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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из нанопор полимерной сферы, остальные нанопоры заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр полимерной сферы, покрытой с внешней стороны защитным прозрачным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, направленный на центр полимерной сферы [1].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) 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, соединенный с зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из нанопор стеклянной сферы, остальные нанопоры заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр стеклянной сферы, покрытой с внешней стороны защитным прозрачным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек направленный на центр стеклянной сферы [2].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Отличие предлагаемого технического решения от вышеизложенных заключается в использовании программируемого нанокомпозитного излучающего элемента в виде стеклянной сферы, содержащей равномерно распределенный по ее поверхности ранжированный массив групп, последовательно изменяющих свой диаметр конусообразных нанопор, упорядоченно 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, образующие, 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 образующие динамически изменяющиеся программируемые спектральные портреты излучения.
Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) 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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из нанопор стеклянной сферы, остальные 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 конусообразных нанопор с равным количеством конусообразных нанопор 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 конусообразных нанопор, 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 конусообразные нанопоры, 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 конусообразные нанопоры, 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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента на основе квантовых точек 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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка.
На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки структуры ядро-оболочка и конусообразной нанопоры 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 конусообразных нанопор 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 конусообразных нанопор, 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, имеющие 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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка фиг. 1, состоит из: кантилевера 1, соединенного с зондирующей иглой 2, на вершине которой закреплена стеклянная сфера 3 с конусообразными нанопорами 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, заполненными квантовыми точками 5, 7, 9, 11, 13, 17 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и безызлучательной квантовой точкой 15 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка 18 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, также на фиг. 1 представлен диагностируемый объект 19, размещенный на подложке 20 в момент соприкосновения его со стеклянной сферой 3 с конусообразными нанопорами (элементы 4-17 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).
На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где: зондирующая игла 2; стеклянная сфера с конусообразными нанопорами 3; конусообразная нанопора 4 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 5 четвертой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в первую наноразмерную группу; конусообразная нанопора 6 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 7 второй флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим во вторую наноразмерную группу; конусообразная нанопора 8 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 9 первой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в третью наноразмерную группу; конусообразная нанопора 10 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 11 второй флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в четвертую наноразмерную группу; конусообразные нанопоры 12, в одну из которых вложена квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 13 третей флуоресцентно-временной подгруппы, с диаметром, входящим в пятую наноразмерную группу, а в другой конусообразной нанопоре 12, также входящей в пятую наноразмерную группу, закреплена вершина зондирующей иглы 2; конусообразная нанопора 14 и вложенная в нее безызлучательная квантовая точка структуры ядро-оболочка 15 нулевой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в шестую наноразмерную группу; конусообразную нанопора 16 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 17 первой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в седьмую наноразмерную группу; внешний источник электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка 18; объект диагностирования 19; подложка 20, на которой расположен объект диагностирования 19.
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,τ4), f2(λ2,τ2), f3(λ3,γ1), f4(λ4,τ2), f5(λ5,τ3), f6(λ6,τ0), f7(λ7,τ1), где: λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 - длина волны флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого 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, третей, и четвертой флуоресцентно-временной подгруппы.
Сдвоенными параллельными, перечеркнутыми чертой стрелками, указывается отсутствие излучения с длинной волны равной λ6. В данном примере она не генерируется вследствие вложения в конусообразную нанопору 14 безызлучательной квантовой точки 15 структуры ядро-оболочка нулевой флуоресцентно-временной подгруппы, с интервалом времени флуоресценции τ0 равным нулю, на этапе программирования спектральных портретов стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, согласно технического задания.
Мелкими стрелками на фиг. 2 указывается направление выходящего мультиволнового излучения F{λi,τ1}, где: i=1, 2, …, n. F{λi,τi}={f1(λ1,τ4), f2(λ2,τ2), f3(λ3,τ1), f4(λ4,τ2), f5(λ5,τ3), f6(λ6,τ0), f7(λ7,τ1)} - спектр излучения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, 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 и конусообразной нанопоры и их допусковые отклонения размеров, не нарушающих повторяемость 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 с конусообразными нанопорами наноразмерной группы Nn.
