Зонд для атомно-силовой микроскопии высокого разрешения

Авторы патента:

Предполагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, а конкретно к технике и устройствам сканирующего зонда. Задача предполагаемой полезной модели - увеличение эффективной жесткости и прочности на кручение зонда (острия), а также расширение функциональных возможностей зонда за счет увеличения разрешающей способности зонда кантилевера и снижения емкостного взаимодействия между балкой и поверхностью. Технический результат достигается за счет использования конструкции кантилевера, в котором нижняя сторона кремниевой балки покрыта слоем золота, зонд (острие) кантилевера выполнен из углерода и состоит из шести цилиндрических сегментов суммарной длиной 1,4 мкм, причем длина последнего сегмента составляет 0,7 мкм с радиусом закругления 30-40 нм.

Предполагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, а конкретно к технике и устройствам сканирующего зонда.

Известен аналог заявляемого объекта кантилевер для сканирующего зондового микроскопа [RU Патент RU 2161344 C1 от 27 декабря 2000 года], содержащий кремниевое основание, к которому крепится прямоугольной формы балка (левер), выполненная из кремния, на дальнем от основания конце которой расположен клиновидный выступ (зонд), острие которого параллельно направлению сканирования.

Данная конструкция зонда позволяет повысить механическую прочность кантилевера и снизить нелинейность зависимости снимаемого с него сигнала от рельефа сканируемой поверхности.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются: балка (левер), выполненная из монокристаллического кремния, прямоугольная форма балки (левера), зонд (острие) на конце балки.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: плоская форма острия (выступа), большой радиус кривизны острия.

Известен аналог заявляемого объекта зонд для сканирующей зондовой микроскопии [RU Патент RU 2266574 C2 от 27 марта 2005 года], содержащий кремниевое основание, к которому крепится прямоугольной формы балка (левер), выполненная из кремния, на дальнем от основания конце которой расположен кремниевый зонд (острие) конусообразной формы, на котором сформированы иглы в количестве от 1 до 50 штук, выполненные из поликристаллического алмазоподобного материала, диаметром 10-30 нм, длиной 10-300 нм и радиусом закругления 0,7-2 нм.

Данная конструкция зонда позволяет увеличить разрешающую способность и надежность кантилевера и позволяет использовать его в различных методиках сканирующей зондовой микроскопии (сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии).

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: большое аспектное соотношение формы игл и, как следствие, низкие значения эффективной жесткости зонда (острия) кантилевера и прочности на кручение.

Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является кантилевер с вискерным зондом [RU Патент RU 2275591 C2 от 27 апреля 2006 года], содержащий кремниевое основание, к которому крепится балка (левер), выполненная из кремния, на дальнем от основания конце которой расположен кремниевый зонд (острие) ступенчатой формы.

Данная конструкция зонда позволяет увеличить разрешающую способность и антивибрационную стабильность кантилевера.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: балка (левер), выполненная из монокристаллического кремния, зонд (острие) на конце балки, ступенчатая форма зонда (острия).

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются использование в качестве материала зонда монокристаллического кремния и, как следствие, низкое значение прочности зонда (острия) кантилевера на кручение, приводящее к снижению разрешающей способности.

Задача предполагаемого изобретения - увеличение эффективной жесткости и прочности на кручение зонда (острия), а также расширение функциональных возможностей зонда за счет увеличения разрешающей способности зонда кантилевера и снижения емкостного взаимодействия между балкой и поверхностью.

Это достигается за счет использования кремниевого основания, к которому крепится прямоугольной формы балка (левер), выполненная из кремния, нижняя сторона которой покрыта слоем золота для обеспечения электрического контакта с зондом, на дальнем от основания конце которой расположен проводящее зонд (острие) конусообразной ступенчатой формы, выполненный из углерода, длиной 1,4 мкм, состоящий из шести цилиндрических сегментов, причем длина последнего сегмента составляет 0,7 мкм, с радиусом закругления 30-40 нм, что обеспечивает увеличение эффективной жесткости зонда, повышение прочности на кручение и, как следствие, увеличение разрешающей способности зонда и, как следствие, возможность его использования в таких методиках атомно-силовой микроскопии, как метод отображения сопротивления растекания и метод пьезо-силовой микроскопии.

Технический результат достигается тем что, в известной конструкции кантилевера используется кремниевая балка прямоугольной формы, нижняя сторона которой покрыта слоем золота, а зонд (острие) кантилевера выполнен из углерода и состоит из шести цилиндрических сегментов суммарной длиной 1,4 мкм, причем длина последнего сегмента составляет 0,7 мкм с радиусом закругления 30-40 нм.

Для достижения необходимого технического результата в структуре кантилевера, состоящего из кремниевого основания, к которому крепится балка (левер), выполненная из кремния, на дальнем от основания конце которой расположен кремниевый зонд (острие) ступенчатой формы, используется балка прямоугольной формы, нижняя сторона которой покрыта слоем золота для обеспечения электрического контакта к зонду (острию), зонд (острие) изготовлен из углерода, имеет конусообразную ступенчатую форму и выполнен в виде шести цилиндрических сегментов общей длиной 1,4 мкм, причем длина последнего сегмента составляет 0,7 мкм с радиусом закругления 30-40 нм.

На Фиг. 1. приведены главный вид и вид сверху предлагаемого зонда.

Зонд для атомно-силовой микроскопии высокого разрешения (Фиг. 1) содержит прямоугольную балку 1, выполненную из монокристаллического кремния, нижняя сторона которой покрыта слоем золота 2 для обеспечения электрического контакта к зонду (острию), на конце которой сформирован зонд 3 (острие), выполненный из углерода и состоящий из 6 цилиндрических сегментов общей диной 1,4 мкм, причем длина последнего сегмента 4 составляет 0,7 мкм с радиусом закругления 30-40 нм.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой зонд для атомно-силовой микроскопии высокого разрешения, позволяющий увеличить эффективную жесткость, прочность на кручение, а также расширить функциональные возможности зонда за счет увеличения разрешающей способность зонда и снижения емкостного взаимодействия между балкой кантилевера и поверхностью. Использование углеродного зонда 3, имеющего ступенчатую форму и состоящего из шести цилиндрических сегментов общей длиной 1,4 мкм, последний из которых имеет длину 0,7 мкм и радиус закругления 30-40 нм, позволяет увеличить эффективную жесткость и прочность на кручение, а также расширить функциональные возможности зонда за счет увеличения разрешающей способности и снижения емкостного взаимодействия между балкой кантилевера и поверхностью.

Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый зонд позволяет увеличить разрешающую способность, эффективную жесткость и прочность на кручение, а также расширить функциональные возможности зонда за счет увеличения разрешающей способности и снижения емкостного взаимодействия между балкой кантилевера и поверхностью.

Зонд для атомно-силовой микроскопии высокого разрешения, состоящий из прямоугольной балки, выполненной из монокристаллического кремния, с зондом (острием) ступенчатой формы на ее конце, отличающийся тем, что балка кантилевера имеет прямоугольную форму, нижняя сторона балки покрыта слоем золота для обеспечения электрического контакта к зонду (острию), зонд (острие) выполнен из углерода и состоит из 6 цилиндрических сегментов общей длиной 1,4 мкм, причем длина последнего сегмента составляет 0,7 мкм с радиусом закругления 30-40 нм.