БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СКАНИРУЮЩИХ ЗОНДОВЫХ МИКРОСКОПОВ
CONTROL UNIT FOR SCANNING PROBE MICROSCOPES

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно, к устройствам, обеспечивающим управление сканирующими зондовыми микроскопами. Например, устройство может быть использовано для сканирования поверхности образца с целью определения рельефа его поверхности, определения размеров характерных особенностей на его поверхности и пр.
Известен блок управления для СЗМ, включающий среднеквадратичный детектор, цепь обратной связи и элементы управления взаимными вертикальными перемещениями зондового датчика и образца [1].
Существенным недостатком указанного устройства является невозможность отслеживания фазового сдвига между колебаниями датчика и возбуждающими колебаниями. Это не позволяет проводить измерения ряда характеристик образца, а также реализовать определенные измерительные методики, например метод фазового контраста.
Известен блок управления для СЗМ, включающий фазовый детектор наряду с среднеквадратичным детектором, цепью обратной связи и элементами управления взаимными вертикальными перемещениями зондового датчика и образца [2].
Недостатком указанного устройства является возможность использования сигнала фазового сдвига только для отображения в процессе измерений, но не для использования в цепях обратной связи, например, для обеспечения устойчивой работы СЗМ.
Известен также блок управления для сканирующего зондового микроскопа, включающего вибрационный зондовый датчик, вертикальный привод для взаимного перемещения датчика и измеряемого образца перпендикулярно плоскости сканирования и измерительный преобразователь сигналов от вибрационного зондового датчика, содержащий цепь обратной связи, включающую цифровой процессор сигналов, связывающий выход измерительного преобразователя и вертикальный привод, программируемую вентильную матрицу, запрограммированную для выполнения прямого цифрового синтеза, блок USB для связи с компьютером, а также средства обработки сигнала от измерительного преобразователя с использованием цифрового сдвоенного фазового синхронного смесителя и НЧ фильтров [3].
Первым недостатком указанного устройства является использование цифрового сдвоенного фазового синхронного смесителя, что приводит к повышенному уровню шумов. Вторым недостатком является выполнение НЧ фильтрации с помощью программируемой вентильной матрицы, что также приводит к повышенному уровню шумов. Третьим недостатком является отсутствие гальванической развязки перед блоком USB, что приводит к неустойчивой работе контроллера. Четвертым недостатком является отсутствие дополнительных средств синхронного детектирования, что ограничивает использование некоторых важных методов зондовой микроскопии, в частности градиентных электрических методов, где используются два переменных сигнала с разными частотами.
Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Задачей изобретения является создание блока управления для СЗМ с пониженным уровнем шумов и возможностью реализации градиентных электрических методик исследования образцов.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей предложенного устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в блоке управления для сканирующих зондовых микроскопов, включающих вибрационный зондовый датчик, вертикальный привод для взаимного перемещения датчика и образца перпендикулярно плоскости сканирования и измерительный преобразователь сигналов от вибрационного зондового датчика, содержащий первую цепь обратной связи, включающую цифровой процессор сигналов, связывающий выход измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика и вертикальный привод, программируемую вентильную матрицу, запрограммированную для выполнения прямого цифрового синтеза переменного сигнала с первой частотой, блок USB для связи с компьютером, средства обработки сигнала от измерительного преобразователя сигналов от вибрационного зондового датчика с использованием сдвоенного фазового синхронного смесителя и сигнала с первой частотой и НЧ фильтров, сдвоенный фазовый синхронный смеситель выполнен автономным и аналоговым с последующей оцифровкой, НЧ фильтрация является цифровой и выполняется с помощью цифрового процессора сигналов, а перед блоком USB вставлен блок гальванической развязки.
Возможен вариант, в котором блок управления для сканирующих зондовых микроскопов дополнительно содержит вторую цепь обратной связи, включающую измерительный преобразователь сигналов от вибрационного зондового датчика, второй сдвоенный фазовый синхронный смеситель, цифровой процессор сигналов, управляемый источник постоянного смещения, сумматор электрических сигналов, зонд вибрационного зондового датчика, при этом программируемая вентильная матрица дополнительно запрограммирована для выполнения прямого цифрового синтеза переменного сигнала с второй частотой, подаваемого на второй сдвоенный фазовый синхронный смеситель и на сумматор, а цифровой процессор сигналов дополнительно запрограммирован для НЧ фильтрации сигналов от второго сдвоенного фазового синхронного смесителя.
