Зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур. Согласно изобретению кантилевер соединен с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета в одну сквозную нанопору с конусообразными входами стеклянной сферы, содержащей равномерно распределенный по ее поверхности упорядоченный массив ранжированных по диаметру сквозных нанопор с конусообразными входами, заполненных безызлучательными и излучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции с различными дискретными спектрами излучения и различными интервалами времени излучения, с помощью комбинации сочетаний которых программируется общий пакет спектральных портретов излучения и их последовательность. Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектров излучения воздействия с измерением характеристик электрического сигнала на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки. 6 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 с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор полимерной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [1].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с измерением характеристик электрического отклика 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 с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением, на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор стеклянной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования без влияния на соседние участки.

Отличие предлагаемого технического решения от выше изложенных заключается в использовании программируемого нанокомпозитного излучающего элемента в виде стеклянной сферы, содержащей равномерно распределенный по ее поверхности ранжированный массив групп последовательно изменяющих свой диаметр сквозных нанопор с конусообразными входами, упорядочено заполненных безызлучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка и излучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, с ранжированными дискретными длинами волн и временными интервалами флуоресценции, образующих, в свою очередь, управляющий объектом диагностирования пакет кодовых комбинаций с точечным воздействием в виде набора спектров определенных длин волн, излучаемых в определенные интервалы времени, в совокупности образующих динамически изменяющиеся программируемые спектральные портреты излучения. Использование огнеупорной, термоустойчивой стеклянной сферы (в отличие от полимерной сферы, используемой в известном техническом решении [1]) позволило осуществлять диагностирование электрических свойств наноструктур при проведении их термических испытаний и сохранить термоустойчивость конструкции и работоспособность при контакте электропроводящей зондовой иглы, продетой через стеклянную сферу, с раскаленными участками объекта диагностирования. Введение в конструкцию зонда атомно-силового микроскопа стеклянной сферы также позволило исключить размягчение нанопор, сползание излучающего элемента с электропроводящей иглы при ее нагревании от прохождения по ней электрического тока от исследуемого объекта или повышения температуры окружающей среды и исключить необратимое помутнение поверхности сферы при ее нагревании и последующее искажение спектральных портретов. Кроме того, применение стеклянной сферы (в отличие от полимерной сферы, поверхность которой легко деформируется треками заряженных частиц, вызывающими изменение коэффициента прозрачности и искажение спектральных портретов) позволило проводить исследования при воздействии на объект диагностирования заряженных частиц.

Техническим результатом является возможность одновременного сочетания электромагнитного мультиволнового с программируемой динамикой изменения спектра излучения воздействия с одновременным измерением характеристик сигнала электрического отклика 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 программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета через одну из сквозных нанопор стеклянной сферы, остальные сквозные нанопоры которой заполнены без выхода их оболочек за периметр стеклянной сферы квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрытыми с внешней стороны защитным слоем, внешний электромагнитный источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка, стеклянная сфера содержит равномерно распределенный по ее поверхности массив, состоящий из более чем двух ранжированных по диаметру наноразмерных групп сквозных нанопор с конусообразными входами с равным количеством сквозных нанопор с конусообразными входами одинакового диаметра в каждой наноразмерной группе, квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, геометрические параметры которых ранжированы по наноразмерным группам, а излучательные параметры по флуоресцентно-временным подгруппам, безызлучательные квантовые точки структуры ядро-оболочка, имеющие диаметры, равные диаметрам используемых квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, общее количество безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка в сумме с квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции равно количеству заполненных ими сквозных нанопор с конусообразными входами, число наноразмерных групп которых равно максимальному количеству используемых дискретных длин волн, максимальное количество ранжированных интервалов времени излучения которых равно количеству используемых флуоресцентно-временных подгрупп квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, которые вложены в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, причем программируемая комбинация сочетаний диаметров квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка, вложенных в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, определяет последовательность сочетаний излучаемых в определенные интервалы времени и не излучаемых дискретных длин волн, в совокупности формирующих заданную последовательность спектральных портретов излучения зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка (выносной элемент А представлен на фиг. 2).

На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки структуры ядро-оболочка и сквозной нанопоры с конусообразным входом и их допусковые отклонения геометрических размеров, не нарушающие повторяемости спектральных портретов при тиражировании зондов.

На фиг. 4 приведены примерные временные характеристики флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, допусковые отклонения их параметров и их кодировка, используемая при программировании излучающего элемента.

На фиг. 5 приведено схематическое изображение пошагового программирования сквозных нанопор с конусообразными входами излучающего элемента квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции при использовании технологической донорской матрицы.

