Зонд для локального анодного окисления материалов (варианты)

Авторы патента:

Предлагаемые 3 варианта полезной модели относятся к областям микроэлектроники, электрохимии, микро- и нанолитографии, зондовой микроскопии и т.д. и могут быть использованы для локального анодного окисления материалов, применяемого при создании элементов микросхем, микро- и наноструктур, микромеханических и сенсорных систем. Полезная модель позволяет повысить более чем в 1,5-2 раза срок эксплуатации известных зондов, дает возможность осуществлять более точный контроль за процессом локального анодного окисления материалов и позволяет проводить как частичное, так и полное локальное анодное окисление материалов, увеличивает более чем в два раза пространственное разрешение, с которым формируются наноструктуры на окисляемых материалах. В первом варианте полезной модели указанные технические результаты достигаются за счет того, что известном зонде для локального анодного окисления материалов, выполненном в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой, содержащей покрытие, электропроводящие свойства материалов иглы и покрытия, а также форма покрытия на игле подобраны так, что по крайней мере поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать по крайней мере поверхностный электрический ток, причем ближайшая точка электропроводящей поверхности иглы удалена от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 микрометра (мкм). Во втором варианте полезной модели указанный технический результат достигается за счет того, что в известном зонде для локального анодного окисления материалов, выполненном в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, игла содержит наночастицу диэлектрика со средним диаметром, не превышающим 1 мкм, зафиксированную на острие иглы. В третьем варианте полезной модели указанный технический результат достигается за счет того, что зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой и электропроводящим элементом, игла и электропроводящий элемент электрически изолированы друг от друга, электропроводящий элемент электрически соединен с электропроводящей частью консоли, причем ближайшая к острию иглы часть электропроводящего элемента не доходит до острия иглы на величину, не превышающую 1 мкм. 3 зависимых пункта формулы полезной модели.

Полезная модель относится к областям микроэлектроники, электрохимии, микро- и нанолитографии, зондовой микроскопии и т.д. и может быть использована для локального анодного окисления материалов, применяемого при создании элементов микросхем, микро- и наноструктур, микромеханических и сенсорных систем. При локальном анодном окислении на поверхности материала формируют локальную оксидную пленку, возникающую под действием разности потенциалов между положительно заряженным окисляемым материалом (анодом) и отрицательно заряженным катодом, изготовленным в форме иглы.

Известен зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде двух консолей из кремния, соединенных V-образно, содержащих электропроводящее покрытие из платины и иглу из кремния с покрытием из платины, закрепленную на перекрестье консолей (Неволин В. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2006, с.152).

Известен зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде консоли из кремния n-типа, содержащей иглу из кремния n-типа, закрепленную на конце консоли (Held R., Heinzel Т., Studerus P., Ensslin К., Holland M. // Semiconductor quantum point contact fabricated by lithography with an atomic force microscope // Applied Physics Letters - V.71(1997), P.2689-2691).

Ввиду того, что нами предложены три варианта зондов для локального анодного окисления материалов, у каждого из вариантов будет свой прототип.

В первом варианте полезной модели наиболее близким к заявляемому является известный зонд для локального анодного окисления материалов, состоящий из двух консолей из кремния, соединенных V-образно, обладающих поверхностной электропроводностью за счет нанесенного на них электропроводящего покрытия из легированной азотом алмазной пленки, с иглой из кремния, содержащей электропроводящее покрытие из легированной азотом алмазной пленки (каталог аксессуаров фирмы НТ-МДТ, стр.18-21, Интернет ссылка: http://www.ntmdt.ru/data/media/nies/products/cantilevers.pdf) - прототип 1.

Недостатками известного зонда является то, что он не позволяет осуществлять точный контроль за процессом локального анодного окисления материалов, в частности, не дает возможность контролировать начальные стадии процессов окисления у тех материалов, для которых продукты начального и полного окисления различны, например, у графита. Данный зонд не дает возможности достичь высокого пространственного разрешения в процессе формирования оксидных структур на поверхности окисляемого материала. Кроме того, известное техническое решение имеет относительно небольшой срок эксплуатации, обусловленный неизбежным процессом механического разрушения тонкого покрытия в процессе постоянного или прерывистого контакта зонда с поверхностью окисляемого материала.

Задачей первого варианта полезной модели является создание зонда для локального анодного окисления материалов, дающего возможность осуществлять более точный контроль за процессом локального анодного окисления материалов, обеспечивающего более высокое пространственное разрешение в процессе формирования оксидных структур на окисляемом материале и увеличение срока эксплуатации зонда.

В первом варианте предлагаемой полезной модели указанный технический результат достигается тем, что в известном зонде для локального анодного окисления материалов, выполненном в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой, содержащей покрытие, электропроводящие свойства материалов иглы и покрытия, а также форма покрытия на игле подобраны так, что по крайней мере поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать по крайней мере поверхностный электрический ток, причем ближайшая точка электропроводящей поверхности иглы удалена от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 микрометра (мкм).

Первый вариант предлагаемой полезной модели может быть реализован в трех различных конкретных вариантах.

В первом конкретном варианте первого варианта полезной модели указанный технический результат достигается тем, что в зонде для локального анодного окисления материалов игла изготовлена из диэлектрика, а покрытие является проводником и/или полупроводником и нанесено на поверхность иглы так, что оно позволяет пропускать по поверхности иглы электрический ток, причем покрытие удалено от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм. В данном конкретном техническом решении острие иглы, в том числе поверхность острия иглы, обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать по крайней мере поверхностный электрический ток.

