УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Область, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к исследованиям материалов с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) и может использоваться для исследования деформации различных материалов при низких температурах.
Уровень техники
Известно техническое решение (1. Takashi Nishino, Akiko Nozawa, Masaru Kotera, and Katsuhiko Nakamae. In situ observation of surface deformation of polymer films by atomic force microscopy // Rev. Scientific instruments 71(5), (2000) стр. 2094-2096), в котором приведено растягивающее устройство для проведения исследований материалов методом атомно-силовой микроскопии в деформированных состояниях. Устройство выполнено в виде отдельного растяжного блока, с одним подвижным захватом, движение которого обеспечивает растяжение исследуемого образца, на который сверху вручную подводится сканер микроскопа и проводится сканирование. Недостатком данного устройства является то, что деформация образца производится с помощью движения только одного захвата, что приводит к смещению центра сканирования, которое корректируется с помощью сложной системы винтов, грубый ручной подвод зонда к исследуемому материалу, а также невозможность проведения исследований деформации материалов при низких температурах.
Известно техническое решение (2. Bharat Bhushan, Prasad S. Mokashi, Tiejun Ma. A technique to measure Poisson's ratio of ultrathin polymeric films using atomic force microscopy // Rev. Scientific instruments 74(2), 1043-1047 (2003)), в котором приведено устройство с растяжным механизмом для исследования материалов в деформированных состояниях. Устройство представляет собой отдельный блок для растяжения материалов, в котором движение захватов в противоположные стороны осуществляются с помощью винта с левой и правой резьбой от мотора, обеспечивающее одновременное расхождение захватов. Недостатком данного устройства является ручной подвод сканирующей головки АСМ, приводящий к поломке сканирующих зондов (кантилеверов), а также невозможность проведения исследований деформации материалов при низких температурах.
Известно техническое решение (3. Багров Д., Яминский И. Атомно-силовая микроскопия деформаций полимерных пленок // Наноиндустрия, №5, 2008, с. 32-36), в котором приведено растяжное устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом АСМ. Устройство представляет собой конструкцию с пластиковым корпусом, которая благодаря небольшому весу и габариту, способна устанавливаться на позиционер АСМ из пьезотрубки. Движение захватов в противоположные стороны осуществляются с помощью закручивания винта с левой и правой резьбой вручную, обеспечивающее одновременное расхождение захватов. Для уменьшения вибраций, возникающих при сканировании, под исследуемым образцом (пленка), установлен столик, который поддерживает исследуемую область образца. Недостатком данного устройства является пластмассовый корпус, который из-за низкой теплопроводности и высокого коэффициента термического расширения, а также недостаточностью необходимого пространства под исследуемым материалом, не позволяет проводить исследование деформации материалов при низких температурах.
Наиболее близким является техническое решение (4. Шадринов Н.В., патент РФ №2521267 Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силовой микроскопии, 29.04.14, бюл. №18), в котором приведено устройство с растяжным механизмом для исследования деформации материалов методом АСМ. Устройство представляет собой конструкцию, которая благодаря небольшому весу и габариту, способна устанавливаться на пьезотрубке АСМ, выполняющей роль позиционера. Растяжение образцов осуществляется с помощью закручивания винта с левой и правой резьбой вручную, обеспечивающее одновременное расхождение захватов. Недостатком данного технического решения является невозможность проведения исследований деформации материалов при пониженных температурах образца, вследствие недостаточности свободного пространства для установки охлаждающего элемента.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка растяжного устройства для АСМ, которое позволит проводить исследование деформации материала при пониженных температурах.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, достигается путем установления элемента Пелтье в алюминиевый корпус растяжного устройства, который благодаря высокой теплопроводности обеспечит разность температур, необходимый для элемента Пелтье для достижения низких температур.
Существенные признаки, характеризующие полезную модель:
Ограничительные: Растяжное устройство представляет собой конструкцию с механизмом, который устанавливается в позиционер АСМ и при закручивании винта вручную, обеспечивает одновременное расхождение захватов в противоположные стороны.