На фиг. 6 приводится трехмерный график, поясняющий динамику процесса изменения спектральных портретов в зависимости от сочетаний, ранжированных по параметрам квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, введенных при программировании в излучающий элемент.

Под используемым в тексте словосочетанием «наноразмерная группа» понимается следующее: наноразмерная группа Nn - это множество наносфер или сквозных нанопор с конусообразными входами, имеющих одинаковые номинальные размеры соответственно внешних и внутренних диаметров, где n - порядковый номер наноразмерной группы, присвоенный по ранжиру в зависимости от возрастающих номинальных размеров диаметров элементов образующих группу (например: N1, N2, …, Nn). Наноразмерная группа Nn, включающая квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, имеющие одинаковые наружные диаметры, состоит из нескольких флуоресцентно-временных подгрупп Mn с одинаковыми временными интервалами флуоресценции τ_n квантовых точек в каждой подгруппе, но с различными временными интервалами флуоресценции квантовых точек, входящими в соседние подгруппы.

Под используемым в тексте словосочетанием «флуоресцентно-временная подгруппа» понимается следующее: флуоресцентно-временная подгруппа Mn - это множество квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, имеющих одинаковые геометрические размеры и одинаковые интервалы времени флуоресценции, где n - порядковый номер флуоресцентно-временной подгруппы, присвоенный по ранжиру возрастания дискретных величин интервалов времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка (n = 0, 1, 2, …, n-1).

Зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка фиг. 1, состоит из: кантилевера 1, соединенного с электропроводящей зондирующей иглой 2, вершина которой продета через одну из сквозных нанопор стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14, заполненными квантовыми точками 5, 7, 9, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и безызлучательной квантовой точкой 11 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 16 (например, лазерным диодом), расположенным у основания кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, также на фиг. 1 представлен диагностируемый объект 17, размещенный на подложке 18 в момент соприкосновения его с электропроводящей зондирующей иглой 2 (элементы 4-15 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).

На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где электропроводящая зондирующая игла 2; стеклянная сфера со сквозными нанопорами с конусообразными входами 3; сквозная нанопора с конусообразным входом 4 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 5 второй флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в первую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 6, в одну из которых вложена квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 7 первой флуоресцентно-временной подгруппы, с диаметром, входящим во вторую наноразмерную группу, а в другую сквозную нанопору с конусообразным входом 6, также входящую во вторую наноразмерную группу, продета вершина электропроводящей зондирующей иглы 2; сквозная нанопора с конусообразным входом 8 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 9 четвертой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в третью наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 10 и вложенная в нее безызлучательная квантовая точка структуры ядро-оболочка 11 нулевой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в четвертую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 12 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 13 четвертой флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в пятую наноразмерную группу; сквозная нанопора с конусообразным входом 14 и вложенная в нее квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции 15 третьей флуоресцентно-временной подгруппы с диаметром, входящим в шестую наноразмерную группу; внешний источник электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка 16; объект диагностирования 17; подложка 18, на которой расположен объект диагностирования 17.

Крупными сдвоенными параллельными стрелками на фиг. 2 указывается направление входящего импульсного электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции λ0 и преобразованного по длине волны излучения f₁(λ1,τ₂), f₂(λ2,τ₁), f₃(λ3,τ₄), f₄(λ4,τ₀), f₅(λ5,τ₄), f₆(λ6,τ₃), где: λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 - длина волны флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции соответственно первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого наноразмера; где τ₀, τ₁, τ₂, τ₃, τ₄ - интервалы времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции соответственно нулевой (безызлучательной), первой, второй, третьей и четвертой флуоресцентно-временной подгруппы.

Сдвоенными параллельными, перечеркнутыми чертой стрелками, указывается отсутствие излучения с длиной волны, равной λ4. В данном примере она не генерируется вследствие вложения в сквозную нанопору с конусообразным входом 10 безызлучательной квантовой точки 11 структуры ядро-оболочка нулевой флуоресцентно-временной подгруппы, с интервалом времени флуоресценции τ₀, равным нулю, на этапе программирования спектральных портретов стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, согласно технического задания.

Мелкими стрелками на фиг. 2 указывается направление выходящего мультиволнового излучения F{λ_i,τ_i}, где: i=1, 2, …, n. F{λ_i,τ_i}=(f₁(λ1,τ₂), f₂(λ2,τ₁), f₃(λ3,τ₄), f₄(λ4,τ₀), f₅(λ5,τ₄), f₆(λ6,τ₃)} - спектр излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, образованный совокупным излучением всех квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, динамически изменяющийся по времени.

