уровень 0.37 (1.0/e, где: e - основание натуральных логарифмов) - выбранный уровень, на котором проводится калибровка интервалов времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка. На координате X - τ (нс) - длительность времени флуоресценции в наносекундах, где: горизонтальными двухсторонними стрелками указана длительность времени флуоресценции τ0; τ1; τ2; τ3; τ4 с шагом дискретизации, равным τ1 соответственно для квантовых точек с излучательными параметрами, относящихся к нулевой, первой, второй, третьей, четвертой, флуоресцентно-временным подгруппам, входящим по геометрическим параметрам в первую наноразмерную группу. В верхней части фиг. 4 приведен ранжированный ряд квантовых точек, временные характеристики которых представлены ниже в виде затухающих экспоненциально-образных зависимостей интенсивности излучения от длительности флуоресценции. Пунктирными линиями с одной стрелкой указаны параметры величин временных интервалов флуоресценции каждой квантовой точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, кодируемые, например, в трехразрядном двоичном коде τ1 = 〈100〉, τ2 = 〈010〉, τ3 = 〈110〉, τ4 = 〈001〉 (по количеству оболочек и сочетанию материалов оболочек), расположенные на оси X под точками пересечения линий экспоненциально-образных характеристик с уровнем калибровки 0.37 (1.0/е). Стрелками с символом «δ» указаны допусковые зоны нормального рассеивания относительно номинальных величин интервалов времени флуоресценции, используемые при проведении калибровки квантовых точек ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, не нарушающие повторяемость спектров излучения при тиражировании зондов. Ширина допусковой зоны «δ» определяется технологией синтеза квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции. Чем качественней технология и выше точность, тем меньше предельный разброс и уже допусковая зона. Шириной допусковой зоны «δ» ограничивается предельное количество флуоресцентно-временных подгрупп на определенном временном интервале (их скученность). На фиг. 4 приведены соотношения величины ширины допусковой зоны и величины шага квантования по длительности для исключения попадания квантовых точек с близкими параметрами в соседние подгруппы. Чем больше расстояние между соседними подгруппами, тем выше достоверность программируемых спектров. Квантовые точки структуры ядро-оболочка, кодируемые как τ0 = 〈000〉, т.е. со временем флуоресценции равным 0, являются безызлучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
На фиг. 5 приведено схематическое изображение пошагового программирования сквозных нанопор с конусообразными входами излучающего элемента квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции при использовании технологической донорской матрицы.
На фрагменте А) (фиг. 5) представлен спектральный портрет излучения F{λi,τi} стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, где: на координате Z - ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.0. На координате Y - τ (нс) - дискретные интервалы времени флуоресценции в наносекундах и соответствующая кодировка дискретных временных интервалов в трехразрядном двоичном коде. На координате X - λ (нм) - длина волны излучения в нанометрах, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции. Излучение с длиной волны λ4 отсутствует, т.к. при программировании в сквозную нанопору с конусообразным входом 10 вложена безызлучательная квантовая точка 11 структуры ядро-оболочка с интервалом времени флуоресценции τ0, равным нулю. F{λi,τi}=(f1(λ1,τ2), f2(λ2,τ1), f3(λ3,τ4), f4(λ4,τ0), f5(λ5,τ4), f6(λ6,τ3)} - спектр излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, образованный совокупным излучением всех квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции.
На фрагменте Б) (фиг. 5) схематически представлено пошаговое заполнение сквозных нанопор с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14 квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции 5, 7, 9, 11, 13, 15. Вертикальными фигурными указательными стрелками с символами Sn (где n - номер шага операции программы от 1 до 6) показаны схематические траектории и направления маршрутов перемещения квантовых точек структуры ядро-оболочка из упорядоченной технологической донорской матрицы коллоидных растворов квантовых точек структуры ядро-оболочка в сквозные нанопоры с конусообразными входами стеклянной сферы 3.
На фрагментах В) - З) (фиг. 5) схематически изображена технологическая донорская матрица, расположенная внутри периметра выделенного пунктирной линией. Технологическая донорская матрица, используемая в процессе программирования, состоит из упорядоченных ячеек с калиброванными ранжированными коллоидными растворами квантовых точек структуры ядро-оболочка. Количество ячеек равно максимальному числу возможных сочетаний, используемых при программировании соотношений геометрических размеров квантовых точек с их излучательными характеристиками (длина волны λi и длительность времени флуоресценции τi). Матрица состоит из строк М0-М4, представленных на фрагментах В) - З) (фиг. 5) и столбцов N1-N6, представленных на фрагменте И) (фиг. 5). Каждому столбцу соответствует наноразмерная группа N1-N6 и соответствующая ей длина волны излучения λ1-λ6, а каждой строке соответствует флуоресцентно-временная подгруппа М0-М4 и соответствующий интервал времени флуоресценции от τ0 до τ4 (кодируемый, например, трехразрядными двоичными кодами от 〈000〉 до 〈001〉).
