Изготовление и Аттестация зондов из стеклянных микрокапилляров для сканирующего зондового микроскопа

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

УДК 535.211

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И АТТЕСТАЦИЯ ЗОНДОВ ИЗ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОКАПИЛЛЯРОВ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО

МИКРОСКОПА

А.В. Стовпяга, Г.С. Французов

Изготовлены зонды для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) на основе стеклянных микрокапилляров. Оценены характеристики зондов-пипеток по их изображениям, полученным в растровом электронном микроскопе (РЭМ) и в СЗМ с использованием тестовых решеток.

Ключевые слова: сканирующий зондовый микроскоп, нанопипетка, микрокапилляр, растровый электронный микроскоп.

Введение

Разрешающая способность СЗМ главным образом определяется размером вершины используемого зонда. Зонды для различных режимов работы СЗМ существенно отличаются своими параметрами и свойствами [1]. Применение стеклянных микро- и нанокапилляров в качестве зондов для СЗМ представляет интерес в связи с исследованием ионного транспорта и структуры биологических объектов (в частности, клеток) в жидких проводящих средах. Зонды-пипетки также могут быть использованы при решении задач, требующих переноса в пространстве малого количества жидкой пробы с нанометровой точностью.

Целью работы было исследование процесса вытяжки зондов-пипеток из стеклянных микрокапилляров при их разогреве с использованием газовой горелки и анализ характеристик получаемых зондов.

Материалы, оборудование и методы измерений

Объектами исследования являлись образцы нанопипеток, изготовленные из медицинских стеклянных капилляров при помощи вытяжной установки, использующей механическое натяжение и локальный разогрев капилляра в пламени газовой горелки. Исходный материал для изготовления микропипеток -капилляры из боросиликатного стекла с температурой размягчения ~ 760°С. Внешний и внутренний диаметры соответственно составляют 1 мм и 0,58 мм. Температура открытого пламени горелки составляла ~ 1300°С. После вытяжки зонды-пипетки закреплялись на свободном конце пьезотрубки, входящей в состав зондового датчика СЗМ «NANOEDUCATOR».

Аттестация зондов-пипеток осуществлялась двумя способами:

- прямая визуализация торца нанопипетки в режиме вторичных электронов с помощью РЭМ «FEI Inspect S»;

- сканирование изготовленными зондами тест-объектов с известным рельефом поверхности на СЗМ «NANOEDUCATOR» в полуконтактном режиме с последующим анализом результатов.

Нанопипетка закреплялась на конце пьезоэлектрической трубки зондового датчика СЗМ «NANOEDUCATOR». Закрепление зонда-пипетки выполнялось с использованием клея «Момент-1». В месте закрепления диаметр пипетки равнялся диаметру исходного стеклянного капилляра. Длина зонда от места закрепления до утоненного торца капилляра составляла 7-10 мм.

Особенности формирования нанопипеток

При изготовлении нанопипетки важно подобрать такой режим вытяжки, при котором полученные зонды имеют удлинение 7-10 мм от торца с внешним диаметром, равным диаметру исходного капилляра, до утоненного торца.

Сформулируем задачу о растяжении капилляра при его локальном нагревании [2]. Будем считать, что нагретый локально капилляр имеет равномерное по сечению распределение температуры, т.е. температура зависит только от координаты х и времени t, T(х, t) (х - координата вдоль капилляра). Капилляр растягивается под действием силы F (t) (рис. 1).

Обычно деформацию стекла в вязкоупругом состоянии описывают на основании модели Максвелла, которая учитывает как вязкую, так и упругую деформации. В рассматриваемом случае деформации вязкого течения значительно больше упругих деформаций, поэтому поведение капилляра при растяже-

7

нии будем описывать, применяя модель Ньютона. По этой модели изменение относительной деформации е во времени пропорционально действующим напряжениям ст и обратно пропорционально вязкости стекла ^ [3]:

* ст.

•п

г

dt

Рис. 1. Деформирующаяся зона нагрева под воздействием силы растяжения

Это выражение справедливо для каждого х в каждый момент времени /. Учитывая, что напряже

Е

ние ст = —, можно прийти к уравнению

^=Е м ^

при начальном условии 5(/ = 0) = 50 (50 - площадь сечения исходного капилляра). При вычислении необходимо учитывать, что отношение внутреннего диаметра капилляра к внешнему сохраняется в течение процесса вытяжки практически постоянным, т.е.

'0

= а.

R R0

Из уравнений (2) и (3) следует

R2 =-

1

л

f F

S0 - I — dt i Л

Из выражения (4) видно, что процессом вытяжки можно управлять двумя способами:

- изменяя силу растяжения в пределах прочности капилляра;

- изменяя вязкость стекла в зоне нагрева, которая зависит от температуры.

Следует отметить, что исходная модель не учитывает многие факторы, проявляющиеся в работе реальной установки. Экспериментально было установлено, что большое влияние на формирование зонда-пипетки оказывает равномерность и локальность нагрева капилляра, которую достаточно сложно обеспечить, используя газовую горелку, даже при ее жестком закреплении. Вследствие неравномерности распределения температуры в пламени горелки имеет место существенное различие во времени, необходимом для образования шейки и разрыва капилляра для различных образцов. В результате разрыв капилляра происходит при различных начальных условиях, что приводит к плохой воспроизводимости метода. Очевидно, что лучшую воспроизводимость можно получить, используя для локального разогрева лазерную технологию [1, 2].