На фиг. 3 приведены схематические изображения сопрягаемых поверхностей квантовой точки структуры ядро-оболочка и сквозной нанопоры с конусообразным входом и их допусковые отклонения геометрических размеров, не нарушающие повторяемости спектральных портретов при тиражировании зондов.

На фрагменте А) (фиг. 3) приведены технические требования к допуску диаметра квантовых точек структуры ядро-оболочка наноразмерной группы Nn, который может колебаться на величину Δ от номинального размера dn-Δ в меньшую сторону, для осуществления сопряжения со сквозными нанопорами с конусообразными входами наноразмерной группы Nn.

На фрагменте Б) (фиг. 3) приведены технические требования к диаметру сквозных нанопор с конусообразными входами наноразмерной группы Nn, где: схематически изображена сквозная нанопора с конусообразным входом, диаметр которой на глубине H по осевой линии от основания конуса равен радиусу (1/2 диаметра) квантовой точки структуры ядро-оболочка, dn+Δ/2 наноразмерной группы Nn колеблется на величину Δ от номинального размера Dn+Δ в большую сторону для осуществления сопряжения с квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции наноразмерной группы Nn.

На фрагменте В) (фиг. 3) приведены выполненные технические требования сопряжения, предъявленные к паре, состоящей из квантовой точки 9 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции (фрагмент фиг. 2), вложенной в сквозную нанопору с конусообразным входом 8, входящие в одну наноразмерную группу N3, где представлена квантовая точка 9 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции диаметром d3-Δ, вложенная в соответствующую нанопору диаметром D3+Δ без выхода оболочки квантовой точки за периметр поверхности стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. Стрелками показано, соответственно, входная длина волны возбуждения квантовой точки λ0 и функция преобразованной длины волны f₃(λ3,τ₄). Где: d - номинальный размер наружного диаметра квантовой точки структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции; D - номинальный размер внутреннего диаметра сквозной нанопоры с конусообразным входом; n - номер наноразмерной группы; Δ - максимальный размер разбросов диаметров с учетом температурного дрейфа, при котором сохраняется достоверность повторяемости спектральных портретов (т.е. исключается попадание квантовой точки, относящейся к одной группе Nn, в нанопоры Nn-1 или Nn+1, относящиеся к другой рядом расположенной наноразмерной группе).

На фиг. 4 приведены примерные временные характеристики флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, допусковые отклонения их параметров и их кодировка, используемая при программировании излучающего элемента.

Где: на координате Y - ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.0; уровень 0.37 (1.0/e, где: e - основание натуральных логарифмов) - выбранный уровень, на котором проводится калибровка интервалов времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка. На координате X - τ (нс) - длительность времени флуоресценции в наносекундах, где: горизонтальными двухсторонними стрелками указана длительность времени флуоресценции τ₀; τ₁; τ₂; τ₃; τ₄ с шагом дискретизации, равным τ₁ соответственно для квантовых точек с излучательными параметрами, относящихся к нулевой, первой, второй, третьей, четвертой, флуоресцентно-временным подгруппам, входящим по геометрическим параметрам в первую наноразмерную группу. В верхней части фиг. 4 приведен ранжированный ряд квантовых точек, временные характеристики которых представлены ниже в виде затухающих экспоненциально-образных зависимостей интенсивности излучения от длительности флуоресценции. Пунктирными линиями с одной стрелкой указаны параметры величин временных интервалов флуоресценции каждой квантовой точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, кодируемые, например, в трехразрядном двоичном коде τ₁ = 〈100〉, τ₂ = 〈010〉, τ₃ = 〈110〉, τ₄ = 〈001〉 (по количеству оболочек и сочетанию материалов оболочек), расположенные на оси X под точками пересечения линий экспоненциально-образных характеристик с уровнем калибровки 0.37 (1.0/е). Стрелками с символом «δ» указаны допусковые зоны нормального рассеивания относительно номинальных величин интервалов времени флуоресценции, используемые при проведении калибровки квантовых точек ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, не нарушающие повторяемость спектров излучения при тиражировании зондов. Ширина допусковой зоны «δ» определяется технологией синтеза квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции. Чем качественней технология и выше точность, тем меньше предельный разброс и уже допусковая зона. Шириной допусковой зоны «δ» ограничивается предельное количество флуоресцентно-временных подгрупп на определенном временном интервале (их скученность). На фиг. 4 приведены соотношения величины ширины допусковой зоны и величины шага квантования по длительности для исключения попадания квантовых точек с близкими параметрами в соседние подгруппы. Чем больше расстояние между соседними подгруппами, тем выше достоверность программируемых спектров. Квантовые точки структуры ядро-оболочка, кодируемые как τ₀ = 〈000〉, т.е. со временем флуоресценции равным 0, являются безызлучательными квантовыми точками структуры ядро-оболочка.