На фрагменте Б) (фиг. 3) приведены технические требования к диаметру конусообразных нанопор наноразмерной группы Nn, где: конусообразная нанопора, диаметр которой на глубине Н 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 наноразмерной группы Nn.
На фрагменте В) (фиг. 3) приведены выполненные технические требования сопряжения, предъявленные к паре, состоящей из квантовой точки 11 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции (фрагмент фиг. 2), вложенной в конусообразную нанопору 10, входящие в одну наноразмерную группу N4, где представлена квантовая точка 11 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции диаметром d4-Δ, вложенная в соответствующею нанопору диаметром D4+Δ без выхода оболочки квантовой точки структуры за периметр поверхности стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами. Стрелками показано, соответственно, входная длина волны возбуждения квантовой точки λ0 и функция преобразованной длины волны f4(λ4,τ2). Где: d - номинальный размер наружного диаметра квантовой точки структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции; D - номинальный размер внутреннего диаметра конусообразной нанопоры; 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 калиброванным интервалом времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.0; уровень 0.37 (1.0/е, где: е - основание натуральных логарифмов) - выбранный уровень, на котором проводится калибровка интервалов времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции. На координате X-τ (нc) - 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, третей, 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 калиброванным интервалом 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 калиброванным интервалом 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 конусообразных нанопор 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 с конусообразными нанопорами, где: на координате Z-ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.0. На координате Y-τ (нc) - 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, λ7 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 17 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции. Излучение с длиной волны λ6 отсутствует, т.к. при программировании в конусообразную нанопору 14 вложена безызлучательная квантовая точка 15 структуры ядро-оболочка с интервалом времени флуоресценции τ0, равным нулю. F{λi,τi}={f1(λ1,τ4), f2(λ2,τ2), f3(λ3,τ1), f4(λ4,τ2), f5(λ5,τ3), f6(λ6,τ0), f7(λ7,τ1)} - спектр излучения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, образованный совокупным излучением всех квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции.
На фрагменте Б) (фиг. 5) схематически представлено пошаговое заполнение конусообразных нанопор 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17. Вертикальными фигурными указательными стрелками с символами Sn (где n - номер шага операции программы от 1 до 7) 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 конусообразные нанопоры 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-N7, представленных на фрагменте И) (фиг. 5). Каждому столбцу соответствует наноразмерная группа N1-N7 и соответствующая ей длина волны излучения λ1-λ7, 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, N7 наноразмерных групп (столбцы технологической донорской матрицы), в которые входят конусобразные нанопоры, квантовые точки структуры ядро-оболочка, с совместимыми по допускам и посадкам диаметрами.
На фрагменте К) (фиг. 5) приведено, в качестве примера, двадцати одно разрядное кодовое идентификационное слово {001 010 100 010 110 000 100} (сигнатура динамики спектра), согласно которого происходит пошаговое программирование.
На фрагменте Л) (фиг. 5) приведены номера шагов программирования (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7), 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 калиброванными интервалами времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.5. На координате X-τ (нc) длительность времени флуоресценции в наносекундах. На координате Y-λ (нм) - длина волны излучения в нанометрах, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, _, λ7 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 17 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции. Излучение с длиной волны λ6 отсутствует, т.к. при программировании в конусообразную нанопору 14 вложена безызлучательная квантовая точка 15 структуры ядро-оболочка со временем флуоресценции τ0, равным нулю. Динамика процесса изменения сочетаний длин волн от времени представлена 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, λ4, λ5, λ7); f2(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ7); f3(λ)=(λ1, λ2, λ4, λ5); f4(λ)=(λ1, λ5); f5(λ)=(λ1) - первый, второй, третий, четвертый, пятый спектральные портреты соответственно, в моменты времени τ0=0; τ1=5 нc; τ2=10 нc; τ3=15 нc; τ4=20 нc.