Аттестация зондов-пипеток

r

На рис. 2 представлено характерное изображение зонда в виде нанопипетки, полученное на РЭМ «FEI Inspect S» в режиме вторичных электронов при ускоряющем напряжении 30 кВ. Отметим, что диаметры годных зондов-пипеток варьировались в диапазоне 200-1000 нм. При этом остриев с меньшими диаметрами на данной установке получить не удалось. Острия пипетки, как правило, имели форму усеченных конусов с небольшим углом при вершине.

Вообще говоря, в процессе вытяжки торец пипетки может оплавиться, что может привести к нежелательному исчезновению внутреннего сквозного канала. Наличие сквозного канала на торце заостренной части пипетки контролировалось в РЭМ. При больших диаметрах внутреннего канала такой контроль производился с помощью оптического микроскопа.

Для визуализации торца зонда-пипетки в СЗМ «NANOEDUCATOR» использовалась аттестованная кремниевая тестовая решетка TGT1 [4]. Решетка состоит из одинаковых остриев, расположенных в шахматном порядке с диагональным периодом 2,12 мкм. Острия имеют высоту 0,3-0,5 мкм и угол при вершине 50°. Диаметр острия при вершине составляет 10 нм.

Рис. 2. РЭМ изображения острия микропипетки

Тестовые решетки такого типа, как правило, используются для первичной оценки формы зонда. СЗМ-изображения, полученные в результате сканирования такой решетки, могут быть впоследствии использованы для процесса деконволюции (восстановление искажений, связанных с формой зонда).

На рис. 3 представлено поперечное сечение СЗМ-изображения, полученного при сканировании тестовой решетки TGT1 зондом-пипеткой в полуконтактном режиме. Скорость сканирования лежала в диапазоне 2000-4000 нм/с.

На рис. 3 наблюдаются две повторяющиеся структуры в виде двух пиков и впадины между ними. Расстояние между наблюдаемыми структурами равно 3 мкм, что соответствует периоду тестовой решетки. Понятно, что наблюдаемые на рис. 3 впадины возникают вследствие проникновения тонких (10 нм) остриев, составляющих тестовую решетку, во внутреннюю полость зонда-пипетки в процессе сканирования. По рис. 3 можно определить диаметр внутреннего отверстия в зонде-пипетке ~500 нм.

Cursor

Рис. 3. Профиль поперечного сечения СЗМ-изображения поверхности тестовой решетки ТОТ1

Для оценки возможности СЗМ-визуализации биологических объектов (в частности, клеток) в функционально активной проводящей среде было проведено сканирование тестовой решетки ТСЛ в воде (рис. 4).

Было установлено, что добротность зондового датчика при колебаниях на воздухе и в жидкой среде не изменяется и имеет величину 0—25. Однако при работе в жидкости следует учитывать достаточно быстрое испарение жидкости (за 10-15 мин), что накладывает определенные ограничения на скорость и на площадь сканирования. Отметим, что проблему испарения можно решить, применяя специальный резервуар-держатель образца.

Рис. 4. СЗМ-изображение тестовой решетки TGT1, полученное с помощью зонда-микропипетки:

а) в воде; б) на воздухе

Отметим, что при работе на воздухе на СЗМ-изображении тестовой решетки наблюдаются ярко выраженные раздвоенные пики (рис. 4, б), происхождение которых уже обсуждалось выше. Вместе с тем при работе в жидкости такого раздвоения не наблюдается (рис. 4, а). Для объяснения причины обнаруженного эффекта требуются дополнительные исследования.

Заключение

Апробирована технология вытягивания зондов-пипеток для СЗМ из стеклянных капилляров с использованием локального разогрева в пламени газовой горелки. С помощью описанной технологии возможно получение зондов-пипеток с диаметром до 500 нм, однако выход годных зондов не превышает 10%. Характеризация зондов путем прямой визуализации в РЭМ и с использованием тестовых решеток в СЗМ дает адекватные результаты. Показана работоспособность зондового датчика СЗМ «NANOEDUCATOR» с зондом-пипеткой и выявлены особенности его функционирования в жидкости.

Работа выполнена в рамках реализации гранта № 2.1.2/4187 «Многофункциональные нанозонды для сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и литографии (СЗМ-С-Л): концепция, технология, характеризация, применение» при финансовой поддержке Министерства образования и науки.

Литература

1. Veiko V.P., Golubok A.O., Levichev V.V., Zuong Z., Yakovlev E.B. Multifunctional universal SPM nanoprobe fabrication with laser technology // Laser Physics. - 2009. - V. 19. - № 5. - Р. 1142-1151.

2. Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг. Исследование лазерного формирования комбинированных нанозондов. Дис. ... канд. техн. наук: 05.27.03. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. - 135 с.

3. Мазурин О.В., Стрельцина М.В., Швайко-Швайковская Т.П. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов. Справочник. - Л.: Наука, 1977. - Т. 3. - 586 с.

4. ЗАО «НТ-МДТ» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.nt-mdt.ru, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

Стовпяга Александр Владимирович - Санкт-Петербургский государственный университет информационных

технологий, механики и оптики, аспирант, sanja100v@mail.ru Французов Григорий Сергеевич - Санкт-Петербургский государственный университет информационных

технологий, механики и оптики, студент, grigoryfrants@gmail.com