СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С ОТДЕЛЯЕМЫМ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫМ НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА Российский патент 2018 года по МПК G01Q60/24 G01Q70/08 B82Y35/00 

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 стеклянной 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 осуществления полного сканирования по координате Z боковых стенок глубоких или сквозных наноколодцев, глубина которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия, с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки.

Известен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной с магнитопрозрачной стеклянной сферой, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, покрытой защитным свето-магнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности осуществления полного сканирования по координате Z боковых стенок глубоких или сквозных наноколодцев, глубина которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия, с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки.

Наиболее близким по технической сущности является сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной стеклянной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП [3].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности осуществления полного сканирования по координате Z боковых стенок глубоких или сквозных наноколодцев, глубина которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия, с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше решений заключается в том, что магнитопрозрачная стеклянная сфера, соединенная с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой через двухслойную углеродную нанотрубку, может отстыковываться за счет управляемого соскальзывания с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы и, отделившись, продолжать функционирование автономно, погружаясь в наноколодец на глубину большею чем длина электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, что позволяет осуществлять оптическое и тепловое стимулирование удаленных, ранее не доступных участков исследуемого объекта, при линейном реверсивном перемещении под действием встречно-направленных внешних индивидуально управляемых магнитных полей, создаваемых двумя плоскими микрокатушками и двумя встречно-направленными источниками внешнего возбуждения квантовых точек, без отрыва электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы от контролируемой точки наноструктуры.

Техническим результатом является возможность осуществления полного сканирования по координате Z боковых стенок глубоких или сквозных наноколодцев, глубина которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия, с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной стеклянной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковым направлением ориентации полюсов, структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, первый внешний источник возбуждения квантовых точек, первый внешний источник магнитного поля, в виде первой плоской микрокатушки, соединенной с выходом первого ЦАП, второй внешний источник возбуждения квантовых точек, второй внешний источник магнитного поля в виде второй плоской микрокатушки, размещенной на оптомагнитопрозрачной подложке, второй ЦАП, С-образную синхронно-центрирующею скобу, прикрепленную верхней частью к кантилеверу а нижней частью ко второму внешнему источнику возбуждения квантовых точек, второй ЦАП соединен со вторым внешним источником магнитного поля в виде второй плоской микрокатушки, размещенной на оптомагнитопрозрачной подложке, закрепленной на нижней оконечной части С-образной синхронно-центрирующей магнитопрозрачной скобы, на противоположной верхней оконечной части которой закреплена первая плоская микрокатушка плоской поверхностью параллельно плоским поверхностям второй микрокатушки и параллельно расположенной между ними оптомагнитопрозрачной подложки с размещенным на ее лицевой стороне объектом диагностирования, причем, оптическая ось второго источника возбуждения квантовых точек выставлена так, что она проходит через центры первой и второй плоских микрокатушек и центр магнитопрозрачной стеклянной сферы.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 3 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе в период автономного функционирования отделяемого телеуправляемого нанокомпозитного излучающего элемента сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка фиг. 1, включает магнитопрозрачный кантилевер 1, соединенный с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, магнитопрозрачную стеклянную сферу 3 с нанометровыми сквозными порами малого 4 диаметра, и с нанометровыми сквозными порами большого 5 диаметра, квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка, магнитные 7 наночастицы структуры ядро-оболочка, двухслойную углеродную нанотрубку 8, состоящею из вложенной одна в другую внутреннею углеродную нанотрубку малого диаметра 9, и внешнею углеродную нанотрубку большего диаметра 10, первый внешний источник возбуждения квантовых точек 11, второй внешний источник возбуждения квантовых точек 12, первую плоскую 13 микрокатушку, вторую плоскую 14 микрокатушку, первый цифро-аналоговой преобразователь (ЦАП) 15, второй цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 16, С-образную синхронно-центрирующею магнитопрозрачную скобу 17. Также на фиг.1 представлена оптомагнитопрозрачная подложка 18 с размещенным на ней диагностируемым объектом 19, содержащим наноколодцы, заполненные электропроводяцей жидкостью, в момент соприкосновения его с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2. Элементы 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 приведены в увеличенном масштабе на фиг.2 и фиг. 3.

