ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С ПРОГРАММИРУЕМЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ПОРТРЕТОМ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА
ATOMIC-FORCE MICROSCOPE PROBE WITH PROGRAMMABLE SPECTRAL PORTRAIT OF RADIATING ELEMENT BASED ON QUANTUM DOTS OF CORE-SHELL STRUCTURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.
Известен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из нанопор полимерной сферы, остальные нанопоры заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр полимерной сферы, покрытой с внешней стороны защитным прозрачным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, направленный на центр полимерной сферы [1].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемым спектром излучения 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 с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из нанопор стеклянной сферы, остальные нанопоры заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка без выхода их оболочек за периметр стеклянной сферы, покрытой с внешней стороны защитным прозрачным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, направленный на центр стеклянной сферы [2].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемым спектром излучения воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Отличие предлагаемого технического решения от вышеизложенных заключается в использовании программируемого нанокомпозитного излучающего элемента в виде стеклянной сферы, содержащей равномерно распределенный по ее поверхности массив групп последовательно изменяющих свой диаметр конусообразных нанопор, заполненных сочетанием безызлучательных наносфер и квантовых точек структуры ядро-оболочка, образующих в свою очередь кодовую комбинацию излучаемых и запрещенных длин волн, в совокупности образующих заданный спектральный портрет излучения. Это позволяет в стеклянные сферы с идентичными универсальными упорядоченными структурами нанопор программировать различные спектральные картины излучения, за счет сочетания комбинаций из квантовых точек структуры ядро-оболочка и безызлучательных наносфер, каждая из которых, соответственно, при вложении в нанопоры одинакового диаметра, генерирует излучение с длиной волны определенной ее диаметром или запрещает генерацию этой длины волны. Это также позволяет добиться повторяемости спектральных картин излучающих элементов зондов при их тиражировании.
Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемым спектром излучения воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой, вершина которой закреплена в одной из нанопор стеклянной сферы, остальные нанопоры которой заполнены без выхода их оболочек за периметр стеклянной сферы, квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрытыми с внешней стороны защитным слоем, внешний электромагнитный источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка, стеклянная сфера содержит равномерно распределенный по ее поверхности массив, состоящий из более чем двух различных по диаметру наноразмерных групп конусообразных нанопор с равным количеством конусообразных нанопор одинакового диаметра в каждой наноразмерной группе, безызлучательные наносферы, имеющие диаметры, равные диаметрам используемых квантовых точек структуры ядро-оболочка, общее количество безызлучательных наносфер в сумме с квантовыми точками структуры ядро-оболочка равно количеству заполненных ими конусообразных нанопор, число наноразмерных групп которых равно максимальному количеству используемых дискретных длин волн, излучаемых квантовыми точками структуры ядро-оболочка, которые вложены в соответствующие их диаметру конусообразные нанопоры, причем программируемая комбинация сочетаний диаметров квантовых точек структуры ядро-оболочка и безызлучательных наносфер, вложенных в соответствующие их диаметру конусообразные нанопоры, определяет последовательность сочетаний излучаемых и не излучаемых дискретных длин волн, в совокупности формирующих заданный спектральный портрет излучения зонда атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка (выносной элемент А представлен на фиг. 2). На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка. На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки и конусообразной нанопоры и их допусковые отклонения размеров не нарушающие повторяемость спектральных портретов при тиражировании зондов. На фиг. 4 приведено схематическое изображение пошагового программирования конусообразных нанопор квантовыми точками структуры ядро-оболочка или безызлучательными наносферами.
Под используемым в тексте словосочетанием «наноразмерная группа» понимается следующее: наноразмерная группа n - это множество наносфер или конусообразных нанопор, имеющих одинаковые номинальные размеры соответственно внешних и внутренних диаметров, где: n - порядковый номер наноразмерной группы, присвоенный в зависимости от номинальных размеров диаметров элементов, образующих группу (например: 1, 2, 3, …n, n+1).
Зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка фиг. 1 состоит из: кантилевера 1, соединенного с зондирующей иглой 2, на вершине которой закреплена стеклянная сфера 3 с конусообразными нанопорами 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 заполненными квантовыми точками 5, 7, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 18 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, также на фиг. 1 представлен диагностируемый объект 19, размещенный на подложке 20 в момент соприкосновения ее со стеклянной сферой 3 с конусообразными нанопорами (элементы 4-17 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).
