зонд на основе пьезокерамической трубки для сканирующего зондового микроскопа

Формула изобретения

1. Зонд на основе пьезокерамической трубки для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание с чувствительным элементом, на котором установлена игла, отличающийся тем, что в него введен полый корпус, основание выполнено в виде пластины с контактными площадками, чувствительный элемент состоит из пьезокерамической трубки с, по меньшей мере, первым и вторым электродами, сформированными на внешней поверхности пьезокерамической трубки, и, по меньшей мере, одним третьим электродом, сформированным на внутренней поверхности пьезокерамической трубки, при этом чувствительный элемент закреплен консольно на основании с электрическим контактом одного из внешних электродов с одной контактной площадкой, причем две другие контактные площадки электрической разводкой соединены с двумя другими электродами пьезокерамической трубки, а полый корпус закреплен на основании таким образом, что место закрепления пьезокерамической трубки и электрическая разводка расположены внутри его полости, а игла электрически соединена с третьим электродом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что игла установлена внутри пьезокерамической трубки.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что игла внутри пьезокерамической трубки установлена за счет изгиба и упругих свойств ее материала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что игла закреплена на торце пьезокерамической трубки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что игла закреплена на наружной поверхности пьезокерамической трубки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим получение информации о топологии и других свойствах поверхности объекта.

Известен зонд для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), содержащий кварцевый резонатор с иглой, закрепленной на одном из его плеч, причем другое плечо установлено на платформе [1].

Недостаток этого устройства заключается в низкой надежности устройства, связанной с использованием кварцевого резонатора и нестабильностью его характеристик, возникающей из-за приклейки его одним плечом к платформе [1].

Известен зонд для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание с чувствительным элементом в виде кварцевого резонатора, на плечах которого закреплены магнитные иглы [2].

Недостаток этого устройства заключается в том, что кварц является достаточно хрупким и недостаточно надежным материалом, это также затрудняет возможность замены иглы без замены всего дорогостоящего зонда.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности применения зонда, а также расширении его функциональных возможностей.

Это достигается тем, что в зонд на основе пьезокерамической трубки для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание с чувствительным элементом, на котором установлена игла, введен полый корпус, основание выполнено в виде пластины с контактными площадками, чувствительный элемент состоит из пьезокерамической трубки с, по меньшей мере, первым и вторым электродами, сформированными на внешней поверхности пьезокерамической трубки, и, по меньшей мере, одним третьим электродом, сформированным на внутренней поверхности пьезокерамической трубки, при этом чувствительный элемент закреплен консольно на основании с электрическим контактом одного из внешних электродов с одной контактной площадкой, причем две другие контактные площадки электрической разводкой соединены с двумя другими электродами пьезокерамической трубки, а полый корпус закреплен на основании таким образом, что место закрепления пьезокерамической трубки и электрическая разводка расположены внутри его полости, а игла электрически соединена с третьим электродом.

Возможны варианты, в которых игла установлена внутри пьезокерамической трубки за счет изгиба и упругих свойств ее материала, закреплена на торце пьезокерамической трубки или на наружной ее поверхности.

На фиг.1 изображен зонд на основе пьезокерамической трубки для сканирующего зондового микроскопа.

На фиг.2 изображен вариант установки зонда в СЗМ.

Устройство содержит пьезокерамическую трубку 1, например, с первым 2 и вторым 3 электродами, нанесенными на наружную поверхность и третьим электродом 4, нанесенным на внутреннюю поверхность трубки 1. Трубка 1 прикреплена консольно (при помощи клея или припоя) к основанию 5, выполненному из изолирующего материала, с контактными площадками 6 (подробно не показаны), к которым припаяны проводники 7, соединяющие их с электродами 2, 3 и 4. Возможен вариант, где трубка 1 припаяна наружным электродом 3 непосредственно к одной из трех контактных площадок 6. Места паек и проводники 7 накрыты корпусом 8. Внутренняя полость 9 корпуса 8 может быть заполнена эпоксидным клеем. К свободному концу трубки 1 прикреплена игла 10, например, из вольфрама, с заточенным электрохимическим способом кончиком [формирование игл см. подробно в 3, 4, 5]. Основным вариантом закрепления иглы 10 на трубке 1 является вариант взаимодействия ее упругой изогнутой части 11 с внутренней поверхностью трубки 1. Зонд 12 (фиг.2) может быть закреплен в захвате 13 СЗМ при помощи винта 14 (регулируемого прижима) и соединен через контактные площадки 6 посредством пружинных контактов 15 с блоком управления и питания 16. Захват 13 установлен на платформе 17, содержащей блок сближения 18 и пьезосканер 19 с объектом 20.

