ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С ПРОГРАММИРУЕМЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ ПОРТРЕТОМ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА, ЛЕГИРОВАННОГО КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ СТРУКТУРЫ ЯДРО-ОБОЛОЧКА
PROBE OF ATOMIC-FORCE MICROSCOPE WITH PROGRAMMABLE SPECTRAL PORTRAIT OF RADIATION ELEMENT DOPED WITH 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, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор полимерной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой, заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [1].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемым спектром излучения воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика 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 с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор стеклянной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [2].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемым спектром излучения воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика 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 сквозных нанопор с конусообразными входами, 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 одновременным измерением характеристик сигнала электрического отклика 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, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета через одну из нанопор стеклянной сферы, остальные сквозные 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 сквозных нанопор с конусообразными входами с равным количеством сквозных нанопор с конусообразными входами 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 сквозных нанопор с конусообразными входами, число наноразмерных групп которых равно максимальному количеству используемых дискретных длин волн, излучаемых квантовыми точками структуры ядро-оболочка, которые вложены в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, причем программируемая комбинация сочетаний диаметров квантовых точек структуры ядро-оболочка и безызлучательных наносфер, вложенных в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами 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, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента, легированного квантовыми точками 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, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка. На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки и сквозной нанопоры с конусообразными входами и их допусковые отклонения размеров, не нарушающие повторяемость спектральных портретов при тиражировании зондов. На фиг. 4 приведено схематическое изображение пошагового программирования сквозных нанопор с конусообразными входами 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, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка фиг. 1, состоит из: кантилевера 1, соединенного с электропроводящей зондирующей иглой 2, вершина которой продета через одну из сквозных нанопор стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14, легированными квантовыми точками 5, 7, 9, 13, 15, структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 16 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1 с направлением излучения ориентированным на центр стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, также на фиг. 1 представлен диагностируемый объект 17, размещенный на подложке 18 в момент соприкосновения ее со стеклянной сферой 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами (элементы 3-18 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).
На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где электропроводящая зондирующая игла 2, стеклянная сфера 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами; сквозная нанопора с конусообразным входом 4 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка 5 с диаметром, входящим в первую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 6, в одну из которых вложена квантовая точка структуры ядро-оболочка 7 с диаметром, входящим во вторую наноразмерную группу, а в другую сквозную нанопору с конусообразным входом 6, также входящую во вторую наноразмерную группу, продета вершина электропроводящей зондирующей иглы 2; сквозная нанопора с конусообразным входом 8 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка 9 с диаметром, входящим в третью наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 10 и вложенная в нее безызлучательная наносфера 11 с диаметром, входящим в четвертую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 12 и вложенная в нее квантовая точку структуры ядро-оболочка 13 с диаметром, входящим в пятую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 14 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка 15 с диаметром, входящим в шестую наноразмерную группу; внешний источник электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка 16; объект диагностирования 17; подложка 18, на которой расположен объект диагностирования 17.
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, λ3, __, λ5, λ6, где λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6 - длина волны люминесценции квантовых точек структуры ядро-оболочка соответственно первого, второго, третьего, пятого, шестого наноразмера.
Длина волны λ4 в данном примере не генерируется вследствие вложения в сквозную нанопору с конусообразным входом 10 безызлучательной наносферы 11 при программировании спектрального портрета стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами согласно техническому заданию.
Мелкими стрелками на фиг. 2 указывается направление выходящего суммарного излучения f(λ), где f(λ)=(λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6) - спектр излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, образованный совокупным излучением всех квантовых точек структуры ядро-оболочка.
На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки и сквозной нанопоры с конусообразным входом и их допусковые отклонения размеров, не нарушающие 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 со сквозными нанопорами с конусообразными входами наноразмерной группы n.
На фрагменте Б) (фиг. 3) приведены технические требования к диаметру сквозных нанопор с конусообразными входами наноразмерной группы n, где сквозная нанопора с конусообразным входом, диаметр конуса которой на глубине Н по осевой линии 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 большую 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 9 структуры ядро-оболочка (фрагмент фиг. 2), вложенной в сквозную нанопору с конусообразными входами 8, входящими в одну наноразмерную группу №3, где представлена квантовая точка 9 структуры ядро-оболочка диаметром d3-Δ, вложенная в соответствующую сквозную нанопору 8 с конусообразными входами диаметром D3+Δ без выхода оболочки квантовой точки за периметр поверхности стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. Стрелками показано, соответственно, входная длина волны возбуждения квантовой точки λ0 и преобразованная длина волны λ3, где d - номинальный размер наружного диаметра квантовой точки структуры ядро-оболочка; D - номинальный размер внутреннего диаметра входного конуса сквозной нанопоры с конусообразными входами; 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 сквозных нанопор с конусообразными входами квантовыми точками структуры ядро-оболочка или безызлучательными наносферами.
