Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа

Авторы патента:

G01Q30/20 - Измерение (счет G06M); испытание

Владельцы патента RU 2521267:

Шадринов Николай Викторович (RU)

Изобретение относится к исследованиям материалов с помощью атомно-силового микроскопа и может быть использовано при исследовании различных материалов в деформированных состояниях. Устройство представляет собой встроенный в микроскоп механизм, двигающий зажимы с закрепленным образцом в противоположные стороны и содержащий общее металлическое основание, закрепленное на каретке держателя образца микроскопа, на котором с двух сторон закреплены две параллельные направляющие, по которым, при вращении ручки винта, двигаются подвижные зажимы. Подвод и отвод сканирующего зонда происходит автоматически с помощью позиционера микроскопа. Технический результат - упрощение исследования материалов, обеспечение сохранности зондов. 2 ил.

Изобретение относится к исследованиям материалов с помощью атомно-силового микроскопа и может использоваться при исследовании различных материалов в деформированных состояниях.

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, а также грубый ручной подвод зонда к исследуемому материалу.

Известно техническое решение (2. Атомно-силовая микроскопия деформаций полимерных пленок: Дипломная работа студента МГУ физического факультета каф. Физики полимеров и кристаллов Багрова Д.В., Москва, 2007, стр.17), в котором приведено устройство с растяжным механизмом для исследования материалов в деформированных состояниях. Устройство предполагает отдельный столик с растягивающим механизмом, снабженный двумя винтами для независимого перемещения в противоположные стороны, на который ставится сканирующая головка от атомно-силового микроскопа и производится сканирование образца. Недостатками данного устройства являются ручной подвод сканирующей головки к поверхности исследуемого материала, а также растяжение образца с помощью двух винтов, приводящее к потере центральной точки сканирования.

Наиболее близким является техническое решение (3. 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 боковое расположение винта относительно образца, что не позволяет растягивать более твердые (жесткие) материалы без скоса захватов, приводящего к неправильной деформации исследуемого материала.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства с растяжным механизмом для исследования материалов, которое можно встроить в атомно-силовой микроскоп на все время исследования образца.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в упрощении способа исследования полимерных материалов в деформированных состояниях методом атомно-силовой микроскопии и в сохранности сканирующих зондов.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Ограничительные: устройство для растяжения делается в виде отдельного блока с механизмом, двигающим зажимы с закрепленным образцом в противоположные стороны, на который сверху подводят зонд атомно-силового микроскопа и проводят сканирование.

Отличительные: устройство с растяжным механизмом делается в виде встроенного в атомно-силовой микроскоп механизма и тем самым подвод и отвод сканирующего зонда (кантилевера) происходит автоматически с помощью позиционера самого микроскопа.

Растяжение образца с помощью устройства в виде отдельного блока, на котором крепится исследуемый образец, всегда предполагает ручной режим подвода зонда к поверхности сканируемого образца. Разработка устройства, которое можно встроить в атомно-силовой микроскоп, посредством закрепления растяжного механизма в основание каретки держателя образца, позволяет использовать механизм подвода (позиционер) самого оборудования. Использование данного устройства с растяжным механизмом позволит ускорить процесс подвода зонда к образцу и сохранить кантилеверы в рабочем состоянии.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведено схематическое изображение предлагаемого устройства для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа.

На фиг.2 приведено изображение предлагаемого устройства для исследования материалов в деформированных состояниях, встроенного в атомно-силовой микроскоп.

Осуществление изобретения

Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа содержит общее металлическое основание 1 (фиг.1), закрепленное на каретке держателя образца атомно-силового микроскопа 2, на котором с двух сторон закреплены две параллельные направляющие 3, по которым, при вращении вручную ручки винта 4, с разделенной относительно поперечной оси левой 5 и правой резьбой 6, обеспечивающими одновременное расхождения и приближение, двигаются подвижные зажимы 7 с закрепленным исследуемым образцом 8. Для измерения относительного удлинения при растяжении с боковой стороны основания закреплена шкала 9 с делением 0,5 мм. Устройство должно быть выполнено из легких и прочных материалов, таких, например, как дюраль, 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 материалов в деформированных состояниях с помощью данного устройства осуществляется следующим образом. Образец исследуемого материала 9 закрепляется в зажимах 7, и устройство устанавливается в позиционер атомно-силового микроскопа с помощью специальных крепежей атомно-силового микроскопа (фиг.2). После проведения предварительных стандартных процедур (запуск программы управления, включение прибора, установка зондового датчика, настройка системы регистрации отклонении кантилевера, установка образца, установка измерительной головки, подвод образца к зонду на расстояние 0.5-1 мм) автоматически (с компьютера, без ручного вращения специальных ручек исследователем) проводится подвод образца 8 на рабочее расстояние и проводится сканирование. Затем образец автоматически отводится от зонда на безопасное для зонда расстояние (0,5-1 мм) и с помощью закручивания винта 4 производится растягивание образца на определенную длину, из которого определяется относительное удлинение и степень деформации образца. Удлинение фиксируется с помощью шкалы 9. Затем повторно делается подвод и сканирование образца. Такой цикл можно повторять несколько раз, в результате получается серия кадров одного участка материала в различных степенях деформации.