С помощью С-образной синхронно-центрирующей скобы 17, осуществляется синхронное перемещение кантилевера 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, по координатам X, Y и первой плоской микрокатушки 13 синхронно с второй плоской микрокатушки 14, которые жестко закреплены и выставлены параллельно друг другу с юстировкой их центров по одной оси проходящей через центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3, и оптическую ось второго внешнего источника возбуждения квантовых точек 12, осуществляющего возбуждение квантовых точек структуры ядро-оболочка 6 с обратной стороны оптомагнитопрозрачной подложки 18, которые недоступны для возбуждения с лицевой стороны первым внешним источником возбуждения квантовых точек 11 из-за большой глубины погружения или из-за реакции живого биологического объекта диагностирования 19 на воздействия вызывающее деформацию (искривление) стенок сканируемого наноколодца.

Первый внешний источник возбуждения квантовых точек 11 осуществляет возбуждение квантовых точек на начальных стадиях погружения (сканирования), расположенных в верхней полусфере магнитопрозрачной стеклянной сферы 3.

Второй внешний источник возбуждения квантовых точек 12 осуществляет возбуждение квантовых точек на конечных стадиях погружения (сканирования), расположенных на нижней полусфере магнитопрозрачной стеклянной сферы 3.

В зависимости от программы исследований и для определения электрических реакций на определенной глубине погружения временные

комбинации импульсов возбуждений с длиной волны λ 1 квантовых точек, расположенных в верхней или в нижней полусфере, могут происходить одновременно или раздельно, по мере перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 по наноколодцу.

Элементы 1, 2, 3, 17 выполнены магнитопрозрачными (магнитодиэлектрическими), что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Нанометровые сквозные поры малого 4 диаметра заполнены квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется первым внешним источником возбуждения квантовых точек 11 (например, лазерным диодом), расположенным у основания магнитопрозрачного кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка. Вторая плоская микрокатушка 14 размещена на оптомагнитопрозрачной подложке для прохождения через нее излучения с длиной волны λ 1, для возбуждения перемещаемых в исследуемом наноколодце квантовых точек структуры ядро-оболочка 6 с обратной стороны оптомагнитопрозрачной подложки 18. Ядро каждой магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Дистанционное управление траекторией и скоростью реверсивного перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 по наноколодцу объекта диагностирования 19 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля магнитных 7 нано частиц структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым первой плоской 13 и второй плоской 14 микрокатушками, состоящими из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены соответственно с выходами первого ЦАП 15 и второго ЦАП 16. Тип используемых первого и второго ЦАП 15 и ЦАП 16 (их разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.

На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где: магнитопрозрачная стеклянная сфера 3, с нанометровыми сквозными порами 4 малого диаметра, заполненными квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка.

Магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, через двухслойную углеродную нанотрубку 8 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls), представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 9 и 10, с расстоянием между соседними графитовыми слоями (межтрубочное расстояние), близким к величине (приближенно равным) 0,34 нм, при котором силы Ван-дер-Ваальса минимальны. Вложенные одна в другую однослойные углеродные нанотрубоки 9, 10 образуют наноподшипник скольжения для перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 по электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 9 соединена с поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 10 продета и закреплена в одной из нанометровых сквозных пор малого диаметра 4 магнитопрозрачной стеклянной сферы 3, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем.

Минимальный диаметр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и магнитных наночастич 7 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 19. Стрелками указываются направления входящего λ 1 и преобразованного λ 2 по длине волны излучения, где λ 1 -длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка 6, вызывающего их люминесценцию, λ 2 - длина волны люминесценции квантовых точек структуры ядро-оболочка 6, смещенных на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ 1. Стрелками с символом 1 и 2 (первый и второй векторы магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешних магнитных полей, создаваемых первой плоской 13 и второй плоской 14 микрокатушками. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка, закрепленных в корпусе магнотопрозрачной стеклянной сферы 3, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка, при взаимодействии разнополярных или однополярных магнитных полей. Двунаправленной стрелкой с символом ΔZ показан примерный диапазон сканирования боковых стенок наноколодцев по координате Z объекта диагностирования 19.

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование магнито-оптоэлектронных наноструктур или элементов магнито-термо-светочувствительных наноструктур живых биологических объектов при проведении исследований в области нейрофотоники), используемые для легирования квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 (т.е. длина волны λ 1 больше λ 2 или λ 1 меньше λ 2). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности, тем, чтобы λ 1 находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 19, а стимулирование диагностируемого объекта 19 осуществлялось только излучением квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ 2, которая вызывает появление электрических сигналов откликов в точке соприкосновения вершины магнотопрозрачной электропроводящей зондирующей иглы 2 с электропроводящим участком диагностируемого объекта 19.