На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где, зондирующая игла 2, стеклянная сфера с конусообразными нанопорами 3; конусообразная нанопора 4 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка 5 с диаметром, входящим в первую наноразмерную группу; конусообразная нанопора 6 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка 7 с диаметром, входящим во вторую наноразмерную группу; конусообразная нанопора 8 и вложенная в нее безызлучательная наносфера 9 с диаметром, входящим в третью наноразмерную группу; конусообразная нанопора 10 и вложенная в нее квантовая точку структуры ядро-оболочка 11 с диаметром, входящим в четвертую наноразмерную группу; конусообразные нанопоры 12, в одну из которых вложена квантовая точка структуры ядро-оболочка 13 с диаметром, входящим в пятую наноразмерную группу, а в другой конусообразной нанопоре 12, также входящей в пятую наноразмерную группу, закреплена вершина зондирующей иглы 2; конусообразная нанопора 14 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка 15 с диаметром, входящим в шестую наноразмерную группу; конусообразную нанопора 16 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка 17 с диаметром, входящим в седьмую наноразмерную группу; внешний источник электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка 18, объект диагностирования 19; подложка 20, на которой расположен объект диагностирования 19.
Крупными стрелками на фиг. 2 указывается направление входящего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка λ0 и преобразованного по длине волны излучения λ1, λ2, _, λ4, λ5, λ6, λ7, где: λ1, λ2, _, λ4, λ5, λ6, λ7 - длина волны люминесценции квантовых точек структуры ядро-оболочка соответственно первого, второго, четвертого, пятого, шестого, седьмого наноразмера.
Длина волны, λ3, в данном примере не генерируется вследствие вложения в конусообразную нанопору 8 безызлучательной наносферы 9 при программировании спектрального портрета стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, согласно технического задания.
Мелкими стрелками на фиг. 2 указывается направление выходящего суммарного излучения f(λ), где: f(λ)=(λ1, λ2, _, λ4, λ5, λ6, λ7) - спектр излучения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами образованный совокупным излучением всех квантовых точек структуры ядро-оболочка.
На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки и конусообразной нанопоры и их допусковые отклонения размеров, не нарушающих повторяемость спектральных портретов при тиражировании зондов.
На фрагменте А) (фиг. 3) приведены технические требования к допуску диаметра квантовых точек структуры ядро-оболочка наноразмерной группы n, который может колебаться на величину Δ от номинального размера dn-Δ в меньшую сторону, для осуществления сопряжения с конусообразными нанопорами наноразмерной группы n.
На фрагменте Б) (фиг. 3) - приведены технические требования к диаметру конусообразных нанопор наноразмерной группы n, где: конусообразная нанопора, диаметр которой на глубине Н по осевой лини от основания конуса равен радиусу (1/2 диаметра) квантовой точки структуры ядро-оболочка dn+Δ/2 наноразмерной группы n колеблется на величину Δ от номинального размера Dn+Δ в большею сторону для осуществления сопряжения с квантовыми точками структуры ядро-оболочка наноразмерной группы n.
На фрагменте В) (фиг. 3) - приведены выполненные технические требования сопряжения, предъявленные к паре, состоящей из квантовой точки 11 структуры ядро-оболочка (фрагмент фиг. 2), вложенной в конусообразную нанопору 10, входящую в одну наноразмерную группу №4, где представлена квантовая точка 11 структуры ядро-оболочка диаметрам d4-Δ вложенная в соответствующею нанопору диаметрам D4+Δ без выхода оболочки квантовой точки за периметр поверхности стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами. Стрелками показано соответственно входная длина волны возбуждения квантовой точки λ0 и преобразованная длина волны λ4. Где: d - номинальный размер наружного диаметра квантовой точки структуры ядро-оболочка; D - номинальный размер внутреннего диаметра конусообразной нанопоры; n - номер наноразмерной группы; Δ - максимальный размер разбросов диаметров с учетом температурного дрейфа, при котором сохраняется достоверность повторяемости спектральных портретов (т.е. исключается попадание квантовой точки, относящейся к одной группе № n в нанопоры № n+1, относящиеся к другой рядом расположенной наноразмерной группе).