Во втором конкретном варианте первого варианта полезной модели указанный технический результат достигается тем, что в зонде для локального анодного окисления материалов игла изготовлена из проводника и/или полупроводника, а покрытие является диэлектриком и находится по крайней мере на острие иглы, причем ближайшая точка поверхности иглы без покрытия удалена от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм. В данном конкретном техническом решении поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать электрический ток, в том числе поверхностный.

В третьем конкретном варианте первого варианта полезной модели указанный технический результат достигается тем, что в зонде для локального анодного окисления материалов покрытие состоит из диэлектрика и полностью покрывает боковую поверхность иглы и острие иглы, причем на поверхность покрытой диэлектриком иглы нанесено дополнительное покрытие из проводника и/или полупроводника так, что дополнительное покрытие позволяет пропускать по поверхности иглы электрический ток, при этом дополнительное покрытие удалено от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм. В данном конкретном техническом решении поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать электрический ток, в том числе поверхностный.

Во втором варианте полезной модели наиболее близким к заявляемому является известный зонд для локального анодного окисления материалов, состоящий из двух консолей из кремния, соединенных V-образно, обладающих поверхностной электропроводностью за счет нанесения на них электропроводящего покрытия из легированной азотом алмазной пленки, с иглой из кремния, обладающей поверхностной электропроводностью за счет нанесения на нее электропроводящего покрытия из легированной азотом алмазной пленки (каталог аксессуаров фирмы НТ-МДТ, стр.18-21, интернет ссылка:

http://www.ntmdt.ru/data/media/files/products/cantilevers.pdf) - прототип 1.

Задачей второго варианта полезной модели является создание зонда для локального анодного окисления материалов, дающего возможность осуществлять более точный контроль за процессом локального анодного окисления материалов, обеспечивающего более высокое пространственное разрешение в процессе формирования оксидных структур на окисляемом материале и увеличение срока эксплуатации зонда.

Во втором варианте предлагаемой полезной модели указанный технический результат достигается тем, что в известном зонде для локального анодного окисления материалов, выполненном в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, игла содержит наночастицу диэлектрика со средним диаметром, не превышающим 1 мкм, зафиксированную на острие иглы.

В третьем варианте полезной модели наиболее близким к заявляемому является известный зонд для локального анодного окисления материалов, состоящий из консоли из полупроводника кремния, обладающей поверхностной и объемной электропроводностью, с иглой из кремния и электропроводящим элементом, выполненным в виде многослойной углеродной нанотрубки и электрически соединенным с острием иглы, закрепленным на острие иглы (Kuramochi H., Ando К., Shikakura Y., Yasutake M., Tokizaki Т., Yokoyama H. // Nano-oxidation and in situ faradaic current detection using dynamic carbon nanotube probes // Nanotechnology - V.15 (2004), P.1126-1130) - прототип 2.

Недостатками известного зонда является то, что он не позволяет осуществлять точный контроль за процессом локального анодного окисления материалов, в частности, не дает возможность контролировать начальные стадии процессов окисления у тех материалов, для которых продукты начального и полного окисления различны, например, у графита. Данный зонд не дает возможности достичь высокого пространственного разрешения в процессе формирования оксидных структур на поверхности окисляемого материала. Кроме того, известное техническое решение имеет относительно небольшой срок эксплуатации, обусловленный неизбежным процессом механического разрушения как самой электропроводящей многостенной углеродной нанотрубки, так и механическим разрушением контакта между нанотрубкой и острием иглы в процессе постоянного или прерывистого контакта зонда с поверхностью окисляемого материала.

Задачей третьего варианта полезной модели является создание зонда для локального анодного окисления материалов, дающего возможность осуществлять более точный контроль за процессом локального анодного окисления материалов, обеспечивающего более высокое пространственное разрешение в процессе формирования оксидных структур на окисляемом материале и увеличение срока эксплуатации зонда.

В третьей предлагаемой полезной модели указанный технический результат достигается тем, что зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой и электропроводящим элементом, игла и электропроводящий элемент электрически изолированы друг от друга, электропроводящий элемент электрически соединен с электропроводящей частью консоли, причем ближайшая к острию иглы часть электропроводящего элемента не доходит до крайней точки острия иглы на величину, не превышающую 1 мкм.

В каждом из вариантов предлагаемых полезных моделей зонд для локального анодного окисления материалов должен быть выполнен из одной или нескольких соединенных консолей одинаковой или различной формы, сечения которых могут быть как одинаковы, так и различны, например, каждая консоль может представлять из себя параллелепипед. Геометрические размеры консолей могут быть различны: длина каждой консоли может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен мкм, при ширине консоли в несколько десятков мкм и толщине в несколько мкм. Жесткость консоли определяется материалом, из которого изготовлена консоль, и ее геометрическими размерами. При этом обязательно консоль должна обладать по крайней мере поверхностной электропроводностью, достигаемой, например, за счет нанесения на консоль электропроводящего покрытия.

В каждой из предлагаемых полезных моделей зонд для локального анодного окисления материалов должен обязательно содержать иглу, что обеспечивает минимальную площадь контакта между поверхностью зонда и поверхностью окисляемого материала и более высокое пространственное разрешение в процессе формирования оксидных структур на окисляемом материале. Игла может быть как сплошной, так и содержать внутри себя полости. При этом игла и ее острие могут быть как аксиально-симметричными, так и аксиально-несимметричными и иметь различную форму, например, форму конуса, пирамиды, веретена и т.д., а угол при вершине острия иглы должен составлять, например, от 10 до 30 градусов. Высота иглы может составлять порядка нескольких мкм, ширина при основании иглы может достигать нескольких мкм. Радиус закругления острия иглы может варьироваться от нескольких ангстрем (Å) до десятков нанометров (нм).