На фрагменте А) (фиг. 4) представлен спектральный портрет излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, 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 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 9, 13, 15, структуры ядро-оболочка, излучение с длиной волны λ4 отсутствует, т.к. при программировании вместо квантовой точки вложена безызлучательная 11 наносфера, f(λ)=(λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6) - суммарный спектр, образующий спектральный портрет излучения.
На фрагменте Б) (фиг. 4) схематически поясняется пошаговое заполнение сквозных нанопор с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14 квантовыми точками структуры ядро-оболочка 5, 7, 9, 13, 15 и безызлучательной наносферой 11. 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 сквозных нанопор с конусообразными входами.
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, входящие соответственно в первую, вторую, третью, четвертую, пятую, шестую наноразмерные группы. Каждая вложенная квантовая точка в соответствующею сквозную нанопору с конусообразными входами 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, наноразмерные группы. Каждая вложенная в сквозную нанопору с конусообразным входом безызлучательная наносфера вместо квантовой точки кодируется как логический «0» определенного разряда.
На фрагменте Д) (фиг. 4) приведено, в качестве примера, кодовое идентификационное двоичное слово «111011» (сигнатура спектра), согласно которому 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 сквозные нанопоры с конусообразными входами 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, λ3, _, λ5, λ6), выполненный за счет программирования сквозных нанопор с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14, стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами.
На фрагменте Ж) (фиг. 4) приведены номера наноразмерных групп, в которые входят сквозные нанопоры с конусообразным входом, квантовые точки, безызлучательные наносферы с совместимыми по допускам и посадкам диаметрами.
На фрагменте З) (фиг. 4) приведены номера шагов, и горизонтальными фигурными указательными стрелками показано направление заполнения сквозных нанопор с конусообразным входом квантовыми точками структуры ядро-оболочка от большего диаметра к меньшему.
Длина волны возбуждения λ0 квантовых точек 5, 1, 9, 13, 15 структуры ядро-оболочка и длины волн преобразованного излучения λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6, квантовых точкек 5, 7, 9, 13, 15 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 находиться 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, 9, 13, 15 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, 9, 13, 15 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 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, квантовыми точками 5, 7, 9, 13, 15 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения квантовых точек структуры ядро-оболочка и безызлучательной наносферы 11 в сквозные нанопоры с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14 стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. 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, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: перед началом работы производится программирование излучающей стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами (фиг. 2). Программирование спектра излучения осуществляется за счет последовательного погружения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, предварительно соединенной с вершиной электропроводящей зондирующей 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 влияющие на точность повторяемости спектральных картин, приведены на фиг. 3. После каждого погружения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами в очередной коллоидный раствор квантовые точки структуры ядро-оболочка заполняют все сквозные нанопоры с конусообразными входами, в которые они могут проникнуть, т.е. при первом погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка наибольшего диаметра заполняют сквозные нанопоры с конусообразными входами наибольшего диаметра, но не могут проникнуть в сквозные нанопоры с конусообразными входами следующих групп меньшего диаметра; при втором погружении в коллоидный раствор следующей наноразмерной группы квантовые точки структуры ядро-оболочка меньшего диаметра заполняют сквозные нанопоры с конусообразными входами меньшего диаметра, но не могут проникнуть в сквозные нанопоры с конусообразными входами наименьшего диаметра и уже заполненные ранее большего диаметра, и так до полного заполнения сквозных нанопор с конусообразными входами минимального диаметра соответствующими квантовыми точками структуры ядро-оболочка или безызлучательными наносферами минимального диаметра, что поясняется на фиг. 4. Последовательность логических «0» и «1» определяется заданным идентификационным кодовым двоичным словом, на основании которого формируется тот или иной спектральный портрет излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, необходимый для исследования объекта диагностирования 17.
По окончании этапа программирования зонд атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: кантилевер 1 с электропроводящей зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 17, расположенному на подложке 18, и надавливает на него, получая данные об электрических характеристиках объекта диагностирования 17, до включения и после включения внешнего электромагнитного источника возбуждения 16 квантовых точек структуры ядро-оболочка с длиной волны λ0. В результате квантовые точки 5, 7, 9, 13, 15 возбуждают поверхность диагностируемого объекта 17 сочетанием длин волн f(λ)=(λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6) согласно сформированному при программировании спектральному портрету излучения заданного идентификационным кодовым двоичным словом, например «111011». 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 f(λ) квантовыми точками в интервале, равном времени их флуоресценции, после выключения внешнего оптического источника 16 с целью исключения посторонних засветок и помех).
Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с программируемым спектральным портретом излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения характеристик электрических сигналов на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия определенным спектром электромагнитного мультиволнового излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под вершиной электропроводящей иглы. 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 электрические свойства 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 140007 U1, 27.04.2014 G01Q 60/24, Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.
2. Патент RU 2541419 С1, 10.02.2015 G01Q 60/24, B82Y 1/00 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.