На фиг. 4 приведено схематическое изображение пошагового программирования конусообразных нанопор квантовыми точками структуры ядро-оболочка или безызлучательными наносферами.
На фрагменте А) (фиг. 4) представлен спектральный портрет излучения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, где: на координате Y - ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения; на координате X - λ(nm) - длина волны излучения в нанометрах, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка, излучение с длиной волны λ3 отсутствует, т.к. при программировании вместо квантовой точки вложена безызлучательная 9 наносфера, f(λ)=(λ1, λ2, _, λ4, λ5, λ6, λ7) - суммарный спектр образующий спектральный портрет излучения.
На фрагменте Б) (фиг. 4) - схематически представлено пошаговое заполнение конусообразных нанопор 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 квантовыми точками структуры ядро-оболочка 5, 7, 11, 13, 15, 17 и безызлучательной наносферой 9. Вертикальными фигурными указательными стрелками показаны схематические траектории перемещения квантовых точек (от фрагмента В) к фрагменту Б)) при записи логической «1» и траектории перемещения наносфер (от фрагмента Г) к фрагменту Б)) при записи логического «0» во время пошагового программирования конусообразных нанопор.
На фрагменте В) (фиг. 4) - представлен ряд квантовых точек структуры ядро-оболочка с последовательно возрастающими диаметрами, излучающие дискретные длины волн λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6, λ7, входящие соответственно в первую, вторую, третью, четвертую, пятую, шестую, седьмую наноразмерные группы. Каждая вложенная квантовая точка в соответствующею конусообразную нанопору кодируется как логическая «1» определенного разряда с определенной длиной волны.
На фрагменте Г) (фиг. 4) - представлен ряд безызлучающих наносфер с последовательно возрастающими диаметрами, входящие соответственно в первую, вторую, третью, четвертую, пятую, шестую, седьмую наноразмерные группы. Каждая вложенная в конусообразную нанопору безызлучательная наносфера вместо квантовой точки кодируется как логический «0» определенного разряда.
На фрагменте Д) (фиг. 4) - приведено, в качестве примера, кодовое идентификационное слово «1101111» (сигнатура спектра), согласно которого происходит последовательное пошаговое программирование от большего размера диаметров к меньшему размеру диаметров квантовыми точками структуры ядро-оболочка или безызлучающими наносферами, за счет введения определенной комбинации их в соответствующие по диаметру конусообразные нанопоры стеклянной сферы 3. Каждой логической «1» или «0» соответствует включение или выключение той или иной длины волны, совокупный комбинационный набор которых определяет общий спектральный портрет излучающего элемента f(λ)=(λ1, λ2, _, λ4, λ5, λ6, λ7), выполненный за счет программирования конусообразных нанопор 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами.
На фрагменте Ж) (фиг. 4) - приведены номера наноразмерных групп, в которые входят конусобразные нанопоры, квантовые точки, безызлучательные наносферы с совместимыми по допускам и посадкам диаметрами.
На фрагменте 3) (фиг. 4) - приведены номера шагов, и горизонтальными фигурными указательными стрелками показано направление заполнения конусообразных нанопор квантовыми точками структуры ядро-оболочка от большего диаметра к меньшему.
Длина волны возбуждения 10 квантовых точек 5, 7, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка и длины волн преобразованного излучения λ1, λ2, _, λ4, λ5, λ6, λ7 квантовых точкек 5, 7, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка определяются их диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их процентном 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 находится, как в оптическом диапазоне, так и за его пределами, от ультрафиолетового до инфракрасного спектра излучения. При одном и том же внешнем диаметре квантовой точки, длина волны ее излучения может корректироваться за счет изменения соотношения диаметра ядра и толщины окружающей оболочки.
Ядро квантовых точек 5, 7, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AglnZnS, и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка квантовых точек 5, 7, 11, 13, 15, 17 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 изобретения, кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка, могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки [3].