На фиг. 5 приведено схематическое изображение пошагового программирования сквозных нанопор с конусообразными входами излучающего элемента квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции при использовании технологической донорской матрицы.

На фрагменте А) (фиг. 5) представлен спектральный портрет излучения F{λ_i,τ_i} стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, где: на координате Z - ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.0. На координате Y - τ (нс) - дискретные интервалы времени флуоресценции в наносекундах и соответствующая кодировка дискретных временных интервалов в трехразрядном двоичном коде. На координате X - λ (нм) - длина волны излучения в нанометрах, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции. Излучение с длиной волны λ4 отсутствует, т.к. при программировании в сквозную нанопору с конусообразным входом 10 вложена безызлучательная квантовая точка 11 структуры ядро-оболочка с интервалом времени флуоресценции τ₀, равным нулю. F{λ_i,τ_i}=(f₁(λ1,τ₂), f₂(λ2,τ₁), f₃(λ3,τ₄), f₄(λ4,τ₀), f₅(λ5,τ₄), f₆(λ6,τ₃)} - спектр излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, образованный совокупным излучением всех квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции.

На фрагменте Б) (фиг. 5) схематически представлено пошаговое заполнение сквозных нанопор с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14 квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции 5, 7, 9, 11, 13, 15. Вертикальными фигурными указательными стрелками с символами Sn (где n - номер шага операции программы от 1 до 6) показаны схематические траектории и направления маршрутов перемещения квантовых точек структуры ядро-оболочка из упорядоченной технологической донорской матрицы коллоидных растворов квантовых точек структуры ядро-оболочка в сквозные нанопоры с конусообразными входами стеклянной сферы 3.

На фрагментах В) - З) (фиг. 5) схематически изображена технологическая донорская матрица, расположенная внутри периметра выделенного пунктирной линией. Технологическая донорская матрица, используемая в процессе программирования, состоит из упорядоченных ячеек с калиброванными ранжированными коллоидными растворами квантовых точек структуры ядро-оболочка. Количество ячеек равно максимальному числу возможных сочетаний, используемых при программировании соотношений геометрических размеров квантовых точек с их излучательными характеристиками (длина волны λi и длительность времени флуоресценции τi). Матрица состоит из строк М0-М4, представленных на фрагментах В) - З) (фиг. 5) и столбцов N1-N6, представленных на фрагменте И) (фиг. 5). Каждому столбцу соответствует наноразмерная группа N1-N6 и соответствующая ей длина волны излучения λ1-λ6, а каждой строке соответствует флуоресцентно-временная подгруппа М0-М4 и соответствующий интервал времени флуоресценции от τ₀ до τ₄ (кодируемый, например, трехразрядными двоичными кодами от 〈000〉 до 〈001〉).

На фрагменте И) (фиг. 5) приведены номера (N1, N2, N3, N4, N5, N6) наноразмерных групп (столбцы технологической донорской матрицы), в которые входят сквозные нанопоры с конусообразными входами, квантовые точки структуры ядро-оболочка, с совместимыми по допускам и посадкам диаметрами.

На фрагменте К) (фиг. 5) приведено, в качестве примера, восемнадцатиразрядное кодовое идентификационное слово {010 100 001 000 001 110} (сигнатура динамики спектра), согласно которому происходит пошаговое программирование.

На фрагменте Л) (фиг. 5) приведены номера шагов программирования (S1, S2, S3, S4, S5, S6), и горизонтальными фигурными указательными стрелками показано направление маршрута заполнения ранжированных конусообразных нанопор ранжированными квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции от большего диаметра к меньшему диаметру. Где «Пуск» - начальная точка запуска процесса программирования.

На фиг. 6 приводится трехмерный график, поясняющий динамику процесса изменения спектральных портретов в зависимости от сочетаний, ранжированных по параметрам квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, введенных при программировании в излучающий элемент.

