Полезная модель рф 140007

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что кантилевер соединен с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета через сферу, выполненную из полимера со сквозными нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка. Сфера покрыта защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны электромагнитного излучения от внешнего источника и длины волны излучения, генерируемого квантовыми точками структуры ядро-оболочка. Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением характеристик электрического сигнала на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки поверхности, что позволяет осуществить оптоэлектрические исследования наноразмерных структур материалов и биологических объектов.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Известен зонд атомно-силового микроскопа для измерения модуля упругости (модуля Юнга) биологических объектов и предотвращения повреждения их поверхности, состоящий из tipless кантилевера (кантилевер без иглы), на вершине которого закреплен кварцевый шарик диаметром 5 мкм (Д.В. Лебедев, А.П. Чукланов, А.А. Бухараев, О.С. Дружинина. Измерение модуля Юнга биологических объектов в жидкой среде с помощью специального зонда атомно-силового микроскопа // Письма в ЖТФ. - 2009 - Т. 35. Вып.8 - С.54-61.).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного 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 для механического определения упругости (модуля Юнга) клеток крови, состоящий из tipless кантилевера (кантилевер без иглы), на вершине которого закреплена полимерная сфера диаметром 10 мкм (Патент RU 2466401 С1, 10.11.2012 G01N 33/49 Способ определения упругости клеток крови).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Отличие предлагаемого технического решения от известных заключается в использовании нанокомпозитного излучающего элемента в виде полимерной сферы, легированной квантовыми точками структуры ядро-оболочка, закрепленной на вершине электропроводящей зондирующей иглы, что позволяет осуществить точечные оптоэлектрические исследования наноразмерных структур материалов и биологических объектов с фотобиологическими свойствами.

Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением характеристик электрического сигнала отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Технический результат предложенной полезной модели достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, содержит кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, полимерную сферу с нанометровыми сквозными порами выполненной из полимера с нанометровыми сквозными порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух, и определяется диаметром полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности сферы, причем полимерная сфера с нанометровыми сквозными порами, крепится к выполненной электропроводящей зондирующей игле за счет продевания с трением вершины электропроводящей зондирующей иглы, в одну из сквозных пор полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами, до выхода вершины с другой стороны полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, расположенных на поверхности объекта диагностирования, остальные сквозные поры, с заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка покрыты защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны электромагнитного излучения от внешнего источника возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка и длины волны излучения со стоксовым сдвигом, генерируемого квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера, и его излучение ориентировано на центр полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

Сущность полезной модели поясняется на фиг.1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками. На фиг.2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками.

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка фиг.1 состоит из: кантилевера 1, соединенного с электропроводящей зондирующей иглой 2, вершина которой продета в одну из сквозных пор полимерной сфера 3 с нанометровыми сквозными порами 4, заполненными квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 6 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1, с направлением излучения, ориентированным на центр полимерной сферы 3. Также на фиг.1 представлен диагностируемый объект 7, размещенный на подложке 8, в момент соприкосновения его с электропроводящей иглой 2. Элементы 4, 5, 7 более подробно приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2.

На выносном элементе A (10:1) фиг.2 представлены элементы в разрезе, где полимерная сфера 3 с пустотелыми сквозными наометровыми порами 4, заполненными квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка, в одной из пор 4 полимерной сферы 3 жестко закреплена вершина электропроводящей зондирующей иглы 2, под полимерной сферой 3 расположен многослойный диагностируемый объект 7, нанесенный на подложку 8. На поверхности объекта диагностирования 7 расположен технологический наноколодец 9. Минимальный диаметр полимерной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных квантовых точек 5 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 7. Стрелками указываются направления входящего ₁ и преобразованного ₂ по длине волны излучения, где ₁ - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающих их люминесценцию, ₂ - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны ₁. H1 - расстояние от нижней точки соприкосновения зондирующей электропроводящей иглы 2 с контуром сферы 3 до поверхности объекта диагностирования 7 (высота подъема сферы над поверхностью объекта диагностирования). H2 - расстояние от поверхности объекта диагностирования 7 до дна технологического наноколодца 9 (глубина наноколодца). Для повышения достоверности снятия диагностической информации величина высоты H1 выбирается, исходя из условия осуществления возможности зондирования электропроводящей иглой 2 дна самого глубокого технологического наноколодца на диагностируемом объекте и исключения повреждения полимерной сферы 3. Из этого следует, что расстояние H1 принимается равным максимальному расстоянию H2 (глубине исследуемых наноколодцев, расположенных на поверхности объекта диагностирования).