Устройство для исследования материалов в деформированных состояниях методом атомно-силового микроскопа, представляющее собой механизм, двигающий зажимы с закрепленным образцом в противоположные стороны, на который сверху подводят зонд атомно-силового микроскопа, и содержащий общее металлическое основание, закрепленное на каретке держателя образца атомно-силового микроскопа, на котором с двух сторон закреплены две параллельные направляющие, по которым, при вращении ручки винта, с разделенной относительно поперечной оси левой и правой резьбой, обеспечивающими одновременное расхождения и приближение, двигаются подвижные зажимы, отличающееся тем, что устройство с растяжным механизмом делается в виде встроенного в атомно-силовой микроскоп механизма и тем самым подвод и отвод сканирующего зонда (кантилевера) происходит автоматически с помощью позиционера самого микроскопа.

Изобретение относится к области калибровки оптических цифровых и конфокальных микроскопов, растровых электронных микроскопов и сканирующих зондовых микроскопов при измерении микронных и нанометровых длин отрезков.

Система обнаружения для динамического зонда // 2518859

Система (29) обнаружения динамического зонда предназначена для использования со сканирующим зондовым микроскопом такого типа, который включает в себя зонд (18), который перемещается периодически к поверхности образца и от поверхности образца.

Способ определения простат-специфического антигена в жидкой среде // 2517114

Изобретение относится к области медицины, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использовано для определения простат-специфического антигена (ПСА) в жидкой среде.

Сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов // 2515731

Устройство предназначено для проведения зондовых измерений на объектах, имеющих сложную форму, например на трубах в нефтяной и атомной отраслях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что в сканирующий зондовый микроскоп для исследования крупногабаритных объектов, включающий измерительную головку с пьезосканером и зондом, сопряженными с блоком анализа и управления, модуль сближения, три опорные стойки, установленные на измерительной головке, и привод измерительной головки, включенный в модуль сближения, дополнительно введена платформа, на которой установлен двухкоординатный стол, сопряженный с корпусом, установленным на нем с возможностью вращения, на котором установлен модуль сближения, в котором закреплена измерительная головка с пьезосканером и зондом.

Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с космическим аппаратом // 2514083

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения состояния поверхности космического аппарата, а также других поверхностей в нанометровом диапазоне.

Система обнаружения зонда // 2512674

Система обнаружения зонда (74) для использования со сканирующим зондовым микроскопом содержит систему обнаружения высоты (88) и систему обнаружения отклонения (28). Когда сканируется поверхность образца, свет, отраженный от зонда (16) микроскопа, разделяется на две составляющие.

Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующего зондового микроскопа // 2511025

Тестовая структура состоит из основания, содержащего приповерхностный слой. Приповерхностный слой имеет рельефную ячеистую структуру с плотной упаковкой.

Кантилевер с одноэлектронным транзистором для целей зондовой микроскопии // 2505823

Зонд для сканирующего зондового микроскопа включает размещенный на острие кантилевера зарядовый сенсор в виде одноэлектронного транзистора, выполненного в слое кремния, допированном примесью до состояния вырождения, структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) на подложке.

Многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп // 2498321

Многофункциональный сканирующий зондовый микроскоп содержит: основание (1); блок сближения (3), мобильно установленный на основании (1); пьезосканер (4), расположенный на блоке предварительного сближения (3); держатель объекта (5), расположенный на пьезосканере (4); образец (6), содержащий зону измерений (М) и закрепленный с помощью держателя объекта (5) на пьезосканере (4); платформу (9), закрепленную на основании (1) напротив образца (6); анализатор, установленный на платформе (9) и содержащий первую измерительную головку (13), обращенную к образцу (6) и адаптированную для зондирования зоны измерений (М) образца (6).

Способ подвода зонда к образцу для сканирующего зондового микроскопа // 2497134

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии. Способ подвода зонда к образцу для сканирующего зондового микроскопа, предполагающий выполнение этапов, в процессе которых происходит чередование режима работы двигателя подвода с полностью втянутым сканером и режима выдвижения сканера с неработающим двигателем подвода до тех пор, пока на одном из этапов выдвижения сканера острие зонда не окажется вблизи образца.

