СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП С КОНТРОЛИРУЕМОЙ СРЕДОЙ ИЗМЕРЕНИЯ
SCANNING PROBE MICROSCOPE WITH CONTROLLED MEASUREMENT MEDIUM

Изобретение относится к зондовой микроскопии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим комплексные исследования сложных объектов при контроле и создании требуемой среды измерения.
Известен сканирующий зондовый микроскоп, содержащий платформу, на которой установлен измерительный блок, включающий захват с зондом, оптически сопряженным с источником излучения и фотоприемником, блок предварительного сближения с приводом, передаточным механизмом и подвижным элементом, сопряженным с держателем образца с образцом, установленным на сканирующем модуле [1].
Основной недостаток этого устройства заключается в невозможности проводить комплексные исследования в контролируемой газовой среде.
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Задачей изобретения является создание многофункционального прибора для комплексных измерений.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей сканирующего зондового микроскопа.
Указанный технический результат достигается тем, что в сканирующий зондовый микроскоп с контролируемой средой измерения введены модульный блок откачки, сопряженный с платформой, герметичный кожух с, по меньшей мере, одним оптически прозрачным окном, имеющим возможность вакуумно-плотной установки на платформу и герметизации измерительного модуля, а также блок вакуумизации, установленный на платформе с возможностью подвижки и оптически сопряженный, по меньшей мере, посредством одного оптически-прозрачного окна с зондом, при этом платформа имеет замкнутую вакуумно-плотную полость, в которой расположены подвижный элемент с держателем образца, захват зонда снабжен пьезомодулем, а на платформе установлен ориентатор, сопряженный с герметичным кожухом.
Существует вариант, в котором сканирующий модуль сопряжен с подвижным элементом посредством двухкоординатного позиционера и содержит держатель образца с образцом.
Существует также вариант, в котором привод размещен вне замкнутой вакуумно-плотной полости и сопряжен с передаточным механизмом посредством уплотнения.
Возможен вариант, в котором устройство снабжено средствами напуска газа, состыкованными с герметичным кожухом и (или) замкнутой вакуумно-плотной полостью платформы.
Возможен также вариант, в котором сканирующий модуль сопряжен с измерительным модулем и содержит захват зонда с зондом.
Существует вариант, где устройство снабжено жидкостной ячейкой или электрохимической ячейкой, установленной либо на подвижном элементе, либо на сканирующем модуле, при этом держатель образца размещен внутри жидкостной ячейки.
Существует также вариант, где вакуумно-плотная установка герметичного кожуха на платформе осуществлена посредством упругого уплотнения и без механического касания герметичного кожуха и платформы.
Кроме этого возможен вариант, в котором сканирующий модуль сопряжен с измерительным модулем и содержит захват зонда с зондом, и устройство снабжено магнитом, установленным на подвижном элементе и магнитно-сопряженным с держателем образца.
Кроме этого также возможен вариант, в котором сканирующий модуль сопряжен с измерительным модулем и содержит захват зонда с зондом, и ориентатор сопряжен с герметичным кожухом посредством демпфирующего элемента.
На фиг.1 изображена схема предложенного устройства.
Сканирующий зондовый микроскоп с контролируемой средой измерения содержит платформу 1 с замкнутой вакуумно-плотной полостью 2, в которой на направляющих 3 установлен подвижный элемент 4. На нем закреплен двухкоординатный стол 5 со сканирующим модулем 6, на котором установлен держатель образца 7 с образцом 8.
Подвижный элемент 4 зацепом 9 сопряжен через деталь кинематической развязки 10 с передаточным механизмом 11, который установлен в платформе 1 через уплотнение 12 и сопряжен с приводом 13.
На платформе 1 посредством регулируемых опор 14 установлен измерительный модуль 15 с захватом 16 с зондом 17 и пьезомодулем 18, а также лазером 19 и фотоприемником 20. Лазер 19 и фотоприемник 20 имеют котировочные подвижки (не показаны). Следует заметить, что модуль 15 может быть выполнен в виде туннельного модуля (не показано).
Модуль 15 может быть установлен посредством закрепленных на платформе 1 ловителей 21.
На платформе 1 установлен посредством упругого уплотнения 22 герметичный кожух 23 с, например, первым 24 и вторым 25 оптически-прозрачными окнами. Через окно 24 блок визуализации 26 оптически сопряжен с зондом 17 и соответственно с зоной измерения. Блок 26 имеет возможность установки на кронштейне 27 во второе положении напротив второго окна 25.
На платформе 1 закреплен ориентатор 28 с демпфирующим элементом 29, имеющим возможность сопряжения с герметичным кожухом 23.
Эти элементы подробно не показаны. Они могут иметь форму дуг окружности, близкой к диаметру цилиндрического кожуха 23 и соприкасаются с ним с разных сторон. Могут быть также другие варианты. Элемент 29 может быть изготовлен из пористой резины.
