Зонд для атомно-силового микроскопа
Зонд для атомно-силового микроскопа может быть использован в сканирующей зондовой микроскопии для изучения трибологических свойств материалов, а именно силы и коэффициента трения в микро- и наномасштабе. Для изготовления зонда используют частицу порошка сферической формы диаметром 40-80 мкм, полученную методами порошковой металлургии, при которых материал частицы подвергается обязательному плавлению и кристаллизации. Технический результат - повышение точности измерений силы и коэффициента трения материалов машиностроения за счет обеспечения наконечника зонда фазовым составом материала, необходимым для формирования трибопар. 1 ил.
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к зондам для атомно-силовых микроскопов и может быть использована в сканирующей зондовой микроскопии для изучения трибологических свойств материалов, а именно силы и коэффициента трения в микро- и наномасштабе.
Известны коллоидные зонды для атомно-силового микроскопа [1]. Зонд содержит кремниевую консоль со стандартным наконечником в виде кремниевой пирамиды. На пирамиде закреплена коллоидная частица оксида кремния (SiO 2) диаметром 5,5 мкм. Недостатком таких зондов является недостаточная прочность частицы - наконечника.
Известны коллоидные зонды для атомно-силового микроскопа [2]. Каждый из зондов содержит кремниевую консоль, на конце консоли расположен наконечник в виде кремниевой пирамиды, модифицированной углублением, содержащим коллоидную частицу диаметром 3-10 мкм из перечня материалов: стекло, железо, медь, титан, полиметилметакрилат. Недостатком таких зондов является то, что, использование наконечника с частицами из вышеперечисленных материалов ограничивает количество вариантов двух контактно взаимодействующих поверхностей (трибопар) при исследовании процессов трения.
Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа, является зондовый датчик (зонд), описанный в способе изготовления коллоидного зондового датчика для атомно-силового микроскопа [3]. Зонд для атомно-силового микроскопа содержит консоль и расположенную на ней иглу (наконечник), на кончике которой закреплена коллоидная частица сферической формы с помощью клеящего материала. Недостатком указанного зонда является низкая точность измерения силы и коэффициента трения между поверхностями материалов деталей машиностроения, моделируемыми зондом и образцом для формирования трибопар, из-за свойств коллоидной частицы, полученной химическим методом, так как материал коллоидной частицы не отражает фазовый состав материалов деталей машиностроения, в процессе получения которых обязательно имеются операции плавления и кристаллизации.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерений силы и коэффициента трения материалов машиностроения за счет обеспечения наконечника зонда фазовым составом материала, необходимым для формирования трибопар.
Задача решается следующим образом. Известный зонд для атомно-силового микроскопа содержит консоль с расположенным на ней наконечником и частицу сферической формы. Согласно предлагаемому техническому решению частица сферической формы выполнена из порошка металла диаметром 40-80 мкм и прикреплена к консоли и боковой поверхности наконечника, при этом консоль выполнена треугольной формы.
Таким образом, в предлагаемом устройстве частица сферической формы, выполненная из порошка металла диаметром 40-80 мкм, который является сырьем для порошковой металлургии, расширяет спектр материалов наконечника фазового состава, позволяющего формировать трибопары и моделировать контактное взаимодействие наиболее широко применяемых материалов для деталей машиностроения. Широкий спектр составов таких порошков позволяет подбирать нужный состав наконечника-контртела и предварительно определить его механические свойства, изготовив шлиф и измерив микротвердость частицы порошка, определить фазовый состав порошка. Больший диаметр контактирующей частицы сферической формы обеспечивает большую площадь контакта ее с поверхностью и, соответственно, более точное определение значений сил трения при контактном взаимодействии зонда с поверхностью. Кроме того, при большем диаметре частицы сферической формы контакт наконечника с поверхностью обеспечивает контакт «плоскость-плоскость». Частица сферической формы порошка нужного состава и диаметра закрепляется с использованием клеящего материала на треугольной консоли стандартного кремниевого зонда. Использование консоли треугольной формы обеспечивает большую жесткость по сравнению с балочными консолями.
На чертеже показана схема общего вида зонда в увеличенном масштабе.
Зонд содержит консоль 1 треугольной формы с наконечником 4 и частицу 2 сферической формы из порошка металла диаметром 40-80 мкм, например сплава титана марки ВТ 1-0 (0,1% кремния, остальное титан), закрепленную к боковой поверхности 5 наконечника 4 и поверхности консоли 1 с помощью клеящего материала 3.
Зонд работает следующим образом. Зонд перемещается по поверхности исследуемого образца, находясь в контакте с образцом (в статическом режиме работы). При сканировании зондом, установленным в атомно-силовом микроскопе, по поверхности исследуемого образца в прямом и обратном направлении консоль 1 треугольной формы испытывает закручивание с образованием угла закручивания под действием сил трения между частицей 2 сферической формы диаметром 40-80 мкм из сплава титана, закрепленной к консоли 1 и к боковой поверхности 5 наконечника 4 с помощью клеящего материала 3, и поверхностью образца. Фиксируя величину угла закручивания с использованием атомно-силового микроскопа определяют силу трения и коэффициент трения поверхностей.
Таким образом, снабжение зонда атомно-силового микроскопа частицей сферической формы из порошка металла диаметром 40-80 мкм, который является сырьем для порошковой металлургии, позволяет составлять трибопары из частицы зонда и поверхности исследуемого образца, моделирующие наиболее широко применяемые материалы для деталей машиностроения, что повышает точность измерений в методиках определения коэффициента и силы трения в сканирующей зондовой микроскопии, а также дает возможность повторного использования отработавших кремниевых зондов.
Источники информации:
1. Evaluation of the particle-particle interactions in a toner by colloid probe AFM / M. Tanaka [et al.] / Powder Technology. - V. 183. - 2008. - P. 273-281.
2. WO 2009/043368, МПК G01N 13/16, G12B 21/02, 2009.
3. RU 2010134186 A, МПК G02B 21/00, 2012 (прототип).
Зонд для атомно-силового микроскопа, содержащий консоль с расположенным на ней наконечником и частицу сферической формы, отличающийся тем, что частица сферической формы выполнена из порошка металла диаметром 40-80 мкм и прикреплена к консоли и боковой поверхности наконечника, при этом консоль выполнена треугольной формы.