На фрагменте И) (фиг. 5) приведены номера (N1, N2, N3, N4, N5, N6) наноразмерных групп (столбцы технологической донорской матрицы), в которые входят сквозные нанопоры с конусообразными входами, квантовые точки структуры ядро-оболочка, с совместимыми по допускам и посадкам диаметрами.
На фрагменте К) (фиг. 5) приведено, в качестве примера, восемнадцатиразрядное кодовое идентификационное слово {010 100 001 000 001 110} (сигнатура динамики спектра), согласно которому происходит пошаговое программирование.
На фрагменте Л) (фиг. 5) приведены номера шагов программирования (S1, S2, S3, S4, S5, S6), и горизонтальными фигурными указательными стрелками показано направление маршрута заполнения ранжированных конусообразных нанопор ранжированными квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции от большего диаметра к меньшему диаметру. Где «Пуск» - начальная точка запуска процесса программирования.
На фиг. 6 приводится трехмерный график, поясняющий динамику процесса изменения спектральных портретов в зависимости от сочетаний, ранжированных по параметрам квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, введенных при программировании в излучающий элемент.
Где на представленном трехмерном графике на координате Z - ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.5. На координате X - τ (нс) - длительность времени флуоресценции в наносекундах. На координате Y - λ (нм) - длина волны излучения в нанометрах, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции. Излучение с длиной волны λ4 отсутствует, т.к. при программировании в сквозную нанопору с конусообразным входом 10 вложена безызлучательная квантовая точка 11 структуры ядро-оболочка со временем флуоресценции τ0, равным нулю. Динамика процесса изменения сочетаний длин волн от времени представлена в виде последовательно изменяющихся спектральных портретов F{fi(λi)} = {f1(λ), f2(λ), f3(λ), f4(λ), f5(λ)}, отображенных в дискретные моменты времени с шагом, равным длительности τ1, где: f1(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f2(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f3(λ) = (λ1, λ3, λ5, λ6); f4(λ) = (λ3, λ5, λ6); f5(λ) = (λ3, λ5) - первый, второй, третий, четвертый, пятый спектральные портреты, соответственно, в моменты времени τ0 = 0; τ1 = 5 нс; τ2 = 10 нс; τ3 = 15 нс; τ4 = 20 нс.
В начале координаты Y изображен короткий стартовый импульс «СТАРТ n» с длиной волны λ0, подаваемый внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 16, который запускает генерацию детерминированных последовательностей спектральных портретов с периодом повторения Т (при условии, если Т>τ4), и следующий за ним стартовый импульс «СТАРТ n+1», запускающий следующий аналогичный пакет спектральных портретов.
Длина волны возбуждения λ0 квантовых точек 5, 7, 9 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции и длины волн преобразованного излучения λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6 квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции определяются их диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их процентным соотношением, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции. Длина волны электромагнитного излучения квантовых точек, направленная на объект диагностирования, может находиться как в оптическом диапазоне, так и за его пределами, от ультрафиолетового до инфракрасного спектра излучения. При одном и том же внешнем диаметре квантовой точки длина волны ее излучения может корректироваться за счет изменения соотношения диаметра ядра и толщины окружающей оболочки, а изменение интервала времени флуоресценции за счет создания вокруг ядра многооболочных структур из разных материалов [3]. Для превращения излучательной квантовой точки в безызлучательную в структуре квантовой точки создаются дефекты (необратимые) с помощью внешних воздействий (или естественного брака), которые запускают безызлучательные переходы. В результате квантовая точка становится безызлучательной без изменения геометрических параметров.
Ядро квантовых точек 5, 7, 9 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка квантовых точек 5, 7, 9 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции может включать в себя по крайней мере один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, и HgSe, но этими вариантами не ограничивается.
