ЗОНД ДЛЯ БЛИЖНЕПОЛЕВОЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ МИКРОСКОПИИ

Полезная модель относится к измерительной технике, может быть использована в ближнеполевой сканирующей СВЧ и оптической микроскопии. Предложенный тип высокопроводящих зондов позволяет производить локальные исследования объектов микро- и наноэлектроники и биологических объектов.
Известен тип металлических зондов, применяемый в атомносиловой микроскопии и туннельной микроскопии, представляющий из себя заостренную посредством электрохимического травления металлическую проволоку (например, из вольфрама) (В.Л.Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М: Техносфера, с.114). Однако у данного типа зондов имеется ряд недостатков, а именно, т.к. большинство металлов и металлических сплавов обладающих высокой электрической проводимостью имеют низкую механическую твердость, и наоборот, твердые металлы и металлические сплавы имеют, как правило, низкую электрическую проводимость, то в данном изделии не удается сочетать и высокую электрическую проводимость важную для обеспечения качественных измерений как на постоянном токе, СВЧ диапазоне, так и в оптическом диапазоне длин волн, так и высокую механическую твердость зондов, которая важна для их долговечности. Также следует отметить, что у данного типа зондов, кроме заострения кончика зонда, не обеспечивается каких либо дополнительных мер по повышению плотности потока электрического поля у поверхности кончика зонда, которое в основном и обеспечивает высокую разрешающую способность построенных на его основе измерительных приборов.
Также известен тип зондов, представляющий из себя заостренную с одного конца проволоку, изготавливаемую из высокопроводящего электрический ток и мягкого материала (сплав платины и иридия), применяемый в туннельной микроскопии (В.Л.Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М: Техносфера, с.114). Данный тип зондов, как и предыдущий, имеет серьезный недостаток, а именно, т.к. материал зонда хотя и обладает высокой электрической проводимостью, однако имеет очень низкую механическую твердость и, следовательно, склонен к затуплению кончика, что снижает долговечность зонда и сужает диапазон возможных применений. Так же как и у предыдущего типа зондов у данного типа, кроме самого заострения кончика зонда, не обеспечивается каких либо дополнительных мер по повышению плотности потока электрического поля у поверхности кончика зонда, который в основном и обеспечивает высокую разрешающую способность построенных на его основе измерительных приборов.
Известен микроэлектрод, представляющий собой стеклянную трубку, выполненную сужающейся к концу до размеров порядка 0.1 мкм и заполненную проводящим электрический ток электролитом. Данный тип микроэлектродов нашел широкое применение для внутриклеточной регистрации электрических параметров клеточных мембран, для поляризации клеточных мембран электрическим током и для введения различных веществ внутрь клетки (ионофорез) или подачи их на ее поверхность (аппликация) (Кожечкин С.Н. Микроэлектроды // Приборы и методы для микроэлектродного исследования клеток / под ред. Вепринцев Б.Н., Крастс И.В.. - Пущино: Научный центр биологических исследований АН СССР в Пущине, 1975. - 800 экз). Данный тип микроэлектродов не применим в качестве зонда для микроскопии твердых сред, т.к. электролит будет вытекать из полости микроэлектрода, а если даже среда и заполнена некоторой жидкостью, то электролит будет смешиваться с последней что будет приводить к изменению его свойств в ходе процесса измерения. Также микроэлектрод не применим в качестве зонда СВЧ ближнеполевого микроскопа, т.к. СВЧ излучение очень быстро затухает в электролите.
Наиболее близким к заявляемому устройству является зонд для ближнеполевой сверхвысокочастотной микроскопии, выполненный в виде заостренной стеклянной трубки с высокопроводящей металлической сердцевиной (см. заявку на патент США №2006125465, опубл. 15.06.2006). Однако прототип очень трудоемок в изготовлении.
Задачей является создание зонда для ближнеполевой СВЧ и оптической микроскопии, туннельной и атомно-силовой микроскопии и способа изготовления зонда с улучшенными электродинамическими и механическими характеристиками при сохранении высоких электрических свойств (проводимость).
Техническим результатом является снижение трудоемкости изготовления устройства при сохранении эксплуатационных характеристик.
