Зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа

Зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим получение информации о состоянии поверхности с использованием сканирующей зондовой микроскопии.

Известен зонд для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), содержащий кварцевый резонатор с иглой, закрепленной на одном из его плече, причем другое плечо закреплено на держателе [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что в нем невозможно использовать второе плечо для расширения функциональных возможностей устройства.

Известен также зонд на основе кварцевого резонатора, содержащий кварцевый резонатор с первым и вторым плечами, на которых закреплены соответственно первая и вторая иглы, изготовленные из магнитных материалов [2].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого устройства заключается в том, что крепление игл на поверхности плеч недостаточно надежно.

Второй недостаток связан с тем, что излишняя масса клея, которая необходима для закрепления игл, изменяет характеристики кварцевого резонатора, такие как резонансная частота и добротность, а это приводит к снижению чувствительности зонда и соответственно снижению разрешения при его использовании.

Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности зонда и его надежности.

Указанный технический результат заключается в том, что в зонде на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащем кварцевый резонатор с первым и вторым плечами, на которых закреплены соответственно первая и вторая иглы, которые закреплены в пазах плеч кварцевого резонатора.

Существуют варианты, в которых пазы выполняют непосредственно в плечах кварцевого резонатора или в слоях клея, полимеризованного на каждом плече. Возможны также варианты, в которых существует механическая связь между иглами или плечами.

На фиг.1 изображен зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа;

на фиг.2, фиг.3, фиг.4 изображены варианты закрепления игл;

на фиг.5 - вариант соединения игл посредством тонкой проволоки;

на фиг.6 - вариант соединения плеч кварцевого резонатора.

Устройство содержит кварцевый резонатор 1 (фиг.1) с первым 2 и вторым 3 плечами, на которых, соответственно, закреплены первая 4 и вторая 5 иглы. Способ изготовления игл описан в [3, 4, 5]. При этом первая игла 4 и вторая игла 5 размещены в первом 6 и втором 7 пазах плеч кварцевого резонатора. Кроме этого кварцевый резонатор 1 может содержать основание 8 и электрические выводы 9 и 10.

В первом варианте пазы 6, 7 выполнены непосредственно в плечах кварцевого резонатора. Пазы могут быть сформированы лазерной резкой, а также с помощью ионного источника. В пазах могут быть сформированы клеевые швы 11. Следует заметить, что возможен вариант закрепления игл в пазах с натягом, с лазерным оплавлением одного или двух краев 12 (фиг.3) на каждом пазу, а также с дополнительным закреплением игл 13 клеевыми швами 14.

Существует также вариант, в котором каждый паз 15 сформирован за счет двух буртиков 16 и 17. Буртики (пазы) формируются в капле клея, предварительно заполимеризованной на каждом плече, путем механической обработки.

Установку игл 18 в такие пазы также целесообразно выполнять с использованием клеевых швов 19. Этот вариант менее надежен по сравнению с изображенным на фиг.2, фиг.3, однако он также может иметь место как более дешевый и быстрый. Характерный диаметр игл составляет величину порядка 100 мкм, поэтому возможна механическая прорезка капли клея с образованием буртиков 16 и 17.

Следует также заметить, что формирование пазов возможно также на торцевых поверхностях плеч кварцевых резонаторов (не показано).

В некоторых случаях использование кварцевых резонаторов, когда не нужна высокая чувствительность зонда, а в первую очередь интересует скорость измерения, возникает необходимость использования зондов с вполне определенной и не очень высокой (порядка 1000) добротностью.

Кроме этого иногда необходимо (например, для литографии) подавать потенциал на иглу. И та, и другая проблема могут быть решены путем соединения (пайкой или сваркой) первой 20 и второй 21 игл тонкой 20-50 мкм проволокой 22 (фиг.5). В этом случае удобно использовать проволоку 22 для подачи на нее потенциала при проведении литографии. Проволоку 22 целесообразно соединять микросваркой с иглами 20 и 21 до установки игл в пазы.

В частном случае возможно соединение плеч 23 и 34 (фиг.6) тонкой 10-30 мкм перемычкой 25 либо размещение капли жидкости 26 между иглами 27 и 28.

Устройство работает следующим образом. Зонд, используя основание 8 и выводы 9 и 10, устанавливают в сканирующий зондовый микроскоп, осуществляют сближение одной из игл 4 или 5 с объектом (не показан), после чего производят сканирование поверхности объекта. Информацию о рельефе поверхности получают путем измерения изменения амплитуды или фазы колебаний плеч 2, 3 кварцевого резонатора [6, 7, 8, 9].

Установка игл в пазах плеч кварцевого резонатора повышает надежность их закрепления, а также повышает разрешение зонда за счет уменьшения массы клея и соответственно стабилизации характеристик кварцевого резонатора. Одновременно упрощается процесс закрепления игл, т.к. пазы являются направляющими для игл и не позволяют им изменять свое местонахождение в процессе полимеризации клея.

Механическая связь игл между собой, а также плеч позволяет регулировать добротность кварцевого резонатора и, следовательно, повышать разрешение устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Franz J.Giessibl, High - speed force sensor for force microscopy and profilometry utilizing a quartz fork., Applied Physics Letters, Volume 73, № 26, 28 December 1998 г.

2. Патент RU 2208763, 2003 г.

3. Патент Японии № 04203903А, G01B 7/34, 1990 г.

4. Патент Японии № 02066402, G01B 7/34, 1988 г.

5. Патент Японии № 04344403, G01B 7/34, 1991 г.

6. Franz J.Giessibl, Atomic resolution on Si (111)-(7×7) by noncontact atomic force microscopy with a force sensor based on a quartz tuning fork., Applied Physics Letters, Volume 76, № 11, 13 March 2000.

7. W.H.J.Rensen and N.F. van Hulst, A.G.T.Ruiter and P.E.West, Atomic steps with huning-fork-base noncontact atomic force microscopy, Applied Physics Letters, Volume 75, №11, 13 September 1999.

8. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы, т.12, № 1, 1998 г., с.99-121.

9. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электохимии поверхности. А.И.Данилов. Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.

1. Зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащий кварцевый резонатор с первым и вторым плечами, на которых закреплены соответственно первая и вторая иглы, отличающийся тем, что иглы закреплены в пазах плеч кварцевого резонатора.

2. Зонд на основе кварцевого резонатора по п.1, отличающийся тем, что пазы выполнены непосредственно в плечах кварцевого резонатора.

3. Зонд на основе кварцевого резонатора по п.1, отличающийся тем, что пазы выполнены в слоях клея, полимеризованного на каждом плече.

4. Зонд на основе кварцевого резонатора по п.1, отличающийся тем, что иглы механически связаны между собой.

5. Зонд на основе кварцевого резонатора по п.1, отличающийся тем, что плечи механически связаны между собой.