КАНТИЛЕВЕР ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА
CANTILEVER FOR SCANNING PROBE MICROSCOPE

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а именно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, изменение и модификацию поверхности объектов в туннельном и атомно-силовом режимах.
Известны кантилеверы, представляющие собой основание, к которому крепятся одна или несколько однослойных упругих балок, на дальнем конце которых расположена игла. Кантилеверы выполняют многобалочным, что позволяет получать дискретные конечные изменения характеристик каждой однослойной упругой балки, в частности, жесткости и, следовательно, собственной частоты колебаний путем изменения ее формы - придание балкам разных длин и/или ширин, и/или толщин с одним или несколькими утонениями разной формы, расположенными по длине балки с целью повышения функциональных возможностей, например, за счет увеличения динамического диапазона измерений, повышения качества и увеличения скорости получения изображения исследуемой с помощью сканирующего микроскопа поверхности образца [патенты РФ №2124251, 2124780].
Недостатком кантилеверов даже при условии многозондовости является то, что они могут иметь только несколько (по числу балок) вполне определенных, неизменных значений, дискретно перекрывающих некоторый диапазон значений параметров, причем эти значения параметров не могут изменяться в процессе работы микроскопа, что ведет к неудобству в работе, особенно когда исследуемые поверхности имеют сложный пространственный рельеф и/или имеют в пределах рабочего поля микроскопа сильно различающиеся свойства поверхностей, например, при исследовании биологических объектов и композитов, и требует значительных затрат времени, связанных со сменой, подбором и переустановкой кантилеверов с подходящими характеристиками, что фактически является непроизводительным простоем дорогостоящего оборудования и приводит к снижению производительности (скорости) измерений.
Наиболее близким по технической сущности и выбранным за прототип является зонд для атомного силового микроскопа [патент РФ №2356110].
Зонд содержит силоизмерительный элемент - балочку, соединенную с наконечником зонда с определенным радиусом наконечника. Силоизмерительный элемент имеет низкий коэффициент добротности для, по меньшей мере, одной моды колебаний силоизмерительного элемента. При этом зонд выполнен таким образом, что при воздействии на зонд приложенной извне силы усилие смещения поджимает наконечник зонда или образец, или и тот, и другой друг к другу с величиной, превосходящей восстанавливающую силу, возникающую вследствие смещения наконечника зонда при зондировании им образца. Коэффициент добротности можно снизить с нанесением на пластину покрытия из материала, рассеивающего механическую энергию.
Недостатком зонда является то, что его параметры, в частности демпфирующие характеристики, носят конечный дискретный характер и они неизменны при работе микроскопа, что ведет к непроизводительным простоям дорогостоящего оборудования в процессе работы с объектами, имеющими «сложные» поверхности.
Задачей изобретения является повышение производительности работы сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) за счет уменьшения непроизводительных затрат времени при проведении исследований
Предложен кантилевер для сканирующего зондового микроскопа, состоящий из основания, к которому прикреплена двухслойная балочка с расположенной на дальнем от основания конце иглой. Балочка выполнена из композитного материала, причем один из слоев выполнен из активного термочувствительного или магниточувствительного материала с эффектом памяти формы (ЭПФ), который чувствителен к внешнему воздействию, а другой слой является упругим. Под активностью материала с ЭПФ, в данном случае, понимается способность этого материала, изменяя свои характеристики под воздействием внешних факторов, изменять или управлять свойствами композита в целом. Активный слой может быть выполнен в виде разных конфигураций, например, одной или нескольких П-образных петель.
Степень регулирования характеристик, т.е. диапазон управления их величинами, композитной балочки зависит как от вида активного и упругого слоев, соотношения их свойств, так и от степени интенсивности внешних воздействий.
2
2
В случае использования термочувствительного материала с ЭПФ могут использоваться сплавы на основе никелида титана (TiNi) или материалы сплавы на основе меди (CuAlNi, CuAlZn, CuAlMn). В качестве магниточувствительного материала с ЭПФ могут быть использованы интерметаллиды Ni FeGa или Ni FeGa.
