Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка
Владельцы патента RU 2541422:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что кантилевер соединен с зондирующей иглой, вершина которой соединена со сферой, выполненной из стекла с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрытой защитным полимерным слоем, прозрачным для длины внешнего электромагнитного источника излучения и длины волны со стоксовым сдвигом, генерируемой квантовыми точками структуры ядро-оболочка. Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.
Известен зонд атомно-силового микроскопа для измерения модуля упругости (модуля Юнга) биологических объектов и предотвращения повреждения их поверхности, состоящий из кантилевера с прикрепленной зондовой иглой, на вершине которой закреплен шарик диаметром 5 мкм [1].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа для механического определения упругости (модуля Юнга) клеток крови, состоящий из кантилевера с прикрепленной зондирующей иглой, на вершине которой закреплена полая полимерная микросфера диаметром 10 мкм [2].
Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше заключается в использовании нанокомпозитного излучающего элемента в виде стеклянной сферы легированной квантовыми точками структуры ядро-оболочка, закрепленной на вершине зондирующей иглы, что позволяет осуществить оптомеханические исследования наноразмерных структур материалов с оптомеханическими свойствами и биологических объектов с фотобиологическими свойствами.
Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного воздействия с измерением механической реакции (модуля упругости) на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.
Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой с нанометровым радиусом кривизны вершины, которая соединена со сферой, выполненной из стекла с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух, и определяется диаметром сферы и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности сферы, причем сфера крепится к зонду за счет жесткой посадки вершины зондирующей иглы с нанометровым радиусом кривизны в одну из пор стеклянной сферы с нанометровыми порами, остальные поры с заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка покрыты защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны внешнего электромагнитного источника возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка и длины волны со стоксовым сдвигом генерируемой квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера и его излучение ориентированно на центр стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, (выносной элемент A представлен на фиг 2). На фиг.2 представлен выносной элемент A (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка (фиг.1) состоит из: кантилевера 1, соединенного с зондирующей иглой 2, на вершине которой закреплена стеклянная сфера 3 с нанометровыми порами 4, легированными квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 6 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1 с направлением излучения ориентированным на центр стеклянной сферы 3, также на фиг.1 представлена подложка 7 с размещенным на ней диагностируемым объектом 8 в момент соприкосновения ее со сферой 3 (элементы 4, 5, 8 приведены в увеличенном масштабе на фиг.2).
На выносном элементе A (10:1) фиг.2 представлены элементы в разрезе, где стеклянная сфера 3 с нанометровыми порами 4, заполненными квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка, в одной из нанометровых пор 4 стеклянной сферы 3 жестко закреплена вершина зондирующей иглы 2, под стеклянной сферой 3 расположена подложка 7 с диагностируемым объектом 8. Минимальный диаметр стеклянной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных квантовых точек 5 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 8. Стрелками указываются направления входящего λ1 и преобразованного λ2 по длине волны излучения, где λ1 - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающих их люминесценцию, λ2 - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ1.
В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование светочувствительных зрительных тканей биологических объектов) используемые для легирования квантовые точки 5 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения 6 (т.е. длина волны λ1 больше λ2 или λ1 меньше λ2). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности с тем, чтобы λ1 находилась вне зоны длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 8, а стимулирование его осуществлялось только излучением квантовых точек 5 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ2, которая вызывает изменение модуля упругости отдельных локальных участков диагностируемого объекта 8 в непосредственной близости от точки соприкосновения сферы 3 с объектом диагностирования 8.
Длина волны поглощения λ1 квантовой точкой 5 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ2 квантовой точки 5 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их процентным соотношением, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения квантовых точек, направленная на объект диагностирования, может находиться как в оптическом диапазоне, так и за его пределами, от ультрафиолетового до инфракрасного излучения.
Ядро квантовой точки 5 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка квантовой точки 5 структуры ядро-оболочка может включать в себя по крайней мере один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe и HgSe, но этими вариантами не ограничивается.
Для осуществления изобретения кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки [3].
Изготовление нанокомпозитного излучающего элемента осуществляется легированием стеклянной сферы 3, квантовыми точками 5 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения квантовых точек в наноразмерные поры 4 стеклянной сферы 3. Например, процесс легирования может осуществляется по технологии известного метода, за счет погружения элемента из стекла с нанометровыми порами в раствор из двух или более квантовых точек с последующей сушкой на воздухе и заполнением оставшихся между квантовыми точками пустот смолой [4].
Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: кантилевер 1 с зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 8, расположенному на подложке 7, и надавливает на него, получая данные об упругих свойствах объекта диагностирования 8, до включения и после включения внешнего источника возбуждения 6 квантовых точек с длиной волны λ1. В результате квантовые точки 5 возбуждают поверхность диагностируемого объекта 8 длиной волны λ2, определенной в зависимости от выбранного материала квантовой точки 5 и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки. В зависимости от требуемых режимов диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ2 квантовых точек в интервале, равном времени их флуоресценции, после выключения внешнего оптического источника 6 с целью исключения посторонних засветок и помех).
Предложенная конструкция зонда с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностики атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения корреляции изменения модуля Юнга в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под излучающей сферой. Это позволяет обнаружить и исследовать отдельные светочувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющие свои механические свойства и размеры под действием точечного электромагнитного излучения, что ранее невозможно было осуществить с известными зондами.
Источники информации
1. Д.В. Лебедев, А.П. Чукланов, А.А. Бухараев, О.С.Дружинина. Измерение модуля Юнга биологических объектов в жидкой среде с помощью специального зонда атомно-силового микроскопа // Письма в ЖТФ. - 2009 - Т.35. Вып.8 - С.54-61.
2. Патент RU 2466401 C1, 10.11.2012, G01N 33/49. Способ определения упругости клеток крови.
3. Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.
4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.
1. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с зондирующей иглой с нанометровым радиусом кривизны вершины, которая соединена со сферой, отличающийся тем, что сфера выполнена из стекла с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка, количество которых больше двух, и определяется диаметром сферы и количеством пор, способных разместить квантовые точки без выхода их оболочек за периметр окружности сферы, причем сфера крепится к зонду за счет жесткой посадки вершины зондирующей иглы с нанометровым радиусом кривизны в одну из пор стеклянной сферы с нанометровыми порами, остальные поры с заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка покрыты защитным полимерным слоем, прозрачным для длины волны внешнего электромагнитного источника возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка и длины волны со стоксовым сдвигом, генерируемой квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что внешний источник возбуждения квантовых точек закреплен у основания кантилевера и его излучение ориентированно на центр стеклянной сферы с нанометровыми порами, заполненными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.