Изготовление нанокомпозитного излучающего элемента осуществляется легированием стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, квантовыми точками 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и выполняется за счет проникновения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции в сквозные нанопоры с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14 стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. Например, процесс легирования может осуществляться по технологии известного метода за счет погружения элемента из стекла с нанометровыми порами в раствор из двух или более квантовых точек, с последующей сушкой на воздухе и заполнением оставшихся между квантовыми точками пустот смолой [4]. Длительность времени флуоресценции в зависимости от материалов, их сочетаний и технологии получения квантовых точек может колебаться в интервале от единиц пикосекунд до единиц микросекунд. Выборочная разбраковка квантовых точек по длительности флуоресценции может быть осуществлена, например, с помощью устройства, выполняющего обнаружение, классификацию и разбраковку квантовых точек по длительности переходного процесса выключения квантовой точки [5].
Зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: перед началом работы производится программирование излучающей стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами (фиг. 2). Программирование спектра излучения осуществляется переносом квантовых точек структуры ядро-оболочка из технологической донорской матрицы в излучающую сферу. Это происходит за счет последовательного погружения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, предварительно соединенной с вершиной иглы 2 в ячейки технологической донорской матрицы с ранжированными калиброванными коллоидными растворами квантовых точек с определенными диаметрами и излучательными характеристиками, соответствующими длине волны излучения λi=(λ1, λ2, …, λ6) и длительности флуоресценции τi,=(τ0, τ1, τ2, τ3, τ4) на длинах волн λi, что поясняется на фиг. 5.
Максимальные допусковые отклонения геометрических размеров сопрягаемых элементов и интервалов времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными временными интервалами флуоресценции, не влияющие на точность повторяемости спектральных портретов, приведены соответственно на фиг. 3, и фиг. 4. После каждого погружения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами в очередной коллоидный раствор квантовые точки структуры ядро-оболочка заполняют все сквозные нанопоры с конусообразными входами, в которые они могут проникнуть, т.е. при первом погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка наибольшего диаметра заполняют сквозные нанопоры с конусообразными входами наибольшего диаметра, но не могут проникнуть в сквозные нанопоры с конусообразными входами следующих групп меньшего диаметра; при втором погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка меньшего диаметра заполняют сквозные нанопоры с конусообразными входами меньшего диаметра, но не могут проникнуть в сквозные нанопоры с конусообразными входами наименьшего диаметра и уже заполненные ранее квантовыми точками структуры ядро-оболочка большего диаметра, и так до полного заполнения конусообразных нанопор минимального диаметра соответствующими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, что поясняется на фиг. 5. Последовательность ввода тех или иных квантовых точек в сквозные нанопоры с конусообразными входами определяется заданным идентификационным кодовым словом, например {010 100 001 000 001 110}, на основании которого формируется динамически изменяющаяся последовательность спектральных портретов излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, необходимая для целенаправленного воздействия на исследуемый объект диагностирования 17.
По окончании этапа программирования зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: кантилевер 1 с электропроводящей зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 17, расположенному на подложке 18, и надавливает на него, получая данные об электрических характеристиках объекта диагностирования 17, до включения и после включения внешнего электромагнитного источника возбуждения 16 квантовых точек структуры ядро-оболочка с длиной волны λ0. Сформированный источником возбуждения 16 квантовых точек структуры ядро-оболочка короткий стартовый импульс с длиной волны λ0 (обозначенный на фиг. 6 словом «СТАРТ n») передним фронтом переводит квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции в состояние люминесценции. В результате квантовые точки 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции возбуждают поверхность диагностируемого объекта 17 сочетанием длин волн f1(λ)=(λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6), согласно сформированному при программировании первому спектральному портрету излучения, заданному идентификационным кодовым двоичным словом, например {010 100 001 000 001 110}. В момент завершения стартового импульса его задним фронтом запускается процесс флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным временем флуоресценции F{λi,τi}={f1(λ1,τ2), f2(λ2,τ1), f3(λ3,τ4), f4(λ4,τ0), f5(λ5,τ4), f6(λ6,τ3)}. По мере затухания флуоресценции каждая квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции генерирует излучение определенной длины волны (λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6) и определенной длительности (τ1, τ2, τ3, τ4). Сочетание определенных геометрических и излучательных параметров квантовых точек осуществляется при программировании стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. В совокупности излучения всех квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции образуются периодически повторяющиеся последовательно изменяющиеся мультиволновые композиции спектральных портретов. Динамика процесса изменения сочетаний длин волн от времени представлена в виде последовательно изменяющихся спектральных портретов F{fi(λi)}={f1(λ), f2(λ), f3(λ), f4(λ), f5(λ)}, отображенных в дискретные моменты времени с шагом, равным длительности τ1, где: f1(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f2(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f3(λ)=(λ1, λ3, λ5, λ6); f4(λ)=(λ3, λ5, λ6); f5(λ)=(λ3, λ5) - первый, второй, третий, четвертый, пятый спектральные портреты соответственно в моменты времени τ0, τ1, τ2, τ3, τ4, что поясняется на фиг. 6. Интервал времени повторения между управляющими стартовыми импульсами (период Т фиг. 6) должен быть больше максимальной длительности (например, τ4) флуоресценции используемых при программировании квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции, что необходимо для выдачи идентичных повторяющихся (детерминированных) управляющих кодовых микрокоманд в виде набора спектральных портретов для запуска нанофотонных процессов (например, запуска механизмов регенерации тканей) в исследуемых биологических объектах или для тестирования и диагностирования нанофотонных систем, а также осуществления новых видов исследований в нанофотонике, оптогенетике, нейрофотонике.
Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения характеристик электрических сигналов на поверхности объекта диагностирования в зависимости от стимулирующего воздействия определенной последовательностью спектров электромагнитного мультиволнового излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под вершиной электропроводящей иглы. Возможность осуществления программирования спектра излучения с использованием квантовых точек структуры ядро-оболочка с кодируемым дискретным ранжированным рядом интервалов флуоресценции также дает возможность идентичной повторяемости спектральных портретов при тиражировании зондов. Все это позволяет обнаружить и исследовать отдельные светочувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои электрические свойства под действием только строго определенных последовательностей кодовых наборов длин волн электромагнитного излучения, направленных в определенную точку, без засветок окружающих участков исследуемого объекта, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.
Источники информации
1. Патент на полезную модель RU 140007 U1, 27.04.2014, G01Q 60/24, Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.
2. Патент RU 2541419 С1, 10.02.2015, G01Q 60/24, B82Y 1/00, Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.
3. Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1, Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.
4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1, Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.
5. Патент RU 2493631 C1, 20.09.2013, H01L 21/66, B82B 3/00, Способ обнаружения квантовых точек и устройство для его осуществления. / Линьков В.А., Вихров С.П., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур. Согласно изобретению кантилевер соединен с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета в одну сквозную нанопору с конусообразными входами стеклянной сферы, содержащей равномерно распределенный по ее поверхности упорядоченный массив ранжированных по диаметру сквозных нанопор с конусообразными входами, заполненных безызлучательными и излучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции с различными дискретными спектрами излучения и различными интервалами времени излучения, с помощью комбинации сочетаний которых программируется общий пакет спектральных портретов излучения и их последовательность. Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектров излучения воздействия с измерением характеристик электрического сигнала на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки. 6 ил.
Зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета через одну из сквозных нанопор стеклянной сферы, остальные сквозные нанопоры которой заполнены без выхода их оболочек за периметр стеклянной сферы квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрытыми с внешней стороны защитным слоем, внешний электромагнитный источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка, отличающийся тем, что стеклянная сфера содержит равномерно распределенный по ее поверхности массив, состоящий из более чем двух ранжированных по диаметру наноразмерных групп сквозных нанопор с конусообразными входами с равным количеством сквозных нанопор с конусообразными входами одинакового диаметра в каждой наноразмерной группе, квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, геометрические параметры которых ранжированы по наноразмерным группам, а излучательные параметры по флуоресцентно-временным подгруппам, безызлучательные квантовые точки структуры ядро-оболочка, имеющие диаметры, равные диаметрам используемых квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, общее количество безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка в сумме с квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции равно количеству заполненных ими сквозных нанопор с конусообразными входами, число наноразмерных групп которых равно максимальному количеству используемых дискретных длин волн, максимальное количество ранжированных интервалов времени излучения которых равно количеству используемых флуоресцентно-временных подгрупп квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, которые вложены в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, причем программируемая комбинация сочетаний диаметров квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка, вложенных в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, определяет последовательность сочетаний излучаемых в определенные интервалы времени и не излучаемых дискретных длин волн, в совокупности формирующих заданную последовательность спектральных портретов излучения зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
| WO 2009043368 A1, 09.04.2009 | |||
| US 2011203021 A1, 18.08.2011 | |||
| US 6002471 A, 14.12.1999. |