Длина волны поглощения λ 1 каждой квантовой точкой 6 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ 2 каждой квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, 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 ближнего инфракрасного излучения.

Ядро каждой квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка 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 каждой квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка 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.

Ферромагнитное ядро магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFe₂O_3; NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt, или их комбинации, но не ограничивается ими. Размер ядра одной магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка сформирована из магнитомягкого или суперпарамагнитного материала, например, может включать, по меньшей мере один материал, выбранный из групп, состоящих из Fe₃O₄, FeO, CoFe₂O_4; MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂O₄ или их комбинации, но не ограничивается ими. Внешняя оболочка может иметь толщину в диапазоне от 0,5 нм до 3 нм. Внешняя оболочка защищает ядро от окисления и повышает магнитные свойства магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что, в свою очередь, защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 19 при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной стеклянной сферы 3.

Для осуществления изобретения могут быть использованы, например, известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [4, 5, 6].

Для осуществления изобретения кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки [7].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка и квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка в нанометровые поры 5 большого диаметра и, затем, за счет проникновения квантовых 6 точек структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. 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 [8].

Вершина электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки [9].

Многослойная углеродная нанотрубка 8 состоящая из однослойной нанотрубки 9, малого диаметра вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 10 (в совокупности, используемые в качестве наноподшипника скольжения), может быть соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой при помощи атомно-силового микроскопа или изготовлена выращиванием на электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 при помощи известной технологии выращивания многослойной углеродной нанотрубки (используемой в качестве наноподшипника) непосредственно на оси вращения ротора НЭМС (нано электромеханической системы) электродвигателя или гироскопа с наружным диаметром внешней углеродной нанотрубки от 10 нм [10].

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицими структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 19, расположенному на оптомагнитопрозрачной подложке 18, и касается поверхности электропроводящей жидкости, которой заполнен наноколодец объекта диагностирования 19 (фиг. 2), получая данные об электрических характеристиках элемента объекта диагностирования 19, до включения и после включения первого внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 с длиной волны λ 1. В результате квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность наноколодца диагностируемого объекта 19 излучением длинной волны λ 2, определенной в зависимости от выбранного материала квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки. В зависимости от требуемых режимов, диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ 2 квантовых точек в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения первого внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 с целью исключения посторонних засветок и помех).

Одновременно на вход первого ЦАП 15 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку первой плоской 13 микрокатушки, создающей внешнее управляющее магнитное поле ( 1), направленное на центр перемещаемой по координате Z магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Магнитные полюса всех магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка постоянно ориентированы параллельно электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 и в совокупности образуют структуру со свойствами постоянного магнита.

Под действием электрических управляющих сигналов с выхода первого ЦАП 15 и второго ЦАП 16 (например, чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) первая плоская 13 микрокатушка и вторая 14 плоская микрокатушка создают внешнее магнитное поле, с той или иной величиной и направлением магнитных силовых линий, в соответствии с направлением которых при взаимодействии постоянного магнитного поля магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с переменным магнитным полем, создаваемым первой 13 и второй 14 плоскими микрокатушками в диапазоне ΔZ происходит последовательное перемещение магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка вниз или вверх по координате Z параллельно сканируемой боковой стенки наноколодца объекта диагностирования 19. При диагностировании глубоких наноколодцев, глубина которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы (возможно в несколько раз), на вход второго ЦАП 16 подается код, который увеличивает ток, проходящий по обмотке второй плоской микрокатушки 14, которая, в свою очередь, увеличивает силу притяжения магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка 7, размещенных в магнитопрозрачной стеклянной сфере 3. В результате магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 соскальзывает с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 и начинает погружаться на дно наноколодца (фиг. 3), одного из элементов объекта диагностирования 19. Скорость сканирования стенок наноколодца определяется скоростью изменения двоичного кода, поступающего на вход первого ЦАП 15 и второго 16 ЦАП. В режиме «погружение» (фиг. 3) первая плоская микрокатушка 13 создает поле 1 и осуществляет функции торможения или подталкивания магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 (в зависимости от полярности сигналов подаваемых на первую микрокатушку 13, она создает магнитное поле, которое притягивает или отталкивает магнитные наночастицы структуры ядро-оболочка 7, расположенные в магнитопрозрачной стеклянной сфере 3), а вторая микрокатушка 14 осуществляет функции стаскивания стеклянной сферы 3 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, при выполнении условия ( 1 < 2). При обратном сканировании (в режиме «всплытие») соотношение величин 1 и 2 меняются местами ( 1 > 2). И магнитопрозрачная стеклянная сфера 3, пристыковавшись, занимает исходное положение на вершине электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, (если по программе исследований требуется ее возвращение). После этого осуществляется переход к исследованию следующего наноколодца.