Платформа 1 соединена с модульным блоком откачки, например, содержащим манометр 30, вентили 31, цеолитовый насос 32 и форвакуумный насос 33. Блок откачки выполнен таким образом, что он имеет возможность оперативного отсоединения и перекомпоновки насосов, а также подсоединения новых насосов, например турбомолекулярного.
Платформа 1, а также кожух 23 могут быть соединены со средствами напуска газа 34 и 35.
В состав устройства входит блок управления 36, подключенный к элементам 6, 7, 13, 15, 33, 34 и 35. С элементами сканирующего зондового микроскопа, описанного выше, можно подробно ознакомиться в [2, 3, 4, 5].
Существуют возможные варианты микроскопа, в которых сканирующий элемент входит в состав модуля 15. Держатель образца 7 при этом распложен на координатном столе 5. Этот вариант не показан, его исполнение см. в [6].
Возможны также использования в устройстве электрохимических и жидкостных ячеек, расположенных либо на сканирующем модуле 6, либо на координатном столе 5. Этот вариант также не показан. См. подробно в [7, 8].
Существуют также варианты использования магнита (не показан) для магнитных измерений. Он может быть установлен на подвижном элементе 4, на координатном столе 5, на сканирующем модуле 6 либо на платформе 7. Обязательным условием установки магнита является сопряжение его магнитных линий с зоной измерения.
Сканирующий зондовый микроскоп с контролируемой средой измерения работает следующим образом.
Устанавливают образец 8 на держатель 7 посредством, например, прижимных лапок (не показано). Над образцом 8 располагают измерительный модуль 15. Используя двухкоординатный стол 5, вводят образец 8 в нужную зону относительно зонда 17. Для этого можно использовать модуль визуализации 26, повернув его на поворотном кронштейне 27 и расположив над зоной измерения. Включают привод 13 и осуществляют предварительное сближение образца 8 с зондом 17. Этот процесс можно контролировать, разместив измерительный модуль напротив окна 25. После достижения расстояния между образцом и зондом порядка 1 мм устанавливают кожух 23 на уплотнение 22 и осуществляют откачку устройства.
По достижении требуемого давления осуществляют финишное сближение образца 8 с зондом 17 и производят сканирование измеряемой поверхности.
При необходимости напускают, например, инертный газ в зону измерения. Это может использоваться, например, при применении жидкостной или электрохимической ячейки.
Магнитные измерения могут проводиться как с образцами, закрепленными на держателе 7, так и в жидкостных ячейках. Подробно жидкостные, электрохимические и магнитные измерения см. в [7, 8, 9].
При необходимости перед измерением можно включать пьезомодуль 18 и сбивать ультразвуком частички грязи с острия зонда.
Введение в устройство модульного блока откачки, сопряженного с платформой, а также герметичного кожуха с, по меньшей мере, одним оптически прозрачным окном, имеющим возможность вакуумно-плотной установки на платформу и герметизации измерительного модуля, расширяет возможности исследования образцов.
Установка блока визуализации на платформе с возможностью подвижки и оптическое сопряжение с зондом посредством нескольких оптически-прозрачных окон позволяет иметь доступ к зоне измерения как сверху, так и с боку, что расширяет возможности поиска объектов на образцах и подвода к ним.
Введение пьезомодуля на захват зонда расширяет возможности использования зонда.
Использование ориентатора, сопряженного с герметичным кожухом посредством демпфирующего элемента, уменьшает акустические воздействия на зону измерения и повышает его точность.
Сопряжение сканирующего модуля с подвижным элементом посредством двухкоординатного позиционера позволяет использовать простой и надежный измерительный модуль для высокоточных измерений.
Размещение привода вне замкнутой вакуумно-плотной полости и сопряжение его с передаточным механизмом посредством уплотнения снижает пылегазовыделения в измеряемую зону и упрощает использование привода.
Снабжение герметичного кожуха и (или) замкнутой вакуумно-плотной плоскости платформы средствами напуска газа расширяет возможности устройства.
Сопряжение сканирующего модуля с измерительным модулем позволяет исследовать образцы больших размеров и масс.
Снабжение устройства жидкостной ячейкой или электрохимической ячейкой, установленной либо на подвижном элементе, либо на сканирующем модуле, расширяет функциональные возможности устройства.
Использование магнита, установленного на подвижном элементе и магнитно-сопряженным с держателем образца, позволяет дополнительно проводить магнитные измерения.
Установка вакуумно-плотного герметичного кожуха на платформе посредством упорного уплотнения без механического касания кожуха и платформы уменьшает акустические воздействия на зону измерения и повышает его точность.
Источники информации
1. Патент RU 2282902, 2006 г.
2. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т.12, №1, с.99-121, 1998 г.
3. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И., Успехи химии, 64(8), 1995 г., с.818-833.
4. Патент RU 2199171, 2003 г.
5. Патент RU 2255321, 2003 г.
6. Патент RU 2227333, 2004 г.
7. Патент RU 2248600, 2005 г.
8. Патент RU 2210731, 2003 г.
9. Патент RU 2276794, 2006 г.