Устройство работает следующим образом. Зонд 12 устанавливают в захват 13 СЗМ, как показано на (фиг.2), иглой 10 в сторону измеряемого объекта 20. Поджимая корпус 8 винтом 14 к захвату 13, имеющему массу много больше массы зонда, обеспечивают требуемую добротность и форму резонансного пика пьезокерамической трубки 1. После этого подают переменное напряжение, например, на электроды 2 и 4, возбуждая при этом механические колебания пьезокерамической трубки 1. Далее осуществляют сближение зонда 12 с поверхностью объекта 20, ее сканирование посредством пьезосканера 19 и получение топографического рисунка за счет изменения амплитуды колебаний трубки 1 в зависимости от того выступ или впадина находится под иглой 10. Изменение амплитуды колебания трубки 1 фиксируют, измеряя блоком 16 изменение напряжений на электродах 3 и 4. Подробнее процесс измерения в сканирующей зондовой микроскопии см. в [8, 9].

Существуют варианты, в которых игла 10 может быть установлена внутри трубки 1 и прикреплена к третьему электроду 4 посредством пайки. Возможны также варианты, в которых игла 10 может быть закреплена (например, клеем) как на торцевой, так и на наружной поверхности трубки 1 (не показано).

Выполнение чувствительного элемента в виде пьезокерамической трубки с электродами, закрепленной консольно на основании, и использование полого корпуса с размещением в его полости электрической разводки повышает надежность устройства и стабильность резонансной частоты за счет фиксации проводящих проводов внутри корпуса, а также уменьшения электрических наводок.

Кроме этого, благодаря использованию полого корпуса появляется возможность осуществлять его регулируемый прижим к массивному элементу конструкции СЗМ и регулировать добротность зонда.

Использование этого корпуса позволяет также надежно закреплять зонд в сканирующем зондовом микроскопе.

Все перечисленное выше расширяет функциональные возможности устройства за счет измерения более широкого круга объектов.

Закрепление иглы внутри пьезокерамической трубки за счет ее изгиба и упругих свойств материала позволяет осуществлять замену затупившейся иглы с надежным ее закреплением. Кроме этого, такое закрепление иглы позволяет регулировать величину выхода иглы из трубки (консоли), соответственно ее жесткость с целью исследования более широкого круга объектов.

Закрепление иглы на торце пьезокерамической трубки, а также на наружной ее поверхности может быть целесообразно, например, при использовании зонда для измерений при низких температурах, где требуется повышенная надежность закрепления, которую можно обеспечить наружным размещением иглы при более упрощенном доступе к месту ее соединения с пьезотрубкой.

Литература

1. Franz J. Giessibl, High - speed force sensor for force microscopy and profilometry utilizing a quartz fork., Applied Physics Letters, Volume 73, № 26, 28 December 1998 г.

2. Патент RU 2208763, G01B 7/34, 2003 г.

3. Патент Японии № 04203903 А, G01B 7/34, 1990 г.

4. Патент Японии № 02066402, G01B 7/34, 1988 г.

5. Патент Японии № 04344403, G01B 7/34, 1991 г.

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., Applied Physics Letters, Volume 76, № 11, 13 March 2000 г.

7. W.H.J.Rensen and N.F. van Hulst, A.G.T.Ruiter and P.E.West, Atomic steps with huning - fork - base noncontact atomic force microscopy., Applied Physics Letters, Volume 75, № 11, 13 September 1999 г.

8. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т.12, № 1, 1998 г., с.99-121.

9. Сканирующая туннельная и атомносиловая микроскопия в электрохимии поверхности. Данилов А.И., Успехи химии, 64 (8), 1995 г, с.818-833.