В первом варианте предлагаемой полезной модели игла обязательно содержит покрытие. При этом под электропроводящими свойствами материалов покрытия имеются в виду не только их конкретное химическое строение, а также толщина покрытия, которая может быть различной, например, от нескольких Å до нескольких десятков нм. В качестве материалов для покрытия целесообразно использовать вещества, которые можно наносить на поверхность различными методами, например, напылением, электрохимически, путем разложения химического соединения на поверхности иглы и т.д.

В первом варианте первой полезной модели в качестве материала, пригодного для изготовления иглы зонда, можно использовать различные диэлектрики, т.е. вещества, практически не проводящие электрический ток и обладающие удельным сопротивлением порядка 10⁸-10¹⁷ Ом на сантиметр (Ом·см) (Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. - 1972. - том 8. - с.349). В качестве диэлектрика можно использовать различные твердые материалы, например, такие как диоксид кремния, нелегированный алмаз, оксид алюминия и т.д. При этом в качестве покрытия на игле можно использовать проводник, т.е. вещество, хорошо проводящее электрический ток и обладающее удельным сопротивлением порядка 10^-6 Ом·см (Большая советская энциклопедия. -М.: Советская энциклопедия. - 1975. - том 21. - с.14), и/или полупроводник, т.е. вещество, обладающее удельным электрическим сопротивлением, промежуточным между диэлектриком и проводником (Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. - 1975. - том 20. - с.259). В качестве проводника можно использовать различные твердые материалы, например, металлы, такие как золото, платина, палладий и т.д. В качестве полупроводника можно использовать различные твердые материалы, например, легированный азотом алмаз, нитрид титана, карбид вольфрама и т.д. Покрытие на зонде может состоять только из проводника, только из полупроводника или из комбинации проводника и полупроводника.

Кроме соответствующего подбора электропроводящих свойств материалов иглы и покрытия, также необходимо осуществлять соответствующий подбор формы покрытия на игле. Покрытие на игле может быть как сплошным, т.е. полностью покрывать боковую часть иглы, так и локальным, например, выполненным в виде дорожки из проводника и/или полупроводника.

Если форма покрытия на игле обеспечивает выполнение таких признаков, что по крайней мере поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать по крайней мере поверхностный электрический ток, причем ближайшая точка электропроводящей поверхности иглы удалена от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм, то удается достичь все технические результаты полезной модели, в том числе повысить срок эксплуатации зонда. Если форма покрытия на игле не обеспечивает выполнения вышеперечисленных требований, то все технические результаты полезной модели не достигаются. Соответствующий подбор электропроводящих свойств материалов иглы и покрытия без учета формы покрытия на игле само по себе не обеспечивает, например, способности остальной части иглы, кроме острия, пропускать по крайней мере поверхностный электрический ток.

Покрытие может состоять как из одного электропроводящего материала, так и быть многослойным, например, состоять из слоя хрома и слоя платины. В предлагаемом техническом решении электропроводящее покрытие должно быть удалено от острия иглы на расстояние не более 1 мкм. При большем удалении электропроводящего покрытия от острия иглы решить задачу полезной модели не удается.

Во втором варианте первой полезной модели в качестве материала, пригодного для изготовления иглы зонда, можно использовать различные твердые проводники, например, металлы, такие как золото, платина, палладий и т.д. и/или полупроводники, например, такие как кремний, легированный азотом алмаз, нитрид титана, карбид вольфрама и т.д. Игла может быть изготовлена как из одного проводника или полупроводника, так и из нескольких таких материалов при любом их сочетании. При этом в качестве диэлектрического покрытия можно использовать различные твердые материалы, такие как диоксид кремния, нелегированный алмаз, оксид алюминия и т.д. Диэлектрическое покрытие может быть как однослойным, так и многослойным. Покрытие из диэлектрика может находиться не только на острие иглы, но и на других частях зонда, при условии, что ближайшая точка поверхности иглы без покрытия удалена от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм. При большем удалении поверхности иглы без покрытия от острия иглы решить задачу полезной модели не удается.

В третьем варианте первой полезной модели в качестве материала, пригодного для изготовления иглы зонда, можно использовать любые твердые материалы, например, диэлектрики, полупроводники, проводники. Можно использовать как один материал, так и комбинацию материалов с любыми электрическими свойствами. При этом в качестве диэлектрического покрытия можно использовать различные твердые материалы, такие как диоксид кремния, нелегированный алмаз, оксид алюминия и т.д. Диэлектрическое покрытие может быть как однослойным, так и многослойным. При этом необходимо, чтобы диэлектрическое покрытие было сплошным и закрывало всю поверхность иглы, включая поверхность острия. Дополнительное покрытие, наносимое сверху первого покрытия, должно состоять из электрического проводника и/или полупроводника и должно позволять пропускать по поверхности иглы электрический ток. Дополнительное покрытие на игле может быть как сплошным, т.е. полностью покрывать боковую часть иглы, так и локальным, например, выполненным в виде дорожки из проводника и/или полупроводника. Дополнительное покрытие может состоять как из одного электропроводящего материала, так и быть многослойным, например, состоять из слоя хрома и слоя платины. В предлагаемом техническом решении электропроводящее покрытие должно быть удалено от острия иглы на расстояние не более 1 мкм. При большем удалении электропроводящего покрытия от острия иглы решить задачу полезной модели не удается.