Изготовление нанокомпозитного излучающего элемента осуществляется легированием стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, квантовыми точками 5, 7, 11, 13, 15, 17 структуры ядро-оболочка, и выполняется за счет проникновения квантовых точек структуры ядро-оболочка и безызлучательной наносферы 9 в конусообразные нанопоры 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами. Например, процесс легирования может осуществляется 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 [4]. В качестве безызлучательных наносфер могут быть использованы прозрачные для программируемого спектра излучения полимерные или стеклянные наносферы, находящиеся в коллоидных растворах с идентичными геометрическими характеристиками коллоидных растворов с квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
Зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка работает следующим образом: перед началом работы производится программирование излучающей стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами (фиг. 2). Программирование спектра излучения осуществляется за счет последовательного погружения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, предварительно соединенной с вершиной иглы 2 в коллоидные растворы квантовых точек с определенными диаметрами, соответствующими длине волны излучения λn для записи логической «1» или за счет погружения в коллоидные растворы с безызлучательными наносферами идентичного диаметра для записи логического «0» (для исключения генерации с длиной волны λn). Максимальные отклонения размеров сопрягаемых элементов, не влияющих на точность повторяемости спектральных картин, приведены на фиг. 3. После каждого погружения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами в очередной коллоидный раствор квантовые точки структуры ядро-оболочка заполняют все конусообразные нанопоры, в которые они могут проникнуть, т.е. при первом погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка наибольшего диаметра заполняют конусообразные нанопоры наибольшего диаметра, но не могут проникнуть в конусообразные нанопоры следующих групп меньшего диаметра; при втором погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка меньшего диаметра заполняют конусообразные нанопоры меньшего диаметра, но не могут проникнуть в конусообразные нанопоры наименьшего диаметра и уже заполненные ранее большего диаметра, и так до полного заполнения конусообразных нанопор минимального диаметра соответствующими квантовыми точками структуры ядро-оболочка или безызлучательными сферами минимального диаметра, что поясняется на фиг. 4. Последовательность логических «0» и «1» определяется заданным идентификационным кодовым словом, на основании которого формируется тот или иной спектральный портрет излучения стеклянной сферы 3 с конусообразными нанопорами, необходимый для исследования объекта диагностирования 19.
По окончании этапа программирования зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка работает следующим образом: кантилевер 1 с зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 19, расположенному на подложке 20, и надавливает на него стеклянной сферой 3 с конусообразными нанопорами, получая данные об упругих свойствах объекта диагностирования 19, до включения и после включения внешнего электромагнитного источника возбуждения 18 квантовых точек структуры ядро-оболочка с длиной волны λ0. В результате квантовые точки 5, 7, 11, 13, 15, 17 возбуждают поверхность диагностируемого объекта 19 сочетанием длин волн f(λ)=(λ1, λ2, _, λ4, λ5, λ6, λ7) согласно сформированному при программировании спектральному портрету излучения заданного идентификационным кодовым двоичным словом, например «1101111». 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 спектральной картины ƒ(λ) квантовыми точками в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения внешнего оптического источника 18 с целью исключения посторонних засветок и помех).
Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка, обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения изменения модуля Юнга в зависимости от стимулирующего воздействия определенным спектром электромагнитного мультиволнового излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под излучающей стеклянной сферой с конусобразными нанопорами. Возможность осуществления программирования спектра излучения с использованием безызлучательных наносфер и квантовых точек структуры ядро-оболочка, также дает возможность идентичной повторяемости спектральных портретов при тиражировании зондов. Все это позволяет обнаружить и исследовать отдельные светочувствительные участки биологических объектов и наноструктур изменяющих свои механические свойства и размеры под действием только строго определенного кодового набора длин волн электромагнитного излучения, направленных в определенную точку, без засветок окружающих участков исследуемого объекта, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.
Источники информации
1. Патент на полезную модель RU 140229 U1, 10.05.2014 G01Q 60/24. Зонд атомно-силового микроскопа с излучающим элементом на основе квантовых точек структуры ядро-оболочка / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.
2. Патент RU 2541422 С1, 10.02.2015 G01Q 60/24, B82Y 35/00. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.
3. Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.
4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.