Устройство для изготовления зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа Российский патент 2024 года по МПК G01Q70/16 

Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано для изготовления микроострийных проводящих зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа.

Известен способ изготовления зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа [Миронов В. А. Основы сканирующей зондовой микроскопии / М: Техносфера, 2004. - 144 с], включающий перерезание под углом ~ 45° с одновременным растяжением на разрыв тонкой проволоки из инертного платиноиридиевого сплава с помощью остро заточенных ножниц, при этом в месте среза формируется вытянутое острие с неровным краем и многочисленными атомарными микровыступами, обеспечивающими атомное разрешение туннельного микроскопа.

Недостатком способа является плохая воспроизводимость параметров острий изготавливаемых зондирующих игл, а также недостаточно высокая кривизна их поверхности (R>500Å), и отсутствие возможности заданным образом регулировать величину этой кривизны.

Известен способ изготовления микроострий из металлической проволоки [А.с. №797440 СССР, МПК H01J 1/30, 1966. Способ изготовления микроострий из металлической проволоки / А.Л. Суворов, С.В. Зайцев, А.Ф. Бобков], включающий электрохимическое травление средней части проволочной заготовки в слое электролита и автоматическое прекращение травления при обрыве образующейся «шейки» под действием веса нижней части заготовки, при этом для уменьшения радиуса кривизны поверхности микроострия во время травления вдоль заготовки через ее среднюю часть (область формирования микроострия) пропускают постоянный электрический ток, плотность которого (регулируемая в пределах 10²-10⁴ А/мм²) определяется требуемой кривизной поверхности острия. Недостатком способа является плохая воспроизводимость параметров изготавливаемых микроострий, а также недостаточно высокая кривизна их поверхности (R>500Å) и отсутствие возможности заданным образом регулировать величину этой кривизны.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для изготовления платиновых СТМ-игл методом механического среза [Жуйков Б.Л., Шелковников Е.Ю., Тюриков А.В. Изготовление платиновых СТМ-игл методом механического среза // Сборник материалов X Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке». - 2015. - С. 501-504]. Устройство содержит гильотину, заготовку из платиновой проволоки, блок формирования силы резания с контролем деформации в месте резания, блок вытягивания острия иглы с датчиком перемещений, блок установки угла резания, регистратор формы острия на основе телекамеры, усилители, блок цифроаналоговых преобразователей, ПЭВМ. При перерезании гильотиной заготовки с ее одновременным растяжением на разрыв осуществляется пластическая деформация в месте среза и ее обрыв под действием растягивающей силы, при этом в месте среза формируется вытянутое острие неровной формы с многочисленными атомарными микровыступами, через один из которых и протекает туннельный ток СТМ.

Недостатком устройства является плохая воспроизводимость параметров острий изготавливаемых СТМ-игл, а также недостаточно высокая кривизна их поверхности (R>500Å) и отсутствие возможности заданным образом регулировать величину этой кривизны.

Задачей настоящего изобретения является повышение воспроизводимости параметров острий зондирующих игл, изготавливаемых методом механического резания проволочной заготовки, а также уменьшение и регулировка радиуса этой кривизны.

Технический результат заключается в создании нового устройства для изготовления зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа на основе введения блока регулируемых импульсов тока, соответствующих эффекту электропластичности в зоне шейки заготовки в течение всего процесса изготовления иглы, а также выполнения гильотины с регулируемым квадратным вырезом на ее режущих из непроводящих электрический ток кромках, с верхним уголковым краем-ограничителем движения подвижной части гильотины при минимальных динамических размерах ее квадратного выреза, и подсоединения выхода регистратора формы острия иглы на основе телевизионной камеры к персональной ЭВМ.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее гильотину, заготовку из платиноиридиевой проволоки, регистратор формы острия иглы, блок формирования шейки резания с контролем деформации в месте резания, блок вытягивания острия иглы с датчиком перемещений, при этом каждый из блоков последовательно соединен с соответствующим усилителем, с блоком цифроаналоговых преобразователей, и с персональной ЭВМ, введен блок регулируемых импульсов тока, выходные контакты которого соединены с концами заготовки, а вход подключен к выходу дополнительно введенного усилителя, вход которого соединен с блоком цифроаналоговых преобразователей, при этом гильотина выполнена с регулируемым квадратным вырезом на ее режущих из непроводящих электрический ток кромках, а ее подвижная часть включает верхний уголковый край-ограничитель движения при минимальных динамических размерах квадратного выреза, а выход регистратора формы острия иглы соединен с персональной ЭВМ.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - режущая поверхность гильотины с формированием шейки заготовки в форме квадрата А, В, С, D (а - начальная стадия резания, б - конечная).

Устройство содержит гильотину 1, заготовку 2, например, из платиноиридиевой проволоки, соединенную с блоком 3 формирования квадратной шейки резания, блок 4 вытягивания острия иглы с датчиком перемещений, соединенный с заготовкой 2, блок 5 регулируемых импульсов тока, выходные контакты которого соединены с концами заготовкой 2, причем указанные блоки 3, 4 и 5 соединены последовательно с усилителями 6, 7, и 8, с блоком 9 цифроаналоговых преобразователей, а выход регистратора 10 формы острия с использованием телевизионной камеры соединен с входом персональной ЭВМ 11, соединенной также с выходом блока 9 цифроаналоговых преобразователей.