Способ металлографического анализа // 2522724

Изобретение относится к методам металлографического анализа образцов стали и определения трехмерной топографии поверхности и ее структуры при помощи сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Согласно способу проводится шлифовка, полировка и либо химическое, либо электрохимическое травление образца стали, а затем сканирование поверхности образца с помощью СЗМ. В качестве СЗМ могут использоваться атомно-силовые сканирующие (АСМ), а также сканирующие туннельные (СТМ) и оптические ближнепольные сканирующие (СБОМ), совмещенные с АСМ. По результатам сканирования для металлографического заключения производится идентификация и классификация структурных элементов образца в зависимости от их формы и глубины, которые связаны со скоростью травления этих структурных элементов, определяемой их строением. Технический результат - повышение разрешающей способности, точности и информативности металлографического анализа. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Нанотехнологический комплекс // 2522776

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию и предназначено для замкнутого цикла производства и измерения новых изделий наноэлектроники. Нанотехнологический комплекс включает робот-раздатчик с возможностью осевого вращения, сопряженный с камерой загрузки образцов и модулем локального воздействия, а также измерительный модуль, включающий сканирующий зондовый микроскоп, аналитическую камеру, монохроматор и источник рентгена. Измерительный модуль и аналитическая камера сопряжены с роботом-раздатчиком, монохроматор сопряжен с аналитической камерой, а источник рентгена - с монохроматором. Модуль локального воздействия содержит модуль фокусированных ионных пучков и первый растровый электронный микроскоп. Технический результат - расширение функциональных возможностей нанотехнологического комплекса. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Сканирующий зондовый микроскоп и способ выявления близости его зондов // 2526295

Сканирующий зондовый микроскоп включает в себя первый и второй зонды для сканирования образца при поддержании расстояния до поверхности образца, кварцевые резонаторы, удерживающие каждый из первого и второго зондов, и модулирующий генератор для обеспечения вибрации определенной частоты первого зонда, которая отличается от резонансной частоты каждого кварцевого резонатора. Блок управления контролирует вибрацию определенной частоты первого и второго зондов, выявляет близость первого зонда и второго зонда друг к другу на основании изменения определенных частот и регулирует привод первого и второго зондов. Технический результат - предотвращение столкновений первого и второго зондов при их перемещении. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 45 ил.

Способ контролируемого роста квантовых точек из коллоидного золота // 2533533

Изобретение относится к области прецизионной наноэлектроники. Способ контролируемого роста квантовых точек (КТ) из коллоидного золота в системе совмещенного АСМ/СТМ заключается в выращивании КТ при отрицательном приложенном напряжении между иглой кантилевера совмещенного АСМ/СТМ и проводящей подложкой, причем в процессе роста КТ периодически переключают полярность внешнего напряжения с отрицательной на положительную и фиксируют единичный пик на туннельной ВАХ при определенном значении приложенного напряжения из диапазона значений от 1 до 5 В. Рост КТ завершается, когда единичный пик наблюдается при том же значении приложенного напряжения, что и для контрольной КТ заданного размера. Технический результат - обеспечение прецизионного контроля размеров КТ. 3 ил.

Система оптического зонда с повышенной скоростью сканирования // 2535644

Система оптического зонда имеет зонд с оптической направляющей (G) с дистальным концом. Оптическая направляющая (G) устанавливается в корпусе (H), так чтобы дистальный конец мог перемещаться относительно корпуса (H). Набор (А) приводов, например электромагнитных катушек привода, может перемещать дистальный конец путем подачи сигнала (Vx, Vy) возбуждения. Блок (CU) управления формирует сигнал (Vx, Vy) возбуждения, чтобы обеспечить частоту сканирования, изменяющуюся в соответствии с амплитудой сигнала (Vx, Vy) возбуждения, и так чтобы амплитуда сигнала (Vx, Vy) возбуждения изменялась во время сканирования в поле обзора. Сигнал возбуждения, подаваемый на набор приводов, формируется так, что частота сканирования изменяется таким образом, что меньшие радиусы сканируются на более высокой частоте, чем большие радиусы, и частота сканирования при меньших радиусах больше, чем резонансная частота оптической направляющей (G). При такой системе зонда возможно сканировать поле обзора с частотой сканирования, изменяющейся в зависимости от радиуса сканирования. Технический результат - увеличение скорости сканирования. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов // 2538024

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и профилометрии и может быть использовано для калибровки профилометров и сканирующих зондовых микроскопов в трех измерениях. Изобретение позволяет осуществлять трехмерную калибровку зондовых микроскопов и профилометров и расширяет арсенал технических средств, которые могут быть использованы в качестве калибровочного эталона для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Это достигается за счет того, что в эталоне, состоящем из пластины, выполненной из поляризованного пьезоэлектрического материала, к двум противоположным сторонам которой прикреплено по электроду, соединенному с источником электрического напряжения постоянной амплитуды и полярности, к каждой стороне пластины с расположенным на ней электродом прикреплено по элементу, причем пластина и геометрические размеры элементов подобраны так, что обеспечивают перемещение одного из элементов при подаче на электроды электрического напряжения. Каждый из элементов имеет, по крайней мере, по две плоские перпендикулярные друг другу поверхности, одна из которых у каждого элемента перпендикулярна направлению перемещения одного из элементов при подаче на электроды электрического напряжения, а другая, перпендикулярная к предыдущей, у каждого элемента параллельны между собой. 2 ил.

Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов // 2538029

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и профилометрии, и может быть использовано для калибровки профилометров и сканирующих зондовых микроскопов в плоскости. Изобретение позволяет осуществлять калибровку зондовых микроскопов и профилометров по одной либо нескольким горизонтальным осям, лежащим в плоскости исследуемого образца, и расширяет арсенал технических средств, которые могут быть использованы в качестве калибровочного эталона для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Это достигается за счет того, что в калибровочном эталоне для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов, состоящем из пластины, выполненной из поляризованного пьезоэлектрического материала, к двум противоположным сторонам которой прикреплено по электроду, соединенному с источником электрического напряжения постоянной амплитуды и полярности, к каждой стороне пластины с расположенным на ней электродом прикреплено по элементу, причем пластина и геометрические размеры элементов подобраны так, что обеспечивают перемещение одного из элементов при приложении к электродам электрического напряжения, каждый из элементов имеет, по крайней мере, по одной плоской поверхности, которые параллельны между собой и параллельны направлению перемещения одного из элементов при приложении к электродам электрического напряжения. 2 ил., 2 пр.

Сканирующий зондовый микроскоп с устройством для функционирования многозондового датчика // 2538412

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии. Микроскоп с устройством включает платформу (1), держатель образца (2) с образцом (3), установленные на сканирующем устройстве (4), сопряженном с платформой (1), блок сближения (5), систему регистрации (6), состоящую из источника излучения (7) и фотоприемника (8), многозондовый датчик контурного типа (9), содержащий основание (10) с гибкими консолями (15), остриями (16, 17) и первый установочный модуль (18), закрепленный посредством второго установочного модуля (19) на захвате (20), сопряженном с приводом вращения (21), соединенным с платформой (1), а также блок управления (30) и модуль ориентации по углу (25), сопряженный с захватом (20). Технический результат - повышение точности установки гибких консолей относительно системы регистрации, увеличение соотношения рабочий сигнал - шум, обеспечение возможности работы в условиях с повышенными вибрациями, акустическими и электрическими шумами, конвективным теплоомассообменом. 22 з.п. ф-лы, 18 ил.

Способ сканирования поверхности объекта с помощью сканирующего зондового микроскопа // 2538416

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам сканирования поверхности объекта с помощью сканирующего зондового микроскопа, и может быть использовано для определения изменения рельефа, линейных размеров и физических характеристик поверхности объекта при пропускании электрического тока. Согласно способу сканирования перед установкой объекта на пьезосканере его поверхность предварительно разделяют, по меньшей мере, на две части, пропускают электрический ток, по меньшей мере, через одну часть поверхности, затем сканируют одновременно часть без пропускания электрического тока и часть с пропусканием электрического тока. Технический результат - повышение эффективности сканирования без использования специальных токопроводящих зондов. 2 ил.

Зонд на основе полевого транзистора с наноразмерным каналом // 2539677

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой зонд на основе полевого транзистора с наноразмерным каналом и может быть использовано при определении физико-химических и электрических параметров наноразмерных объектов физической, химической и биологической природы. Зонд включает наноразмерный чувствительный элемент, размещенный на острие и образующий канал транзистора, электроды, размещенные по одну сторону от острия, связанные с чувствительным элементом и выполняющие функции стока и истока транзистора. Чувствительный элемент выполнен в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе, образованной на подложке. Слой кремния имеет градиентно изменяющуюся концентрацию легирующей примеси и выполнен так, что со стороны свободной поверхности, по меньшей мере на половине толщины, обладает металлической, а на оставшейся толщине до слоя изолятора - полупроводниковой проводимостью. Электроды выполнены на упомянутой свободной поверхности, разделены зазором и имеют сужающуюся к острию площадь, а чувствительный элемент представляет собой размещенный между электродами фрагмент слоя кремния, имеющего полупроводниковую проводимость, образованный путем удаления части кремния, имеющего металлическую проводимость. Техническим результатом является улучшение пространственного разрешения зонда при сохранении чувствительности и упрощении технологии изготовления. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.