В любом из вариантов первой полезной модели получать иглы для локального анодного окисления материалов можно различными методами. Можно наносить покрытие на конкретные области поверхности иглы. Также можно наносить покрытие на всю поверхность иглы, затем удалять нанесенное покрытие с отдельных частей иглы различными методами, например, путем трения иглы о твердую поверхность, путем локального травления электропроводящего покрытия на конце иглы под действием электронных или ионных пучков и т.д. При реализации предлагаемого технического решения расстояние между крайней точкой острия иглы и ближайшим участком электропроводящей поверхности иглы может быть любым, но не превышать 1 мкм. При этом форма края ближайшего к острию электропроводящего участка поверхности иглы может быть как ровной, так и содержать заострения. Нами было экспериментально установлено, что второй вариант формы края более предпочтителен.

Во втором варианте предлагаемой полезной модели игла должна обладать по крайней мере поверхностной электропроводностью. В качестве материала, пригодного для изготовления иглы зонда, можно использовать различные твердые проводники, например, металлы, такие как золото, платина, палладий и т.д. и/или полупроводники, например, такие как легированный азотом алмаз, нитрид титана, карбид вольфрама и т.д. Игла может быть изготовлена как из одного проводника или полупроводника, так и из нескольких таких материалов при любом их сочетании. Кроме этого, игла может быть изготовлена из диэлектрика и содержать нанесенное на него электропроводящее покрытие, выполненное из проводника и/или полупроводника, обеспечивающее поверхностную электропроводность у иглы. В качестве диэлектрика можно использовать различные твердые материалы, например, такие как диоксид кремния, нелегированный алмаз, оксид алюминия и т.д. Толщина электропроводящего покрытия может варьировать в широких пределах, например, от нескольких Å до нескольких десятков нм. На острие иглы должна быть обязательно зафиксирована наночастица диэлектрика, например, наночастица алмаза, наночастица диоксида кремния, наночастица полимера, не обладающего электропроводностью, и т.д. Если на острие иглы зафиксировать наночастицу проводника или наночастицу полупроводника, решить задачи полезной модели не удается.

Нами было экспериментально установлено, что если на острие иглы зонда закрепить не наночастицу, а частицу диэлектрика большего размера, например, со средним диаметром, превышающим 1 мкм, то такой зонд будет непригоден для локального анодного окисления материалов. Наночастица диэлектрика может быть шарообразной или иметь более сложную форму.

Фиксировать наночастицу диэлектрика необходимо на острие иглы, если такую наночастицу зафиксировать в любом месте иглы, кроме острия, то решить задачу полезной модели не удается. Фиксировать наночастицу диэлектрика можно различными методами, например, с помощью различных композитов, электростатически и т.д.

В третьей предлагаемой полезной модели игла может быть изготовлена из любого твердого материала, обладающего свойствами проводника, полупроводника или диэлектрика, или из любой комбинации таких материалов. При этом электропроводящие элементы могут быть различны, например, представлять из себя металлические или полупроводниковые углеродные нанотрубки, нанопровода, например, из золота и других материалов и т.д. В данном техническом решении электропроводящий элемент и игла обязательно должны быть электрически изолированы друг от друга. Если электрическая изоляция между ними отсутствует, то задача полезной модели не решается. При этом электропроводящий элемент обязательно должен быть соединен с электропроводящей частью консоли, в противном случае решить задачу полезной модели не удается. При этом в предлагаемом техническом решении ближайшая к острию иглы часть электропроводящего элемента обязательно должна не доходить до крайней точки острия иглы на величину не более 1 мкм. Иными словами, при локальном анодном окислении материалов с использованием предлагаемого зонда электропроводящий элемент не должен касаться поверхности окисляемого материала, что увеличивает срок эксплуатации зонда. Если ближайшая к острию часть электропроводящего элемента не доходит до крайней точки острия иглы на величину, превышающую 1 мкм, то решить задачу полезной модели не удается. При этом электропроводящий элемент может полностью или частично касаться поверхности иглы вдоль своей протяженности. Длина электропроводящего элемента должна быть соизмерима с высотой иглы.

Использовать предлагаемый зонд для локального анодного окисления материалов можно в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ) различных марок.

В предлагаемых полезных моделях в качестве материалов, способных подвергаться локальному анодному окислению, можно использовать такие материалы как графит, кремний, арсенид галлия, титан и т.д. Проводить локальное анодное окисление материалов можно при приложении к электродам постоянного или импульсного напряжения величиной, например, от 3 до 10 Вольт (В). Более высокие по величине напряжения прикладывать нецелесообразно ввиду возможности нежелательного напыления материалов в электрическом поле.

Контроль за процессом и результатами локального анодного окисления материалов можно осуществлять с помощью различных методов зондовой микроскопии, например, таких как сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая резистивная микроскопия и т.д. Пространственное разрешение, с которым выполняется локальное анодное окисление материалов с помощью известного и предлагаемых вариантов технических решений, можно определять различными вышеперечисленными методами зондовой микроскопии по минимальному диаметру формируемого оксида в виде точки или по минимальной ширине формируемого оксида в виде линии.

В предлагаемых полезных моделях возможно использование одного и того же зондового микроскопа для локального анодного окисления материалов и для контроля за процессом и результатом окисления.

Преимущества предлагаемых технических решений иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1 (по П.2 предлагаемого технического решения).