При этом гильотина 1 содержит регулируемый квадратный вырез на ее режущих кромках, выполненных из непроводящего электрический ток материала. Подвижная часть гильотины 1 включает верхний уголковый край, ограничивающий ее движение.

Устройство работает следующим образом.

Один конец заготовки 2 закрепляется неподвижно, другой конец - с помощью узла крепления в блоке 4 вытягивания острия иглы с датчиком перемещений. Заготовка 2 из платиноиридиевой проволоки устанавливается в гильотине 1 под углом 90° к ее режущей поверхности.

Включается блок 3 формирования квадратной шейки резания заготовки 2 и гильотиной 1 осуществляется квадратный надрез шейки (~ 20% от диаметра заготовки 2 в непосредственной близости от неподвижного крепления ее конца). При этом закрепление неподвижного конца заготовки 2 динамически перемещается в место ее квадратного надреза.

Включается блок 5 регулируемых по амплитуде и частоте импульсов тока, протекающего вдоль заготовки 2 и обеспечивающего эффект электропластичности в зоне надреза шейки с ослаблением ее нагрева до практически холодного состояния [Спицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. - 160 с]. Благодаря резкому повышению пластичности в области шейки острия осуществляется его вытягивание с меньшим радиусом кривизны, который можно регулировать изменением амплитуды и частоты импульсов регулируемого источника тока 5. Плотность тока в сечении шейки заготовки 2 устанавливается в пределах 10²-10⁴ А/мм² в момент ее разрыва, пропорциональна требуемой кривизне острия, и соответствует условиям поддержания эффекта электропластичности (заключающегося в существенном увеличении предельной деформации предварительно деформированной шейки заготовки 2 при импульсном действии электротока определенной удельной энергии (10⁹ Дж/м³) в течение заданного времени (<0,1 с)).

Использование блока 5 регулируемых импульсов тока позволяет обеспечить лучшую воспроизводимость параметров острий изготавливаемых зондирующих игл за счет регулирования тока, соответствующего эффекту электропластичности через шейку заготовки 2 в течение всего процесса изготовления иглы.

Преимуществом квадратного выреза А, В, С, D на режущих из непроводящих электрический ток кромках гильотины 1, а также верхнего уголкового края-ограничителя движения подвижной части гильотины при минимальных динамических размерах выреза является то, что обеспечивается без перерезания неизменная квадратная форма сечения шейки заготовки 2 (от максимальной величины - до минимальной) на всех этапах ее резания. Неизменность и симметричность формы сечения шейки относительно оси заготовки 2 обеспечивают равенство и симметрию касательных тангенциальных напряжений в момент разрыва шейки, что гарантирует отсутствие «штопороподобной» формы острия иглы, а также увеличивает вероятность появления атомарных микровыступов, направленных по нормали к исследуемой СТМ поверхности.

Предложенное устройство позволяет осуществлять как одновременное, так и поочередное воздействие на заготовку процессов перерезания и вытягивания шейки для получения ступенчатой иглы с острием необходимой формы.

Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано для изготовления микроострийных проводящих зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа. Устройство для изготовления зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа содержит гильотину, заготовку из платиноиридиевой проволоки, регистратор формы острия иглы, блок формирования шейки резания, блок вытягивания острия с датчиком перемещений, каждый из блоков последовательно соединен с соответствующим усилителем, с блоком цифроаналоговых преобразователей, и с персональной ЭВМ, а также блок регулируемых импульсов тока, выходные контакты которого соединены с концами заготовки, а вход подключен к выходу дополнительно введенного усилителя, вход которого соединен с блоком цифроаналоговых преобразователей. Изобретение обеспечивает повышение воспроизводимости параметров острий зондирующих игл, изготавливаемых методом механического резания проволочной заготовки, а также уменьшение и регулировку радиуса этой кривизны. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для изготовления зондирующих игл сканирующего туннельного микроскопа, содержащее гильотину, заготовку из платиноиридиевой проволоки, регистратор формы острия иглы, блок формирования шейки резания, блок вытягивания острия с датчиком перемещений, каждый из блоков последовательно соединен с соответствующим усилителем, с блоком цифроаналоговых преобразователей, и с персональной ЭВМ, отличающееся тем, что введен блок регулируемых импульсов тока, выходные контакты которого соединены с концами заготовки, а вход подключен к выходу дополнительно введенного усилителя, вход которого соединен с блоком цифроаналоговых преобразователей.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что гильотина выполнена с регулируемым квадратным вырезом на ее режущих непроводящих электрический ток кромках, а подвижная часть снабжена верхним уголковым краем, ограничивающим ее движение.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выход регистратора формы острия иглы соединен с персональной ЭВМ.