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование оптоэлектронных вычислительных структур или светочувствительных тканей биологических объектов), используемые для легирования квантовые точки 5 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно длины волны излучения внешнего источника возбуждения 6 (т.е. длина волны ₁ больше ₂ или ₁ меньше ₂). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности с тем, чтобы ₁ находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 7, а стимулирование его осуществлялось только излучением квантовых точек 5 структуры ядро-оболочка с длиной волны ₂, которая вызывает появление или изменение электрических сигналов откликов в точке соприкосновения вершины электропроводящей иглы 2 с участком диагностируемого объекта 7. В частности наибольшая энергия излучения ₂ падает только на ограниченную площадь, находящуюся под сферой 3, размер пятна излучения определяется диаметром полимерной сферы 3 и расстоянием ее подъема над объектом диагностирования 7. Это позволяет получить минимальное пятно излучения с диаметром, близким к диаметру используемых квантовых точек, при использовании минимального количества квантовых точек структуры ядро-оболочка и минимальном расстоянии приближения излучающего элемента к точке исследования, расположенной на объекте диагностирования.

Длина волны излучения ₁, поглощаемого квантовой точкой 5 структуры ядро-оболочка, и длина волны излучения ₂ квантовой точки 5 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их процентным 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 излучения.

Ядро квантовой точки 5 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 квантовой точки 5 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.

Для осуществления полезной модели кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки (Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Изготовление нанокомпозитного излучающего элемента осуществляется легированием полимерной сферы 3 квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения квантовых точек в наноразмерные поры 4 полимерной 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 (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Вершина электропроводящей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки (Patent .: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS).

Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка работает следующим образом: кантилевер 1 с зондирующей электропроводящей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 7, расположенному на подложке 8, и надавливает на него, получая данные об электрических характеристиках объекта диагностирования 7, до включения и после включения внешнего источника возбуждения 6 квантовых точек с длиной волны ₁. В результате квантовые точки 5 возбуждают исследуемую точку на поверхности диагностируемого объекта 7 излучением с длинной волны ₂, определенной в зависимости от выбранного материала квантовой точки 5 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 с длиной волны ₂ квантовых точек в интервале времени, равному времени их флуоресценции после выключения внешнего оптического источника 6 с целью исключения посторонних засветок и помех). Возможность измерения электрических характеристик с помощью электропроводящей зондирующей иглы 2, расположенной по центру наноразмерного пятна на поверхности образца от стимулирующего излучения в начальный и последующие моменты времени, осуществляется автоматически (за счет конструкции). Это позволяет исследовать точечное влияние излучения с длиной волны ₂ на изменение электрических характеристик в точке контакта зонда с поверхностью образца без возбуждения электромагнитным излучением соседних участков поверхности, проводить оптоэлектрическое исследование дна наноколодцев 9, размещенных на поверхности объекта диагностирования 7.

Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, обеспечивает также возможность осуществления съема топологического распределения электрических характеристик в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под вершиной электропроводящей зондирующей иглы, на дне технологического наноколодца при последовательном сканировании объекта диагностирования, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

1. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, полимерную сферу, отличающийся тем, что содержит зондирующую иглу, соединенную с кантилевером, а полимерная сфера с нанометровыми сквозными порами выполнена из полимера с нанометровыми сквозными порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух и определяется диаметром полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами, причем полимерная сфера с нанометровыми сквозными порами крепится к выполненной электропроводящей зондирующей игле за счет продевания с трением вершины электропроводящей зондирующей иглы, в одну из сквозных пор полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами, до выхода вершины с другой стороны полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, расположенных на поверхности объекта диагностирования, остальные сквозные поры с заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка покрыты защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны электромагнитного излучения от внешнего источника возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка и длины волны излучения со стоксовым сдвигом, генерируемого квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера и его излучение ориентировано на центр полимерной сферы с нанометровыми сквозными порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.