Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа

Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к исследованиям материалов с помощью атомно-силового микроскопа и может использоваться при исследовании различных материалов в деформированных состояниях.

Уровень техники

Известно техническое решение (1. Takashi Nishino, Akiko Nozawa, Masaru Kotera, and Katsuhiko Nakamae. In situ observation of surface deformation of polymer films by atomic force microscopy // Rev. Scientific instruments 71(5), (2000) стр.2094-2096), в котором приведено растягивающее устройство для проведения исследований материалов методом атомно-силовой микроскопии в деформированных состояниях. Устройство выполнено в виде отдельного растяжного блока, с одним подвижным захватом, движение которого обеспечивает растяжение исследуемого образца, на который сверху вручную подводится сканер микроскопа и проводится сканирование. Недостатком данного устройства является то, что деформация образца производится с помощью движения только одного захвата, что приводит к смещению центра сканирования, которое корректируется с помощью сложной системы винтов, а также грубый ручной подвод зонда к исследуемому материалу.

Известно техническое решение (2. Атомно-силовая микроскопия деформаций полимерных пленок: Дипломная работа студента МГУ физического факультета каф. Физики полимеров и кристаллов Багрова Д.В., Москва, 2007, стр.17), в котором приведено устройство с растяжным механизмом для исследования материалов в деформированных состояниях. Устройство предполагает отдельный столик с растягивающим механизмом, снабженный двумя винтами для независимого перемещения в противоположные стороны, на который ставится сканирующая головка от атомно-силового микроскопа и производится сканирование образца. Недостатками данного устройства являются ручной подвод сканирующей головки к поверхности исследуемого материала, а также растяжение образца с помощью двух винтов, приводящее к потере центральной точки сканирования.

Наиболее близким является техническое решение (3. Bharat Bhushan, Prasad S. Mokashi, Tiejun Ma. A technique to measure Poisson's ratio of ultrathin polymeric films using atomic force microscopy // Rev. Scientific instruments 74(2), 1043-1047 (2003)), в котором приведено устройство с растяжным механизмом для исследования материалов в деформированных состояниях. Устройство представляет собой отдельный блок для растяжения материалов, в котором движение захватов в противоположные стороны осуществляются с помощью винта с левой и правой резьбой от мотора, обеспечивающее одновременное расхождение захватов. Недостатком данного устройства является ручной подвод сканирующей головки АСМ, приводящий к поломке сканирующих зондов (кантилеверов), а также боковое расположение винта относительно образца, что не позволяет растягивать более твердые (жесткие) материалы без скоса захватов, приводящего к неправильной деформации исследуемого материала.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства с растяжным механизмом для исследования материалов, которое можно встроить в атомно-силовой микроскоп на все время исследования образца.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в упрощении способа исследования полимерных материалов в деформированных состояниях методом атомно-силовой микроскопии и в сохранности сканирующих зондов.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Ограничительные: устройство для растяжения делается в виде отдельного блока с механизмом, двигающим зажимы с закрепленным образцом в противоположные стороны, на который сверху подводят зонд атомно-силового микроскопа и проводят сканирование.

Отличительные: устройство с растяжным механизмом делается в виде встроенного в атомно-силовой микроскоп механизма и тем самым подвод и отвод сканирующего зонда (кантилевера) происходит автоматически с помощью позиционера самого микроскопа.

Растяжение образца с помощью устройства в виде отдельного блока, на котором крепится исследуемый образец, всегда предполагает ручной режим подвода зонда к поверхности сканируемого образца. Разработка устройства, которое можно встроить в атомно-силовой микроскоп, посредством закрепления растяжного механизма в основание каретки держателя образца, позволяет использовать механизм подвода (позиционер) самого оборудования. Использование данного устройства с растяжным механизмом позволит ускорить процесс подвода зонда к образцу и сохранить кантилеверы в рабочем состоянии.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведено схематическое изображение предлагаемого устройства для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа.

На фиг.2 приведено изображение предлагаемого устройства для исследования материалов в деформированных состояниях, встроенного в атомно-силовой микроскоп.

Осуществление изобретения

Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа содержит общее металлическое основание 1 (фиг.1), закрепленное на каретке держателя образца атомно-силового микроскопа 2, на котором с двух сторон закреплены две параллельные направляющие 3, по которым, при вращении вручную ручки винта 4, с разделенной относительно поперечной оси левой 5 и правой резьбой 6, обеспечивающими одновременное расхождения и приближение, двигаются подвижные зажимы 7 с закрепленным исследуемым образцом 8. Для измерения относительного удлинения при растяжении с боковой стороны основания закреплена шкала 9 с делением 0,5 мм. Устройство должно быть выполнено из легких и прочных материалов, таких, например, как дюраль, с общим весом не более 300 г (Проведение измерений. АСМ и СТМ измерения, спектроскопия, многопроходные методы, литография // Руководство пользователя. Зондовая нанолаборатория Интегро. НТ-МДТ, 2007 г., стр.3-40). Длина, ширина и высота (от основания до поверхности сканируемого образца) устройства не должны превышать 100 мм, 50 мм и 20 мм соответственно.

Исследование материалов в деформированных состояниях с помощью данного устройства осуществляется следующим образом. Образец исследуемого материала 9 закрепляется в зажимах 7, и устройство устанавливается в позиционер атомно-силового микроскопа с помощью специальных крепежей атомно-силового микроскопа (фиг.2). После проведения предварительных стандартных процедур (запуск программы управления, включение прибора, установка зондового датчика, настройка системы регистрации отклонении кантилевера, установка образца, установка измерительной головки, подвод образца к зонду на расстояние 0.5-1 мм) автоматически (с компьютера, без ручного вращения специальных ручек исследователем) проводится подвод образца 8 на рабочее расстояние и проводится сканирование. Затем образец автоматически отводится от зонда на безопасное для зонда расстояние (0,5-1 мм) и с помощью закручивания винта 4 производится растягивание образца на определенную длину, из которого определяется относительное удлинение и степень деформации образца. Удлинение фиксируется с помощью шкалы 9. Затем повторно делается подвод и сканирование образца. Такой цикл можно повторять несколько раз, в результате получается серия кадров одного участка материала в различных степенях деформации.

Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа, представляющее собой механизм, двигающий зажимы с закрепленным образцом в противоположные стороны, на который сверху подводят зонд атомно-силового микроскопа, и содержащий общее металлическое основание, закрепленное на каретке держателя образца атомно-силового микроскопа, на котором с двух сторон закреплены две параллельные направляющие, по которым, при вращении ручки винта, с разделенной относительно поперечной оси левой и правой резьбой, обеспечивающими одновременное расхождения и приближение, двигаются подвижные зажимы, отличающееся тем, что устройство с растяжным механизмом делается в виде встроенного в атомно-силовой микроскоп механизма и тем самым подвод и отвод сканирующего зонда (кантилевера) происходит автоматически с помощью позиционера самого микроскопа.