ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к зондам для сканирующих зондовых микроскопов, и может быть использована для изучения механических свойств материала в микро - и наномасштабе.
Известен зонд с алмазным наконечником для сканирующего зондового микроскопа [1]. Алмазный наконечник выполнен в виде конусообразной иглы из эпитаксиальной пленки алмаза, выращенной вместе с фрагментом подложки на кремниевой консоли зонда сканирующего зондового микроскопа. Недостатком такого зонда является то, что кремниевая консоль недостаточно жесткая, чтобы обеспечить значительное силовое воздействие на поверхность исследуемого образца, необходимое для твердых и сверхтвердых материалов.
Известен зонд с наконечником в виде трехгранной пирамиды из алмаза, закрепленной на сапфировой консоли [2]. Консоль выполнена с полукруглым сечением. Высокая твердость природного алмаза позволяет использовать его при испытаниях механических свойств широкого класса материалов, в том числе сверхтвердых. Недостатком этой конструкции является то, что жесткость данной консоли, необходимая для расчета силового воздействия зонда на поверхность исследуемого образца, вычисляется по резонансной частоте. В ряде случаев эту величину невозможно получить, если прибор работает только в статическом режиме, так как не все модели сканирующих зондовых микроскопов реализуют динамический режим. Кроме того, стоимость данного зонда достаточно велика из-за стоимости самого алмаза, который должен быть достаточно крупным бездефектным кристаллом, и дорогостоящей операции его огранки.
Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа, является зонд, описанный в [3]. Зонд для сканирующего зондового микроскопа содержит наконечник, который выполнен в виде кристалла (частицы) алмаза в форме правильной трехгранной пирамиды (заостренной формы), закрепленной (расположенной) острием вверх на консоли, выполненной в виде балки прямоугольного сечения из стали и предназначенной для царапания, износа и индентирования. Твердость частицы алмаза в форме пирамиды, превышающая твердость всех прочих материалов, позволяет испытывать механические свойства практически всех природных и синтетических материалов. Радиус закругления, например, 100 нм, позволяет использовать это значение в расчетах модуля упругости испытуемых материалов в статическом режиме. Существенным недостатком такой конструкции является непостоянная длина консоли до точки закрепления ее пользователем в устройстве для крепления зонда и высокая стоимость зонда из-за стоимости наконечника в виде частицы алмаза в форме трехгранной пирамиды.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение постоянства значения жесткости консоли зонда для более простого расчета нагрузки, оказываемой зондом на исследуемый материал и существенное снижение стоимости зонда.
Задача решается следующим образом. Известный зонд для сканирующего зондового микроскопа содержит консоль в виде балки прямоугольного сечения из стали и наконечник, выполненный в виде частицы алмаза заостренной формы, расположенной на балке острием вверх. Согласно предлагаемому техническому решению консоль в виде балки выполнена с держателем, при этом ширина держателя составляет 3-5 ширины балки, а частица алмаза выполнена из осколка дробленого алмаза, причем размер частицы составляет 200-500 мкм, а соотношение высоты частицы к ее ширине составляет 1,5-2.
Таким образом, в предлагаемом устройстве наконечник, выполненный в виде частицы алмаза, выполненная из осколка дробленого алмаза заостренной формы, который широко используют для изготовления режущего и шлифовального инструмента, значительно снижает стоимость зонда. Твердость частицы алмаза, выполненной из осколка дробленого алмаза соизмерима с твердостью правильно ограненной трехгранной пирамиды из природного кристалла алмаза, и достаточная, чтобы долговременно испытывать механические свойства большинства твердых материалов и покрытий. В то же время, частица алмаза из осколка дробленого алмаза во много раз дешевле специально ограненной алмазной пирамиды. Консоль в виде балки, выполненная с держателем, обеспечивает постоянное значение жесткости консоли и простоту последующих расчетов упругих свойств исследуемого материала при использовании зонда.
Для простоты определения жесткости консоли ее геометрические размеры выполняются постоянными. При этом ширина держателя составляет 3-5 ширины балки.
На чертеже показана схема общего вида зонда в увеличенном масштабе.
1
Зонд содержит консоль в виде балки, например из нержавеющей стали, 2 длиной l, шириной w и толщиной t с зеркальной поверхностью 4, выполненной с держателем 3 шириной w, и наконечник в виде частицы 1 алмаза, выполненной из осколка дробленого алмаза, например разновидности борт, закрепленной на стороне балки 2, противоположной зеркальной, наиболее острой вершиной (острием) вверх с помощью клеящего материала 5.
1
def
Зонд работает следующим образом. Зонд устанавливают в устройство крепления зонда сканирующего зондового микроскопа за счет фиксации прижимной пластиной держателя 3 шириной w. Консоль зонда в виде балки 2, например из нержавеющей стали, выступает на длину l из устройства крепления зонда. Наконечник зонда в виде частицы 1 алмаза, выполненной из осколка дробленого алмаза, например разновидности борт, закрепленной наиболее острой вершиной (острием) вверх с помощью клеящего материала 5, внедряется в поверхность исследуемого образца. При этом консоль в виде балки 2 изгибается. Величина изгиба регистрируется за счет смещения на фотоприемнике пятна лазера, отраженного от зеркальной поверхности 4. Величина этого изгиба Z определяет силу P, с которой зонд действует на поверхность образца из выражения:
def
P=kZ,
def
где Z - величина изгиба консоли при воздействии на поверхность, м;
k - жесткость консоли зонда, Н/м.
Заранее, с использованием оптического микроскопа или других средств измерения, определяют длину l, ширину w и толщину t консоли. Жесткость консоли определяют по формуле:
3
3
k=E·w·t/(4l),
где k - жесткость консоли;
E - модуль Юнга материала консоли зонда;
w - ширина консоли;
t - толщина консоли;
l - длина консоли.
Величину жесткости консоли используют в дальнейшем без изменений при определении величины силового воздействия P зонда на поверхность.
Заранее получают отпечаток острия частицы 1 алмаза, выполненной из осколка дробленого алмаза в мягкий материал, сканируют отпечаток сканирующим зондовым микроскопом. По профилю отпечатка определяют радиус закругления наконечника зонда из частицы 1 алмаза, выполненной из осколка дробленого алмаза.
По формуле Герца рассчитывают модуль упругости исследуемого материала.
Таким образом, выполнение частицы алмаза из осколка дробленого алмаза способствует значительному удешевлению зонда, а консоль в виде балки, выполненной с держателем, обеспечивает ее жесткость постоянной и существенно упрощает определение величины силового воздействия зонда на поверхность.
Источники информации:
1. JP 200829375, МПК G01Q 60/40, G01Q 70/00, G01Q 70/14, 2007.
2. Sansoz, F A force-matching method for quantitative hardness measurements by atomic force microscopy with diamond-tipped sapphire cantilevers / F. Sansoz, T. Gang // Ultramicroscopy. - V. 111, Is. 1, December 2010, P. 11-19.
3. Springer Handbook of Nanotechnology / Ed. by B. Bushan., 2 nd Edition - Berlin: Springer, 2007. - 1916 p (прототип).