СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП, СОВМЕЩЕННЫЙ С ОПТИЧЕСКИМ МИКРОСКОПОМ
SCANNING PROBE MICROSCOPE COMBINED WITH OPTICAL MICROSCOPE

Устройство относится к нанотехнологии, а конкретно к сканирующим зондовым микроскопам (СЗМ).
Устройство предназначено для одновременной работы зондового и оптического микроскопов с визуализацией данных на экране компьютера.
Оптический цифровой микроскоп на базе ПЗС матрицы является частью физического узла СЗМ и позволяет наблюдать кончик зонда СЗМ и область образца в районе зонда, регулировка фокуса и положения осветителя производится непосредственно при работе СЗМ. Передача данных оптического изображения в компьютер производится по стандартному интерфейсу USB.
Известно устройство EASYSCAN фирмы Nanosurf [1], где цифровая видеокамера Easyscope установлена на автономном штативе и сфокусирована на образец в области кантилевера. Недостаток этого устройства заключается в том, что область наблюдения зафиксирована и отсутствуют органы управления осветителем. Кроме того, громоздкая штанга не позволяет оперативно работать с разными образцами без перенастройки.
Известен также СЗМ [2], имеющий в своем составе цифровой видеомикроскоп. Недостатками этого устройства являются невозможность видеть кончик зонда, так как он заслоняется кантилевером при рассматривании его сверху, длинная штанга имеет низкую резонансную частоту, что может приводить к ухудшению работы прибора, видеокамера имеет отдельный блок управления, требуется внешний осветитель и внешний источник питания, что уменьшает удобство в эксплуатации, нет регулировки угла освещения образца, нет возможности рассматривать объект, расположенный вне зондового микроскопа, поскольку оптика микроскопа имеет фиксированное положение только для одного образца. Все это приводит к сужению функциональных возможностей прибора.
Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Цель изобретения заключается в создании СЗМ, совмещенного с компактным легкосъемным оптическим цифровым микроскопом, функционально законченным и не требующим дополнительного оборудования, с возможностью рассматривать образцы вне зоны работы СЗМ, включающим в себя осветитель, имеющий регулировку по углу и высоте.
Технические результаты изобретения заключаются в расширении функциональных возможностей СЗМ.
Указанные технические результаты достигаются в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ), совмещенном с оптическим микроскопом, включающем платформу, на которой установлены СЗМ, объект и оптический микроскоп с осветителем, при этом оптический микроскоп содержит базовый элемент с крышкой, на котором установлено оптоэлектронное устройство с объективом и матрицей ПЗС, сопряженное с трехкоординатным манипулятором, двухкоординатный манипулятор, сопряженный с осветителем, а также модуль фиксации базового элемента на платформе СЗМ.
Существует вариант, в котором оптический микроскоп выполняет роль акустического и (или) электрического экрана.
Существует вариант, в котором оптический микроскоп имеет дополнительное место установки на платформе.
Возможен вариант, в котором базовый элемент снабжен средствами герметизации, установленными с возможностью взаимодействия с платформой.
На фиг.1 изображен общий вид прибора, вид сбоку, с частичным разрезом.
На фиг.2 показан вид сверху по фиг.1 с дополнительным местом установки оптического микроскопа.
Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с оптическим микроскопом, содержит платформу 1, пьезосканер 2 с образцом 3, модуль грубого сближения зонда с образцом 4, держатель зонда 5, зонд 6. Также на платформе 1 установлен оптический микроскоп 7, который включает базовый элемент 8, на котором смонтирован трехкоординатный манипулятор. Базовый элемент 8 представляет собой, например, герметичный кожух, который устанавливают на платформу 1 при помощи модуля фиксации, закрывая зону работы СЗМ от внешних воздействий. Базовый элемент 8 может быть установлен при помощи модуля фиксации как на штатное место для визуализации образца СЗМ, так и на дополнительное место для рассматривания другого образца (фиг.2).
Модуль фиксации (средства точной установки) выполнен в виде трех магнитных шариков 9, вклеенных в базовый элемент 8, двух V-образных канавок 10 и одной лунки 11, вклеенных в платформу 1. Последние три элемента выполнены из магнитной стали и обеспечивают магнитный прижим для однозначной установки базового элемента 8 на платформе 1 после замены образца 3 или зонда 6. Такие же элементы расположены и на штатном месте. Трехкоординатный манипулятор выполнен в виде трех винтов 12, 13 и 14, выполняющих функции толкателей. Они сопряжены при помощи шарниров 15 с оптоэлектронным устройством 16 и поджаты пружинами 17. Одним концом пружины 17 соединены с устройством 16, а другим - с шарниром 15. Два винта 12 и 13 обеспечивают перемещение оптоэлектронного устройства 16 по координатам Y, Z. Третий винт 14 обеспечивает фокусировку микроскопа, приближая или отдаляя оптоэлектронное устройство 16 от образца 3. Каждый из винтов 12, 13, 14 ввинчен в подпружиненный шарнир 15 так, что ось винта совместно с шарниром 15 имеет возможность изменять наклон относительно базового элемента 8 при вращении любого из двух других винтов (12, 13 или 14) трехкоординатного манипулятора. Оптоэлектронное устройство 16 содержит корпус 18, объектив 19, ПЗС матрицу 20 и электронную схему для передачи данных по каналу USB (не показано). Шаг резьбы винтов обеспечивает перемещение по каждому направлению на 10 мм. Подставка для крепления образца 21 расположена на платформе 1 таким образом, чтобы образец (не показан), закрепленный на подставке 21, находился в фокусе объектива 19 при перестановке базового элемента 8 на это место без перенастройки объектива 19. Объектив 19 можно перемещать вдоль своей оптической оси на 5 мм относительно ПЗС матрицы 20 по резьбе, при этом увеличение изменяется в пределах от 75 до 200. Угол наклона оптической оси объектива 19 к горизонту β°=45°-50° выбран так, чтобы был виден кончик зонда 6 на фоне фрагмента поверхности образца 3. При увеличении микроскопа ×200 поле обзора составляет приблизительно 1.5×1.5 мм.