В опыте используют зонд, состоящий из консоли в форме параллелепипеда с размерами сторон 350 мкм, 50 мкм и 2 мкм, изготовленной из диэлектрика диоксида кремния и имеющей на конце иглу в форме конуса с углом при вершине острия 23,5 градусов и закругленным острием с радиусом 50 нм, высотой 12 мкм, шириной при основании 5 мкм, которая также изготовлена из диэлектрика диоксида кремния. Консоль с иглой образуют конструктивный элемент СЗМ, называемый кантилевером. Электропроводящее покрытие толщиной 20 нм из платины наносят на консоль и иглу методом термического напыления в вакууме через экранирующую маску, покрывающую иглу зонда за исключением области в виде полосы с шириной 20 нм, не доходящей до крайней точки острия иглы на 0,1 мкм. После удаления маски получают зонд из диэлектрика, содержащий на консоли и игле покрытие из проводника платины, не доходящее до крайней точки острия иглы на 0,1 мкм и позволяющее пропускать по поверхности консоли и иглы электрический ток. Таким образом, получают зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде одной консоли, обладающей поверхностной электропроводностью, с иглой, содержащей покрытие, причем у данного зонда поверхность острия и все острие иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать поверхностный электрический ток, причем ближайшая точка электропроводящей поверхности иглы удалена от крайней точки острия иглы на расстояние 0,1 мкм. Схематическое изображение нижней части иглы с острием такого зонда показано на фиг.1, на которой штриховкой и цифрой 1 обозначен участок поверхности иглы, покрытый электропроводящим слоем платины, белым цветом и цифрой 2 обозначен участок поверхности иглы из диэлектрика. На фиг.1 специально показана не вся игла зонда, а только нижняя часть иглы с острием ввиду того, что если привести схематическое изображение всей иглы зонда в соответствующем масштабе, то рассмотреть строение острия иглы и покрытия на нем не удастся из-за его малого размера по сравнению с остальными частями зонда.

В опыте используют СЗМ марки «ФемтоСкан» (производство ООО НПП «Центр перспективных технологий», Россия). Полученный зонд устанавливают в держатель СЗМ. Острие иглы зонда сближают с предварительно очищенной путем скола поверхностью графита.

Локальное анодное окисление образца графита с помощью полученного зонда проводят на воздухе при относительной влажности воздуха 50% путем подачи разности потенциалов в 6 В между отрицательно заряженным зондом и положительно заряженной поверхностью графита. В ходе такого окисления на поверхности графита возникают локальные области окисленного графита, из которых формируют изображение.

Для получения рисунка на поверхности графита в графическом редакторе марки «GIMP» компьютера рисуют средствами редактора маску, представляющую собой растровое черно-белое изображение, содержащее 512 на 512 точек. Изображение содержит черный фон и белые параллельные линии на расстоянии 100 точек друг от друга. Компьютерная программа, управляющая работой СЗМ, интерпретирует изображение и сопоставляет черному цвету напряжение между зондом и поверхностью графита, равное 0 В, и белому цвету - напряжение, равное 6 В.

Выполнение рисунка с использованием подготовленной маски осуществляют на квадратной области графита со стороной 200 нм. Область сканируют при постоянном контакте между зондом и поверхностью графита при силе воздействия зонда на поверхность 10 наноНьютонов (нН) и частоте сканирования 2,44 Герц (Гц). С целью контроля результата локального анодного окисления графита проводят повторное сканирование этой же области поверхности графита при напряжении между зондом и поверхностью графита, равном нулю В. Результаты повторного сканирования показывают, что на поверхности графита произошло образование однородных по ширине полос, состоящих из оксида графита, с высотой 1 нм и шириной 10 нм.

Таким образом, из примера видно, что предложенный зонд для локального анодного окисления материалов позволяет осуществлять точный контроль за процессом локального анодного окисления графита и останавливать процесс окисления графита на начальных стадиях процесса, сопровождающихся формированием участков оксида графита, выступающих над неокисленными областями графита.

Срок эксплуатации полученного зонда составляет 310 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Пример 2 (по П.3 предлагаемого технического решения).

В опыте используют зонд, состоящий из консоли в виде цилиндра с длиной 2000 мкм и диаметром 100 мкм, изготовленной из проводника платиново-иридиевого сплава с содержанием иридия 20%. Консоль содержит на конце иглу в форме конуса с углом при вершине острия 25 градусов с закругленным острием с радиусом 30 нм, высотой 9 мкм с шириной при основании 4 мкм, изготовленную из того же платиново-иридиевого сплава. Консоль с иглой образуют кантилевер СЗМ.

Диэлектрическое покрытие толщиной 15 нм из оксида алюминия на всю поверхность иглы наносят методом осаждения из газовой фазы, затем покрытие с помощью ионного пучка удаляют со всей поверхности иглы за исключением острия иглы и прилегающей к нему области. Получают зонд для локального анодного окисления материалов, изготовленный из проводника платиново-иридиевого сплава, с диэлектрическим покрытием на острие иглы из оксида алюминия, при этом у полученного зонда форма края электропроводящей области поверхности иглы имеет единичное заострение, направленное к острию иглы, причем ближайшая точка поверхности иглы без покрытия удалена от крайней точки острия иглы на расстояние 0,05 мкм. Таким образом, получают зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде одной консоли, обладающей поверхностной и объемной электропроводностью, с иглой, содержащей покрытие, причем у данного зонда поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать поверхностный и объемный электрический ток, причем ближайшая точка электропроводящей поверхности иглы удалена от крайней точки острия иглы на расстояние 0,05 мкм. Схематическое изображение острия иглы полученного зонда показано на фиг.2, на которой штриховкой и цифрой 1 обозначен участок острия иглы, покрытый слоем диэлектрика, а белым цветом и цифрой 2 обозначен электропроводящий участок поверхности иглы.

Локальное окисление графита с помощью полученного зонда проводят по методике, аналогичной примеру 1. При этом на поверхности графита происходит образование однородных по ширине полос, состоящих из оксида графита, с высотой 1,5 нм и шириной 8 нм.