Предложенная конструкция сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также 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 длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждый наноколодец с координатами X, Y, непосредственно расположенный под вершиной электропроводящей магнотопрозрачной иглы и получить дополнительную информацию при сканировании по координате Z наноколодцев, глубинны которых больше длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы. Это позволяет осуществить управление поведением исследуемых живых биологических объектов, обнаружить и исследовать их отдельные точечные опто-магнито-термо чувствительные участки, изменяющие свои электрические свойства при одновременном точечном наноразмерном стимулирующем воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона λ 2, в сочетании с воздействием постоянным или импульсным магнитным полем или точечным тепловым излучением на различных ранее не доступных для проведения исследований глубинах. Например, при проведении сканирования по координате Z сенсорных наноструктур, расположенных на стенках наноколодцев на больших глубинах, в несколько раз больших длины электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

Источники информации

1. 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.

2. Патент RU 2587691 С1, 20.06.2016, G01Q 60/24, B82Y 35/00, ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В.

3. Патент RU 2615052 С1, 03.04.2017, G01Q 60/24,. B82Y 35/00, СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В.

4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.

5. Patent Application Publication Pub. No.: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORE_SHELL STRUCTURED NANOP ARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOP ARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF.

6. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130342297 A1 Pub. Date. Dec. 26, 2013 MAGNETIC EXCHANGE COUPLED CORE-SHELL NANOMAGNETS.

7. Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

8. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

9. Patent №.: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS.

10. Patent №.: US 8771525 B2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в атомно-силовой микроскопии для диагностирования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что магнитопрозрачный кантилевер соединен с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой, вершина которой подвижно соединена с помощью двух вложенных углеродных нанотрубок с магнитопрозрачной отделяемой и автономно функционирующей стеклянной сферой со сквозными нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковой ориентацией полюсов структуры ядро-оболочка. Дистанционное управление возбуждением квантовых точек структуры ядро-оболочка и их автономное перемещение по координате Z при сканировании боковых стенок наноколодцев объекта диагностирования осуществляется с помощью двух внешних встречно направленных синхронизированных электромагнитных полей. Техническим результатом является возможность осуществления сканирования наноколодцев по координате Z, глубина которых больше длины зондирующей иглы, с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия на стенки наноколодцев с одновременным измерением электрических характеристик на это стимулирующее воздействие в одной точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки. 3 ил.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с отделяемым телеуправляемым нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий двухслойную углеродную нанотрубку, магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, продетой в углеродную нанотрубку малого диаметра, которая вложена в нанотубку большего диаметра, наружная поверхность которой закреплена в магнитопрозрачной стеклянной сфере, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами с одинаковым направлением ориентации полюсов структуры ядро-оболочка, с внешней стороны покрытыми защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, первый внешний источник возбуждения квантовых точек, первый внешний источник магнитного поля в виде первой плоской микрокатушки, соединенной с выходом первого ЦАП, отличающийся тем, что содержит второй внешний источник возбуждения квантовых точек, второй внешний источник магнитного поля в виде второй плоской микрокатушки, размещенной на оптомагнитопрозрачной подложке, второй ЦАП, С-образную синхронно-центрирующею скобу, прикрепленную верхней частью к кантилеверу, а нижней частью ко второму внешнему источнику возбуждения квантовых точек, второй ЦАП соединен со вторым внешним источником магнитного поля в виде второй плоской микрокатушки, размещенной на оптомагнитопрозрачной подложке, закрепленной на нижней оконечной части С-образной синхронно-центрирующей магнитопрозрачной скобы, на противоположной верхней оконечной части которой закреплена первая плоская микрокатушка плоской поверхностью параллельно плоским поверхностям второй микрокатушки и параллельно расположенной между ними оптомагнитопрозрачной подложке с размещенным на ее лицевой стороне объектом диагностирования, причем оптическая ось второго источника возбуждения квантовых точек выставлена так, что она проходит через центры первой и второй плоских микрокатушек и центр магнитопрозрачной стеклянной сферы.