Активный материал с ЭПФ чувствителен к внешнему воздействию и обладает способностью непрерывно изменять свои свойства в широком диапазоне значений (внутреннее трение, модули упругости, электрическое сопротивление), а также способен генерировать значительные механические напряжения. Выполнение второго слоя из материала с ЭПФ, за счет плавного, управляемого изменения его свойств и характеристик при управляемых внешних воздействиях приводит к плавному синхронному изменению характеристик композитной балочки в процессе работы, таких, как собственная частота балочки, коэффициент демпфирования и усилия прижима иглы к образцу. Плавное изменение характеристик кантилевера придает ему способность адаптироваться к свойствам поверхности образца и проводить исследования без потери времени на смену и установку нового кантилевера с соответствующими характеристиками для данной поверхности образца.
Комбинация двух слоев позволяет получить необходимую жесткость балочки и стабильность, устойчивость ее формы.
Следовательно, отличительные признаки являются необходимыми и достаточными для выполнения поставленной задачи.
Кантилевер состоит из основания 1, выполненного, например, из монокристаллического кремния, к которому прикреплена балочка 2, выполненная из композита (Фиг.1). На дальнем конце балочки установлена игла 3. Балочка имеет два слоя, один слой 2а выполнен вместе с основанием из такого же материала и он является упругим. Второй слой - 2б выполнен из термочувствительного материала с ЭПФ-сплава на основе меди CuAlNi. Слой выполнен в виде одной П-образной петли.
Кантилевер установлен на сканирующий зондовый микроскоп, который работает в режимах, реализующих динамические и статические контактные методы. При работе микроскопа, реализующего любой из динамических контактных методов, с помощью специальных устройств, например, сканера или пьезовибратора, кантилевер приводится в колебательное состояние на собственной частоте колебаний балочки и при движении иглы кантилевера по рельефу исследуемой поверхности происходит изменение параметров колебаний балочки, которые измеряются сканирующим зондовым микроскопом. Если при сканировании исследуемой поверхности возникает необходимость изменения собственной частоты балочки, тогда осуществляют нагрев активного слоя до изменения его характеристик - модуля упругости слоя, а значит, и упругих характеристик всей композитной балочки, и вместе с этим изменится собственная частота балочки. Таким образом, плавное регулирование температуры, т.е. управление температурой активного слоя в диапазоне температур протекания фазовых превращений, приведет к плавному изменению характеристик балочки, в частности ее собственной частоты, что позволяет адаптировать используемый кантилевер к свойствам исследуемого образца в процессе работы микроскопа без замены кантилевера.
2
Аналогично, в случае, когда активный слой выполнен из магниточувствительного материала с ЭПФ - интерметаллида Ni FeG, управление характеристиками балочки осуществляется соответствующим воздействием магнитного поля на свойства материала активного слоя.
В случае если СЗМ работает в атомно-силовом режиме или используется для нанолитографии - гравировки с целью изменения и/или модификации поверхности, игла кантилевера прижимается к исследуемой поверхности, а балочка изгибается, вследствие чего деформируется активный слой. Слой выполнен из термочувствительного материала с ЭПФ - сплава на основе меди CuAlZn и имеет конфигурацию - несколько П-образных петель. В этом случае для увеличения прижима иглы к поверхности образца достаточно воздействовать на активный слой нагреванием, как описано выше, вследствие чего в подвергшемся деформации активном слое будут генерироваться механические напряжения, стремящиеся вернуть активный слой в исходное недеформированное состояние, т.е. «вспомнить исходную недеформированную форму». Это приведет к возникновению дополнительной силы, прижимающей иглу к поверхности образца, зависящей от степени нагревания. Это позволит выполнять исследования поверхности образца без замены кантилевера в процессе работы СЗМ.
Проведенные примеры показывают, что предлагаемый кантилевер позволяет повысить производительность СЗМ за счет уменьшения непроизводительных затрат времени при проведении исследований.