Срок эксплуатации полученного зонда составляет 260 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Пример 3 (по П.4 предлагаемого технического решения).

В опыте используют зонд, состоящий из консоли в форме параллелепипеда с размерами сторон 250 мкм, 35 мкм и 1,5 мкм, изготовленной из полупроводника кремния и имеющий на конце иглу в форме четырехугольной правильной пирамиды с углом между противолежащими боковыми гранями 14 градусов, высотой 10 мкм и с длиной ребра в основании пирамиды 2,4 мкм, которая также изготовлена из полупроводника кремния. Консоль с иглой образуют кантилевер. На поверхности всего зонда на воздухе термически формируют сплошное покрытие толщиной 10 нм из диоксида кремния, являющегося диэлектриком, затем на поверхность полученного зонда наносят сплошное покрытие толщиной 25 нм из проводника золота путем термического напыления в вакууме, что обеспечивает поверхностную электропроводность у консоли и иглы.

Электропроводящее золотое покрытия с конца иглы удаляют механическим методом путем трения иглы о пластину конденсаторной слюды с размерами 10 мм на 10 мм. Перед проведением опыта с пластины слюды при помощи скотча удаляют верхний слой для получения чистой поверхности слюды. В опыте используют СЗМ марки «ФемтоСкан» (производство ООО НПП «Центр перспективных технологий», Россия). Вышеописанный зонд приводят в контакт с поверхностью слюды. Электропроводящий слой золота удаляют с конца иглы путем сканирования в двух различных направлениях квадратного участка поверхности слюды со стороной 1 мкм в течение 14 мин. Сканирование проводят при постоянном контакте между зондом и поверхностью слюды при силе воздействия зонда на поверхность слюды 30 нН и частоте сканирования 2,44 Гц. В ходе такого воздействия на зонд электропроводящий слой золота полностью удаляют с острия иглы и примыкающей к ней области поверхности с образованием зазубренного края, при этом расстояние между острием иглы и ближайшим участком электропроводящего золотого покрытия составляет 0,2 мкм. Таким образом, получают зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде одной консоли, обладающей поверхностной электропроводностью, с иглой, содержащей покрытие, причем у данного зонда поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать поверхностный электрический ток, причем ближайшая точка электропроводящей поверхности иглы удалена от крайней точки острия иглы на расстояние 0,2 мкм. Схематическое изображение нижней части иглы зонда с острием показано на фиг.3, на которой штриховкой с наклоном вправо и цифрой 1 обозначен участок острия иглы, покрытый дополнительным электропроводящим покрытием из золота, а штриховкой с наклоном влево и цифрой 2 обозначен участок острия иглы содержащий только диэлектрическое покрытие из диоксида кремния.

Полученный зонд используют для локального анодного окисления образца графита, которое проводят аналогично примеру 1. В результате окисления на поверхности графита происходит образование однородных по ширине полос, состоящих из оксида графита, с высотой 0,8 нм и шириной 15 нм.

Таким образом, из примера видно, что предложенный зонда для локального анодного окисления материалов позволяет осуществлять точный контроль за процессом локального анодного окисления графита и останавливать процесс окисления графита на начальных стадиях процесса, сопровождающихся формированием участков оксида графита, выступающих над неокисленными областями графита.

Срок эксплуатации полученного зонда составляет 280 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Пример 4 (по П.2 предлагаемого технического решения).

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако локальное анодное окисление графита проводят на воздухе при частоте сканирования 0,1 Гц и относительной влажности 80%. В данных условиях происходит полное окисление графита с образованием полостей на поверхности с глубиной 1 нм и шириной 18 нм.

Срок эксплуатации полученного зонда составляет 270 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Пример 5 (по П.5 предлагаемого технического решения).

В опыте используют зонд, состоящий из консоли в виде цилиндра с длиной 2000 мкм и диаметром 100 мкм, изготовленной из проводника платиново-иридиевого сплава с содержанием иридия 20%. Консоль содержит на конце иглу в форме конуса с углом при вершине острия 25 градусов с закругленным острием с радиусом 30 нм, высотой 9 мкм с шириной при основании 4 мкм, изготовленную с того же платиново-иридиевого сплава. Консоль с иглой образуют кантилевер СЗМ.

Острие иглы зонда с помощью СЗМ подводят к наночастице диэлектрика из диоксида кремния со средним диаметром 20 нм, при этом за счет электростатических сил частицу диэлектрика фиксируют на острие иглы зонда. Зафиксированную частицу диэлектрика дополнительно закрепляют на острие иглы с помощью электропроводящего углеродного депозита. Таким образом, получают зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде одной консоли, обладающей поверхностной и объемной электропроводностью, с иглой, обладающей поверхностной и объемной электропроводностью, в котором острие иглы содержит наночастицу диэлектрика со средним диаметром 20 нм, зафиксированную на острие иглы. Схематическое изображение нижней части иглы с острием у полученного зонда показано на фиг.4, на которой белым цветом и цифрой 1 обозначена часть электропроводящей иглы, серым цветом и цифрой 2 обозначена наночастица диэлектрика, зафиксированная на острие иглы, а штриховкой и цифрой 3 обозначен углеродный депозит.

Локальное анодное окисление графита с помощью полученного зонда проводят по методике, аналогичной примеру 1. При этом на поверхности графита происходит образование однородных по ширине полос, состоящих из оксида графита, с высотой 1,7 нм и шириной 9 нм.

Срок эксплуатации полученного зонда составляет 190 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Пример 6 (по П.6 предлагаемого технического решения).