Отличительные: Растяжное устройство содержит элемент Пелтье, которое плотно прикреплено к алюминиевому корпусу конструкции и обеспечивает охлаждение исследуемого материала. На поверхности элемента Пелтье плотно прикреплен медный столик, на поверхность которого должен плотно прилегать исследуемый образец.
Для достижения низких температур, необходимо обеспечить температурную разность между сторонами элемента Пелтье, т.е. выделяемая с одной стороны теплота должна отводиться. Температурная разность между сторонами элемента Пелтье, достигается благодаря высокой теплопроводности алюминиевого корпуса, который отводит выделяемую теплоту.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведено схематическое изображение предлагаемого устройства для исследования деформации различных материалов при низких температурах методом АСМ.
Осуществление изобретения
Устройство для исследования деформации материалов методом АСМ содержит общее металлическое основание 1 (фиг. 1), закрепленное на каретке держателя образца 2, на котором с двух сторон закреплены ходовые винты (далее винты) 3 и 4. При закручивании ручки 5, закрепленной к винту 3, по шестеренкам передается усилие и оба винта начинают противоположно вращаться, что приводит к разнонаправленному движению траверс 6 и 7, на которых с помощью зажимов 8 и 9 закреплен исследуемый образец 10. В одном из двух отверстий каждой траверсы отсутствует резьба и половина винта работает в качестве направляющего. К алюминиевому корпусу устройства плотно прикреплен элемент Пелтье 11 (прямоугольная пластина), на охлаждаемой поверхности которого прикреплен медный столик 12 таким образом, что бы исследуемый образец 10 прилегал к его поверхности.
Для обеспечения быстрого отвода выделяемого с одной стороны элемента Пелтье тепла, корпус устройства должен быть выполнен из алюминия, с общим весом не более 300 г. (Проведение измерений АСМ и СТМ измерения, спектроскопия, многопроходные методы, литография // Руководство пользователя. Зондовая нанолаборатория Интегро. НТ-МДТ, 2007 г., стр. 3-40). Длина, ширина и высота (от основания до поверхности сканируемого образца) устройства не должны превышать 100 мм, 50 мм и 20 мм, соответственно.
Исследование деформации материалов методом АСМ с помощью данного устройства осуществляется следующим образом. Образец исследуемого материала 10 с помощью зажимов 8 и 9 закрепляется на траверсах, и устройство устанавливается в позиционер атомно-силового микроскопа с помощью специальных крепежей АСМ. Затем, на элемент Пелтье 11 подается напряжение, что приводит к охлаждению его верхней стороны, где установлен медный столик 12, который охлаждает исследуемый образец 10. После проведения предварительных стандартных процедур (запуск программы управления, включение прибора, установка зондового датчика, настройка системы регистрации отклонений кантилевера, установка образца, установка измерительной головки, ручной подвод образца к зонду на расстояние 0.5-1 мм) производится автоматический (с помощью программного управления АСМ) подвод образца 10 на рабочее расстояние (1-2 нм) и проводится сканирование его поверхности. Затем, образец обратно отводится (с помощью программного управления) от зонда на безопасное для зонда расстояние (0,5-1 мм) и с помощью закручивания ручки винта 5 производится растягивание образца на определенную длину, из которого определяется относительное удлинение и степень деформации образца. Величина удлинения измеряется с помощью штангенциркуля. Затем процедура повторяется (подвод и сканирование образца). Такой цикл можно повторять несколько раз. Для того, что зонд все время оставался над одной и той же областью образца, процессы деформации и сканирования контролируются при помощи встроенной оптики АСМ. Обычно, в качестве маркера на поверхности выбирается определенный дефект, и сканирование проводится вблизи него. В результате получаются серии сканов определенного участка поверхности образца при различных значениях одноосного растяжения.