Технический результат достигается за счет применения металлического зонда с диэлектрическим покрытием из стекла, радиус закругления кончика которого может составлять доли микрона, такой зонд может быть использован как в сканирующей ближнеполевой сверхвысокочастотной (СВЧ) микроскопии, так и в сканирующей ближнеполевой оптической микроскопии. Зонд представляет собой стеклянную трубку, заполненную проводящим материалом в виде легкоплавкого металла или металлического сплава, заостренную на конце до радиуса закругления кончика в доли микрона. Обеспечение заданного радиуса закругления кончика зонда производится посредством подбора исходных материалов и их геометрических размеров, температуры процесса и скорости растяжения. Для изготовления вышеописанного зонда помещают в стеклянную трубку легкоплавкий металл или металлический сплав, температура плавления которого значительно меньше температуры размягчения стекла, из которого изготовлена стеклянная трубка, затем производят локальный нагрев полученной заготовки в месте, где в трубке расположен металл (металлический сплав) до температуры размягчения стекла (металл при этом расплавляется). После этого растягивают трубку до разрыва, в результате чего получается тонкий оборванный на конце стеклянный капилляр, заполненный жидким металлом (сплавом), который затем остужают до комнатной температуры, в результате чего стекло отвердевает, а металл (сплав) кристаллизуется. Полученный кончик капилляра, заполненный кристаллизовавшимся металлом, является зондом.
Заявляемый зонд представляет собой стеклянную трубку, полость которой заполнена высокопроводящим материалом в виде легкоплавкого металла или металлического сплава, следовательно, по заявляемому зонду электромагнитное излучение распространяется как по коаксиальной линии передач.
На фигурах 1, 2 и 3 условно изображены технологические этапы формирования заявляемого зонда. Позициями на чертежах обозначены:
1 - стеклянная трубка,
2 - полость стеклянной трубки,
3 - сердцевина;
4 - острие.
Зонд представляет из себя стеклянную трубку, с тупым и острым концами и сердцевиной, представляющей собой высокопроводящий металл или металлический сплав. Острый конец трубки (острие) выполнен сужающимся, при этом даже самый кончик заполнен высокопроводящим металлом или металлическим сплавом. Металлическая сердцевина заканчивается на одном уровне со стеклянной оболочкой.
Зонд устанавливают в качестве продолжения центрального проводника коаксиальной зондовой части ближнеполевого СВЧ и/или оптического микроскопа таким образом, что его металлическая сердцевина со стороны тупого конца имеет электрический контакт с центральным проводником. Затем в данную зондовую часть подают СВЧ (и/или оптическое) излучение. Исследуемый объект подводят к острому концу зонда (острию) на расстояние приблизительно равное или меньшее диаметра последнего. В процессе измерения это расстояние поддерживают неизменным. Далее образец перемещают относительно острого конца зонда, одновременно измеряя отклик зондовой коаксиальной части микроскопа по отражению и/или пропусканию электромагнитного излучения, тем самым сканируя образец. Зонд в данном случае выполняет функцию элемента электродинамической системы, который концентрирует электромагнитное поле у самого кончика острия, тем самым обеспечивая высокое разрешение процесса сканирования.
Металлические высокопроводящие зонды с диэлектрическим покрытием из стекла (диэлектрических стеклянных зондов с высокопроводящей сердцевиной), радиус закругления кончика которых может составлять доли микрона, изготавливают следующим образом. Перед началом процесса изготовления острия (позиция 4 фигура 3) в центральную часть полости (позиция 2 фигура 1) трубки (позиция 1 фигура 1) помещают кусочек проволоки из легкоплавкого металла или металлического сплава (позиция 3 фигура 1), температура плавления которого значительно меньше температуры размягчения стекла, из которого изготовлена стеклянная трубка (позиция 1 фигура 1) (например, проволока оловянно-свинцового припоя типа ПОС-61). Диаметр этой проволоки (позиция 3 фигура 1) должен быть немного меньше внутреннего диаметра стеклянной трубки (позиция 1 фигура 1), с одной стороны, для обеспечения плотного заполнения полости (позиция 2 фигура 1) трубки, и с другой стороны, для обеспечения легкого помещения проволоки (позиция 3 фигура 1) внутрь полости. Материалом трубки (позиция 1 фигура 1) может быть стекло силикатное медицинское марки МС-1, НС-2 или любое другое с подходящей температурой размягчения, при этом внешний диаметр трубки (позиция 1 фигура 1) может быть 2 мм, внутренний - 1 мм. Далее производят локальный нагрев средней части трубки (позиция 1 фигура 2), в которой находится проволока (позиция 3 фигура 2) до размягчения последней, после чего растягивают нагретую трубку (позиция 1 фигура 2) до разрыва. В качестве источника тепла возможно использовать газовую горелку (температура пламени порядка 1000°C). В процессе растяжения трубки (позиция 1 фигура 2) обеспечивают ее вращение вдоль продольной оси для равномерного нагрева. Усилие, прилагаемое к трубке 1 при растяжении, находится в пределах от 0.1H до 0.5H.