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако используют зонд, состоящий из двух консолей, обладающих формой параллелепипеда с размерами сторон 127 мкм, 60 мкм и 2 мкм, соединенных V-образно с углом между консолями 90 градусов, выполненных из полупроводника кремния с кремниевой иглой в форме четырехугольной правильной пирамиды с углом между противолежащими боковыми гранями 14 градусов, высотой 10 мкм и с длиной ребра в основании пирамиды 2,4 мкм, находящейся на перекрестии консолей. Всю поверхность зонда окисляют на воздухе термически, при этом на поверхности всего зонда образуется пленка из диэлектрика диоксида кремния с толщиной 15 нм. Затем на одной из сторон пирамидальной иглы с помощью эпоксидной смолы фиксируют электропроводящий элемент, представляющий собой многослойную углеродную нанотрубку с длиной 10 мкм и диаметром 12 нм, причем один торец нанотрубки касается консоли, центральная часть нанотрубки длиной 9 мкм лежит на поверхности иглы зонда, а остальная часть нанотрубки длиной 1 мкм не касается поверхности иглы зонда и ближайший к острию иглы участок нанотрубки не доходит до крайней точки острия иглы зонда на расстояние 0,18 мкм. На иглу и электропроводящий элемент наносят экранирующую маску, затем на консоль методом вакуумного напыления наносят пленку проводника золота толщиной 10 нм, которая также покрывает часть нанотрубки, касающуюся консоли. После удаления маски получают зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде двух консолей, обладающих поверхностной электропроводностью, с иглой и электропроводящим элементом, при этом у полученного зонда игла и электропроводящий элемент электрически изолированы друг от друга, электропроводящий элемент электрически соединен с электропроводящей частью консоли, причем ближайшая к острию часть электропроводящего элемента не доходит до крайней точки острия иглы на расстояние 0,18 мкм. Схематическое изображение полученного зонда и острия иглы зонда с электропроводящим элементом показано соответственно на фиг.5 и фиг.6. На фиг.5 цифрой 1 обозначена консоль и цифрой 2 - игла, причем штриховкой с наклоном вправо обозначено диэлектрическое покрытие на консоли и игле. На той же фиг. цифрой 3 обозначена электропроводящая нанотрубка, цифрой 4 и вертикальной штриховкой обозначено электропроводящее покрытие на консоли. На данной фиг. толщина покрытия на консоли и толщина электропроводящего элемента изображены не в масштабе, что связано с тем, что при соблюдении реальных масштабов изделия покрытие и электропроводящий элемент будут плохо различимы. На фиг.6 показано схематическое изображение острия иглы зонда с электропроводящим элементом, причем цифрой 1 и штриховкой обозначена поверхность острия иглы с диэлектрическим покрытием, а цифрой 2 и черным цветом обозначен электропроводящий элемент.

Срок эксплуатации полученного зонда составляет 300 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Пример 7 (по П.2 предлагаемого технического решения)

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако проводят локальное анодное окисление не графита, а пластины из титана. В результате на поверхности титановой пластины происходит образование однородных по ширине полос, состоящих из диоксида титана, с высотой 1 нм и шириной 10 нм.

Пример 8 (контрольный, по прототипу 1).

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако используют зонд марки DCP20, состоящий из двух консолей, соединенных V-образно, выполненных из кремния с покрытием из электропроводящей легированной азотом алмазной пленки, с кремниевой иглой, расположенной на перекрестии консолей и содержащей покрытие из электропроводящей легированной азотом алмазной пленки.

Полученный зонд позволяет выполнять рисунок на поверхности графита в виде линий, состоящих из углублений на поверхности графита шириной 22 нм и глубиной 1,5 нм. При этом остановить процесс локального анодного окисления графита на начальных стадиях, сопровождающихся образованием оксида графита, не удается. Срок эксплуатации полученного зонда составляет 80 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Пример 9 (контрольный, по прототипу 2).

Опыт проводят аналогично примеру 1, однако используют зонд для локального анодного окисления материалов, состоящий из консоли из полупроводника кремния, обладающей поверхностной и объемной электропроводностью, с иглой из кремния и электропроводящим элементом, выполненным в виде многослойной углеродной нанотрубки и закрепленным на острие иглы. Полученный зонд позволяет выполнять рисунок на поверхности графита в виде линий, состоящих из углублений на поверхности графита шириной 17 нм и глубиной 1,1 нм. При этом остановить процесс локального анодного окисления графита на начальных стадиях с образованием оксида графита не удается. Срок эксплуатации полученного зонда составляет 120 часов сканирования. Срок хранения полученного зонда неограничен.

Таким образом, из примеров видно, что предложенный зонд для локального анодного окисления материалов имеет срок эксплуатации в режиме сканирования от 190 до 310 часов, что превышает в 1,5-2 раза срок эксплуатации известных зондов, равный 80 - 120 часам сканирования. Зонд позволяет осуществлять более точный контроль за процессом локального окисления материалов, давая возможность проводить у тех материалов, у которых это возможно, например, у графита, как частичное окисление, так и полное локальное анодное окисление поверхности материала. Кроме того, предлагаемый зонд увеличивает более чем в два раза пространственное разрешение, с которым формируют наноструктуры на окисляемых материалах, позволяя уменьшить толщину линий с 22 нм до 8-12 нм.