Осветитель 22 (например, светодиод) может перемещаться двухкоординатным манипулятором. Первая координата - перемещение при помощи винтовой подвижки 23 (диапазон перемещения - 20 мм), при этом угол α° остается неизменным. Вторая координата служит для изменения угла α°±30°, эту функцию обеспечивает подпружиненный шарнир 24 (показан условно), расположенный на базовом элементе 8.
В случае необходимости герметизации СЗМ базовый элемент 8 закрывается крышкой 25, которая может иметь герметизированное оптическое окно 26 перед объективом 19 оптоэлектронного устройства 16. При этом между платформой 1 и базовым элементом 8 устанавливается уплотнительная прокладка 27. В этом случае все элементы оптического микроскопа 7 находятся при атмосферном давлении, а элементы СЗМ вместе с образцом - в герметизированной зоне. Штуцер 28 для откачки и газонаполнения расположен на платформе 1.
Возможен вариант, когда все элементы настройки оптического микроскопа соединены с базовым элементом через герметичные сильфоны. В этом случае в герметичной зоне находятся все элементы как СЗМ, так и оптического микроскопа.
Образец 3, зонд 6, пьезосканер 2, модуль грубого сближения 4 подключены к блоку управления СЗМ (не показан). Подробно элементы СЗМ описаны в [3, 4].
Устройство работает следующим образом.
Образец 3 устанавливают на столик сканера 2, а зонд 6 размещают на расстоянии не более 1 мм от образца 3. Оптический микроскоп 7 устанавливают на модуль фиксации, при этом магнитные шарики фиксируются в лунке 11 и V-образных канавках 10. Включают систему управления СЗМ и подключают кабель оптического микроскопа 7 к USB порту компьютера (не показаны). Запускают программу управления СЗМ. Вращая винты 12, 13, 14 трехкоординатного манипулятора и наблюдая изображение на экране компьютера, выбирают место исследования на образце и/или находят изображение кончика зонда. Включают модуль грубого сближения 4 зонда 6 с образцом 3 и периодически подстраивают фокусировку и положение зонда на экране при помощи винтов 12, 13, 14 трехкоординатного манипулятора оптического микроскопа 7. После захвата взаимодействия СЗМ работает в обычном режиме [3, 4].
Для рассматривания образцов вне столика СЗМ оптический микроскоп 7 устанавливают на дополнительное место на платформе (показано пунктиром на фиг.2), при необходимости производят настройку фокуса и положения видимой зоны образца, расположенного на подставке 21, вращая винты 12, 13, 14 трехкоординатного манипулятора.
Для установки оптимального освещения образца 3 изменяют положение осветителя 22, вращая винт 23 и/или меняя наклон его оси при помощи шарнира 24 двухкоординатного манипулятора.
Для изменения величины оптического увеличения снимают оптический микроскоп 7 с платформы 1, перемещают объектив 19 на 1-2 миллиметра относительно ПЗС матрицы 20, вращая объектив в резьбе, затем снова устанавливают оптический микроскоп 7 на платформу 1 и подстраивают изображение (фокусировку и область обзора) винтами 12, 13 и 14 трехкоординатного манипулятора. При необходимости процедуру повторяют.
Установка оптоэлектронного устройства, осветителя, трехкоординатного и двухкоординатного манипуляторов на базовом элементе и наличие модуля фиксации приводят к увеличению функциональных возможностей СЗМ за счет компактности оптического микроскопа и возможности регулировки углов освещения образца.
Выполнение базового элемента в виде герметичного кожуха дает возможность экранировки зоны образца от внешних помех.
Осветитель в виде светодиода уменьшает размеры микроскопа, тем самым повышая его резонансную частоту, и не дает нагрева образца при сохранении компактности.
Дополнительное место установки оптического микроскопа увеличивает функциональные возможности устройства, давая средство предварительного обзора образца вне зоны работы СЗМ.
Расположение объектива под углом, не равным 90°, к поверхности объекта дает возможность наблюдать кончик зонда одновременно с поверхностью образца.
Вариант, когда оптическая ось объектива составляет с плоскостью ПЗС угол γ°, не равный 90°, расширяет зону резкости на оптическом изображении, поскольку при расположении объектива под углом β°, не равным 90°, к поверхности образца зона резкости представляет собой узкую горизонтальную полосу в связи с малой глубиной резкости при большом увеличении.
Снабжение базового элемента средствами герметизации с возможностью взаимодействия с платформой позволяет работать СЗМ в вакуумной или газонаполненной среде, а также обеспечивать контролируемую влажность образца.
Снабжение базового элемента средствами точной установки на платформу позволяет наблюдать одну и ту же область на образце после снятия и повторной установки оптического микроскопа на платформу.
Включение в оптический микроскоп герметизированного оптического окна позволяет упростить конструкцию в случае наличия средств герметизации базового элемента.
Выполнение оптического микроскопа с включением оптического манипулятора дает возможность оперативно изменять увеличение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сайт http://www.nanosurf.com
2. Патент RU 2244332, G02B 21/00, 2005 г.
3. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т.12, №1, с.99-121, 1998 г.
4. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И. Успехи химии, 64 (8), 1995 г., с.818-833.