В начале координаты Y изображен короткий стартовый импульс «СТАРТ n» с длиной волны λ0, подаваемый внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 18, 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, 17 структуры ядро-оболочка, с калиброванными интервалами времени флуоресценции, и длины волн преобразованного излучения λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ7 квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, определяются их диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их процентном соотношением, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка. 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, 17 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, 17 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 с конусообразными нанопорами, квантовыми точками 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, и выполняется за счет проникновения квантовых точек структуры ядро-оболочка в конусообразные нанопоры 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами. Например, процесс легирования может осуществляется 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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка работает следующим образом: перед началом работы производится программирование излучающей стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами (фиг. 2). Программирование спектра излучения осуществляется переносом квантовых точек структуры ядро-оболочка из технологической донорской матрицы в излучающею сферу. Это происходит за счет последовательного погружения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, 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, …, λ7) 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 4. После каждого погружения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами в очередной коллоидный раствор, квантовые точки структуры ядро-оболочка заполняют все конусообразные нанопоры, в которые они могут проникнуть, т.е. при первом погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка наибольшего диаметра заполняют конусообразные нанопоры наибольшего диаметра, но не могут проникнуть в конусообразные нанопоры следующих групп меньшего диаметра; при втором погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка меньшего диаметра заполняют конусообразные нанопоры меньшего диаметра, но не могут проникнуть в конусообразные нанопоры 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 конусообразные нанопоры определяется заданным идентификационным кодовым словом, например {001 010 100 010 110 000 100}, на основании которого формируется динамически изменяющаяся последовательность спектральных портретов излучения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, необходимая для целенаправленного воздействия на исследуемый объект диагностирования 19.
По окончании этапа программирования зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка работает следующим образом. Кантилевер 1 с зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 19, расположенному на подложке 20, и надавливает на него стеклянной сферой 3 с конусообразными нанопорами, получая данные об упругих свойствах объекта диагностирования 19, до включения и после включения внешнего электромагнитного источника возбуждения 18 квантовых точек структуры ядро-оболочка с длиной волны λ0. Сформированный источником возбуждения 18 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, 17 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции возбуждают поверхность диагностируемого объекта 19 сочетанием длин волн f1(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, _, λ7), согласно сформированному при программировании первому спектральному портрету излучения, заданного идентификационным кодовым двоичным словом, например {001 010 100 010 110 000 100}. В момент завершения стартового импульса его задним фронтом запускается процесс флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным временем флуоресценции F{λiτi}={f1(λ1,τ4), f2(λ2,τ2), f3(λ3,τ1), f4(λ4,τ2), f5(λ5,τ3), f6(λ6,τ0), f7(λ7,τ1)}. По мере затухания флуоресценции каждая квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции генерирует излучение определенной длины волны (λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, _, λ7) и определенной длительности (τ1, τ2, τ3, τ4). Сочетание определенных геометрических и излучательных параметров квантовых точек осуществляется при программировании стеклянной сферы 3 с конусообразными порами. 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 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, λ4, λ5, λ7); f2(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ7); f3(λ)=(λ1, λ2, λ4, λ5); f4(λ)=(λ1, λ5); f5(λ)=(λ1) - первый, второй, третий, четвертый, пятый, спектральные портреты, соответственно в моменты времени τ0, 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, 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 осуществление новых видов исследований в нанофотонике, оптогенетике, нейрофотонике.
Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения изменения модуля Юнга в зависимости от стимулирующего воздействия определенной последовательностью спектров электромагнитного мультиволнового излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под излучающей стеклянной сферой с конусобразными нанопорами. 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 механические свойства и размеры 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 140229 U1, 10.05.2014, G01Q 60/24. Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.
2. Патент RU 2541422 C1, 10.02.2015, G01Q 60/24, B82Y 35/00. 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 зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из конусообразных нанопор стеклянной сферы, содержащей равномерно распределенный по ее поверхности упорядоченный массив ранжированных по диаметру конусообразных нанопор, 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 механической реакции (модуля упругости) 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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из нанопор стеклянной сферы, остальные 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 конусообразных нанопор с равным количеством конусообразных нанопор 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 конусообразных нанопор, 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 конусообразные нанопоры, 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 конусообразные нанопоры, 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 на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка.
| US 2007035724 A1, 15.02.2007 | |||
| US 20110203021 A1, 18.08.2011 | |||
| US 6827979 B2, 07.12.2004 | |||
| JP 2008241346 A, 09.10.2008. |