Нами были проведены дополнительные эксперименты, которые показали, что задача полезной модели не решается, если из П. 1 формулы предлагаемой полезной модели исключить хотя бы один из признаков, такой как наличие у зонда для локального анодного окисления материалов по крайней мере одной консоли, наличие у консоли по крайней мере поверхностной электропроводности, наличие у консоли иглы, наличие у иглы покрытия, специальный подбор электропроводящих свойств у материалов иглы, специальный подбор электропроводящих свойств у материалов покрытия на игле, специальный подбор формы покрытия на игле, наличие диэлектрических свойств по крайней мере у поверхности острия иглы, способность остальной части иглы пропускать по крайней мере поверхностный электрический ток и удаление ближайшей точки электропроводящей поверхности иглы от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

Проведенные дополнительные эксперименты также показали, что задача полезной модели не достигается, если из П.2 формулы предлагаемой полезной модели исключить хотя бы один из признаков, такой как наличие у зонда для локального анодного окисления материалов по крайней мере одной консоли, наличие у консоли по крайней мере поверхностной электропроводности, наличие у консоли иглы, наличие у иглы покрытия, изготовление иглы из диэлектрика, изготовления покрытия на игле из проводника и/или полупроводника, нанесение на поверхность иглы покрытия так, что покрытие позволяет пропускать по поверхности иглы электрический ток, и удаление электропроводящего покрытия от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

Нами также были проведены дополнительные опыты, которые показали, что задача полезной модели не решается, если из П.3 формулы предлагаемой полезной модели исключить хотя бы один из признаков, такой как наличие у зонда для локального анодного окисления материалов по крайней мере одной консоли, наличие у консоли по крайней мере поверхностной электропроводности, наличие у консоли иглы, наличие у иглы покрытия, изготовление иглы из проводника и/или полупроводника, изготовления покрытия на игле из диэлектрика, нахождение диэлектрического покрытия по крайней мере на острие иглы и удаление ближайшей точки поверхности иглы без покрытия от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

Проведенные дополнительные эксперименты также показали, что задача полезной модели не решается, если из П.4 формулы предлагаемой полезной модели исключить хотя бы один из признаков, такой как наличие у зонда для локального анодного окисления материалов по крайней мере одной консоли, наличие у консоли по крайней мере поверхностной электропроводности, наличие у консоли иглы, наличие у иглы покрытия, диэлектрическое строение покрытия, нахождение покрытия на всей боковой поверхности и острие иглы, нанесение на иглу дополнительного покрытия, наличие проводниковых и/или полупроводниковых свойств у дополнительного покрытия, нанесение дополнительного покрытия на иглу так, что оно дает возможность пропускать по поверхности иглы электрический ток и удаление дополнительного покрытия от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

Проведенные дополнительные эксперименты также показали, что задача полезной модели не достигается, если из П.5 формулы предлагаемой полезной модели исключить хотя бы один из признаков, такой как наличие у зонда для локального анодного окисления материалов по крайней мере одной консоли, наличие у консоли по крайней мере поверхностной электропроводности, наличие у консоли иглы, наличие у иглы по крайней мере поверхностной электропроводности, наличие у иглы наночастицы диэлектрика, наличие у наночастицы диэлектрика среднего диаметра, не превышающего 1 мкм, фиксация наночастицы на игле и местоположение зафиксированной наночастицы диэлектрика на острие иглы.

Нами также были проведены дополнительные опыты, которые показали, что задача полезной модели не решается, если из П.6 формулы предлагаемой полезной модели исключить хотя бы один из признаков, такой как наличие у зонда для локального анодного окисления материалов по крайней мере одной консоли, наличие у консоли по крайней мере поверхностной электропроводности, наличие у консоли иглы, наличие у зонда электропроводящего элемента, электрическая изоляция иглы и электропроводящего элемента друг от друга, электрическое соединение электропроводящего элемента с электропроводящей частью консоли и удаление ближайшей к острию части электропроводящего элемента от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

1. Зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой, содержащей покрытие, отличающийся тем, что электропроводящие свойства материалов иглы и покрытия, а также форма покрытия на игле подобраны так, что по крайней мере поверхность острия иглы обладает свойствами диэлектрика, а остальная часть иглы способна пропускать по крайней мере поверхностный электрический ток, причем ближайшая точка электропроводящей поверхности иглы удалена от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

2. Зонд для локального анодного окисления материалов по п.1, отличающийся тем, что игла изготовлена из диэлектрика, а покрытие является проводником и/или полупроводником и нанесено на поверхность иглы так, что оно позволяет пропускать по поверхности иглы электрический ток, причем покрытие удалено от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

3. Зонд для локального анодного окисления материалов по п.1, отличающийся тем, что игла изготовлена из проводника и/или полупроводника, а покрытие является диэлектриком и находится по крайней мере на острие иглы, причем ближайшая точка поверхности иглы без покрытия удалена от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

4. Зонд для локального анодного окисления материалов по п.1, отличающийся тем, что покрытие состоит из диэлектрика и полностью покрывает боковую поверхность иглы и острие иглы, причем на поверхность покрытой диэлектриком иглы нанесено дополнительное покрытие из проводника и/или полупроводника так, что дополнительное покрытие позволяет пропускать по поверхности иглы электрический ток, при этом дополнительное покрытие удалено от крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.

5. Зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, отличающийся тем, что игла содержит наночастицу диэлектрика со средним диаметром, не превышающим 1 мкм, зафиксированную на острие иглы.

6. Зонд для локального анодного окисления материалов, выполненный в виде по крайней мере одной консоли, обладающей по крайней мере поверхностной электропроводностью, с иглой и электропроводящим элементом, отличающийся тем, что игла и электропроводящий элемент электрически изолированы друг от друга, электропроводящий элемент электрически соединен с электропроводящей частью консоли, причем ближайшая к острию иглы часть электропроводящего элемента не доходит до крайней точки острия иглы на расстояние не более 1 мкм.