Возможен также вариант выполнения вибрационного зондового датчика в виде гибкой консоли с острийным зондом, оптически связанной с измерительным преобразователем сигналов от вибрационного зондового датчика, включающим лазер и позиционно-чувствительный фотоприемник.
Вибрационный зондовый датчик и измерительный преобразователь сигналов от вибрационного зондового датчика могут быть выполнены также в виде кварцевого резонатора с двумя плечами, при этом на одном из плеч закреплен острийный зонд.
На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства.
На фиг.2 изображен вариант выполнения предлагаемого устройства с вибрационным зондовым датчиком на основе кварцевого резонатора.
На фиг.3 изображен вариант выполнения контроллера, дополнительно содержащего вторую цепь обратной связи.
Один из вариантов устройства (см. фиг.1) содержит программируемую вентильную матрицу 1, сдвоенный фазовый синхронный смеситель 2, цифровой процессор сигналов 3, включающий низкочастотные фильтры 4 и 5, блок гальванической развязки 6 и блок USB 7. Представлен вариант сканирующего зондового микроскопа, содержащего вибрационный зондовый датчик, включающий кантилевер (гибкую консоль) 8 с острийным зондом 9 на свободном конце, вибропривод 10, измеряемый образец 11, вертикальный привод 12 и измерительный преобразователь 13 на основе лазера 14 и позиционно-чувствительного фотоприемника 15 [4].
1
1
1
В этом случае устройство работает следующим образом. Переменный cosω-сигнал с программируемой вентильной матрицы 1 подается на вибропривод 10, раскачивающий кантилевер 8 на частоте, близкой к резонансной. Перед началом сканирования зонд 9 сближается с измеряемым образцом 11 на расстояние, при котором устанавливается заданное значение амплитуды колебаний кантилевера 8, которое определяется с помощью измерительного преобразователя 13, переменный сигнал от которого подается на сдвоенный фазовый синхронный смеситель 2. Sinω- и cosω-сигналы от смесителя 2 подаются на цифровой процессор сигналов 3, в котором они подвергаются низкочастотной фильтрации фильтрами 4 и 5, после чего на их основе вырабатываются сигналы, соответствующие амплитуде А и фазе φ колебаний кантилевера 8.
В процессе сканирования цифровой процессор сигналов 3 по отличию измеренной амплитуды А от заданного значения вырабатывает управляющий сигнал, который подается на вертикальный привод 12, приводящий расстояние между образцом 11 и кантилевером 8 к величине, при которой величина сигнала от измерительного преобразователя 13 становится равной заданному значению.
Измеряемые и формируемые цифровым процессором сигналов 3 сигналы, отображающие работу зондового микроскопа, через блок гальванической развязки 6 и блок USB 7 выводятся на персональный компьютер для отображения и управления работой зондового микроскопа. Подробнее см. в [4].
Существует также вариант (см. фиг.2) использования предлагаемого устройства для управления сканирующим зондовым микроскопом, в котором используются вибрационный зондовый датчик и измерительный преобразователь 16, выполненные в виде кварцевого резонатора с двумя плечами и электрическими выводами, при этом на одном плече резонатора закреплен острийный зонд 9 [5, 6].
2
2
2
2
Кроме этого существует вариант (см. фиг.3), в котором блок управления помимо элементов, указанных выше, дополнительно содержит второй сдвоенный фазовый синхронный смеситель 17, на который с программируемой вентильной матрицы 1 подаются сигналы sinω- и cosω-сигналы. От смесителя 17 sinω- и cosω-сигналы подаются на цифровой процессор сигналов 3, в котором они подвергаются низкочастотной фильтрации фильтрами 18 и 19. Кроме того, блок управления содержит управляемый источник постоянного смещения 20 и сумматор электрических сигналов 21.
ω
1
2
2
В этом случае работа устройства осуществляется следующим образом. В процессе сканирования поверхности образца 11, который был описан выше, на зонд 9 относительно образца 11 от сумматора 21 подается электрическое смещение, содержащее постоянную, вырабатываемую источником 20, и переменную (sin-сигнал от программируемой вентильной матрицы 1) составляющие. При этом в процессе сканирования кантилевер 8 совершает сложные колебания, обусловленные механическим возбуждением с частотой ω от вибропривода 10 и электрическим - с частотой ω. Специфика этих колебаний такова (см. [4]), что амплитуды колебаний, связанных с электрическим возбуждением на частоте ω, пропорциональны разности потенциалов зонда 9 и поверхности образца 11 в точке измерений. Варьируя с помощью управляемого источника постоянного смещения 20 величину постоянной составляющей разности потенциалов зонда 9 и образца 11, можно добиться уменьшения до нулевого значения амплитуды колебаний, связанных с электрическим возбуждением, соответствующее значение электрического потенциала, задаваемого источником 20, и будет величиной потенциала поверхности образца 11 в точке измерений. Подробнее см. в [7, 8].
Выполнение сдвоенного фазового синхронного смесителя аналоговым позволяет повысить точность отслеживания рельефа поверхности в процессе сканирования, подробнее см. в [9]. Это становится особенно важным при использовании силовых зондовых микроскопов для изучения биологических объектов in vivo, поскольку большие флуктуации положения остроконечного зонда в процессе сканирования могут легко повредить, скажем, относительно мягкие мембраны клеток и нарушить их жизнедеятельность. Это же относится и к изучению белков, молекул ДНК и пр. в отличие от, например, изучения полупроводников, где флуктуации положения зонда в процессе сканирования не столь критичны, здесь достаточно выдерживать точность среднего положения зонда в процессе сканирования. Таким образом, использование аналогового сдвоенного фазового синхронного смесителя расширяет функциональные возможности использования зондовых микроскопов в сторону применения их для изучения относительно мягких объектов в биологии, при изучении полимеров, порошковых наноматериалов и пр.
Аналогичное расширение функциональных возможностей за счет уменьшения уровня шумов обеспечивается за счет использования блока гальванической развязки.
Использование вибрационного зондового датчика на основе выполненного с помощью методов микромеханики кантилевера 8 с острийным зондом 9 на конце предпочтительно для использования относительно мягких объектов в силу малой механической жесткости микромеханических кантилеверов.
В отличие от этого вибрационные зондовые датчики на основе кварцевых резонаторов обладают высокими механическими жесткостью и добротностью. Это устраняет проблемы с залипанием зонда на поверхности образцов, а также проблемы с нелинейностью колебаний, облегчая интерпретацию результатов силовых измерений. Высокая жесткость таких зондовых датчиков также расширяет функциональные возможности за счет использования их для проведения нанолитографических операций и наноманипуляций. Важная область применения зондовых микроскопов с такими зондовыми датчиками в криогенных условиях и в условиях ограниченного объема, поскольку они не требуют использования измерительных преобразователей на основе лазеров и фотоприемников.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент US №5412980, 09.05.1995.
2. Патент US №5519212, 21.05.1996.
3. Патент US №7234342, 26.06.2007.
4. В.Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2004, 143 с.
5. Franz J. Giessibl. High-speed force sensor for force microscopy and profilometry utilizing a quartz tuning fork. Appl. Phys. Lett. 73, 3956 (1998).
6. Franz J. Giessibl. Atomic resolution on Si(111)-(7×7) by noncontact atomic force microscopy with a force sensor based on a quartz tuning fork. Appl. Phys. Lett. 76, 1470 (2000).
7. A.Gil, J.Colchero, J.G′omez-Herrero and A.M.Bar′o. Electrostatic force gradient signal: resolution enhancement in electrostatic force microscopy and improved Kelvin probe microscopy. Nanotechnology 14 (2003) 332-340.
8. U.Zerweck, C.Loppacher, T.Otto, S.Grafström and L.M.Eng. Accuracy and resolution limits of Kelvin probe force microscopy. Phys. Rev. В 71, 125424 (2005).
9. The Analog Lock-in Amplifier. TECHNICAL NOTE TN 1002. PerkinElmer Instruments. (http://www.cpm.uncc.edu/programs/tn1002.pdf).