Где на представленном трехмерном графике на координате Z - ОЕ - относительные единицы интенсивности излучения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции в интервале от 0.0 до 1.5. На координате X - τ (нс) - длительность времени флуоресценции в наносекундах. На координате Y - λ (нм) - длина волны излучения в нанометрах, λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6 - дискретные длины волн излучения соответственно квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции. Излучение с длиной волны λ4 отсутствует, т.к. при программировании в сквозную нанопору с конусообразным входом 10 вложена безызлучательная квантовая точка 11 структуры ядро-оболочка со временем флуоресценции τ₀, равным нулю. Динамика процесса изменения сочетаний длин волн от времени представлена в виде последовательно изменяющихся спектральных портретов F{f_i(λ_i)} = {f1(λ), f2(λ), f3(λ), f4(λ), f5(λ)}, отображенных в дискретные моменты времени с шагом, равным длительности τ₁, где: f1(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f2(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f3(λ) = (λ1, λ3, λ5, λ6); f4(λ) = (λ3, λ5, λ6); f5(λ) = (λ3, λ5) - первый, второй, третий, четвертый, пятый спектральные портреты, соответственно, в моменты времени τ₀ = 0; τ₁ = 5 нс; τ₂ = 10 нс; τ₃ = 15 нс; τ₄ = 20 нс.

В начале координаты Y изображен короткий стартовый импульс «СТАРТ n» с длиной волны λ0, подаваемый внешним электромагнитным источником возбуждения квантовых точек 16, который запускает генерацию детерминированных последовательностей спектральных портретов с периодом повторения Т (при условии, если Т>τ₄), и следующий за ним стартовый импульс «СТАРТ n+1», запускающий следующий аналогичный пакет спектральных портретов.

Длина волны возбуждения λ0 квантовых точек 5, 7, 9 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции и длины волн преобразованного излучения λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6 квантовых точек 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции определяются их 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 с калиброванным интервалом времени флуоресценции. 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 спектра излучения. При одном и том же внешнем диаметре квантовой точки длина волны ее излучения может корректироваться за счет изменения соотношения диаметра ядра и толщины окружающей оболочки, а изменение интервала времени флуоресценции за счет создания вокруг ядра многооболочных структур из разных материалов [3]. Для превращения излучательной квантовой точки в безызлучательную в структуре квантовой точки создаются дефекты (необратимые) с помощью внешних воздействий (или естественного брака), которые запускают безызлучательные переходы. В результате квантовая точка становится безызлучательной без изменения геометрических параметров.

Ядро квантовых точек 5, 7, 9 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции 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 квантовых точек 5, 7, 9 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции 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.

Изготовление нанокомпозитного излучающего элемента осуществляется легированием стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, квантовыми точками 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и выполняется за счет проникновения квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции в сквозные нанопоры с конусообразными входами 4, 6, 8, 10, 12, 14 стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. Например, процесс легирования может осуществляться 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]. Длительность времени флуоресценции в зависимости от материалов, их сочетаний и технологии получения квантовых точек может колебаться в интервале от единиц пикосекунд до единиц микросекунд. Выборочная разбраковка квантовых точек по длительности флуоресценции может быть осуществлена, например, с помощью устройства, выполняющего обнаружение, классификацию и разбраковку квантовых точек по длительности переходного процесса выключения квантовой точки [5].

Зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: перед началом работы производится программирование излучающей стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами (фиг. 2). Программирование спектра излучения осуществляется переносом квантовых точек структуры ядро-оболочка из технологической донорской матрицы в излучающую сферу. Это происходит за счет последовательного погружения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, предварительно соединенной с вершиной иглы 2 в ячейки технологической донорской матрицы с ранжированными калиброванными коллоидными растворами квантовых точек с определенными диаметрами и излучательными характеристиками, соответствующими длине волны излучения λi=(λ1, λ2, …, λ6) и длительности флуоресценции τ_i,=(τ₀, τ₁, τ₂, τ₃, τ₄) на длинах волн λi, что поясняется на фиг. 5.

Максимальные допусковые отклонения геометрических размеров сопрягаемых элементов и интервалов времени флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными временными интервалами флуоресценции, не влияющие на точность повторяемости спектральных портретов, приведены соответственно на фиг. 3, и фиг. 4. После каждого погружения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами в очередной коллоидный раствор квантовые точки структуры ядро-оболочка заполняют все сквозные нанопоры с конусообразными входами, в которые они могут проникнуть, т.е. при первом погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка наибольшего диаметра заполняют сквозные нанопоры с конусообразными входами наибольшего диаметра, но не могут проникнуть в сквозные нанопоры с конусообразными входами следующих групп меньшего диаметра; при втором погружении квантовые точки структуры ядро-оболочка меньшего диаметра заполняют сквозные нанопоры с конусообразными входами меньшего диаметра, но не могут проникнуть в сквозные нанопоры с конусообразными входами наименьшего диаметра и уже заполненные ранее квантовыми точками структуры ядро-оболочка большего диаметра, и так до полного заполнения конусообразных нанопор минимального диаметра соответствующими квантовыми точками структуры ядро-оболочка, что поясняется на фиг. 5. Последовательность ввода тех или иных квантовых точек в сквозные нанопоры с конусообразными входами определяется заданным идентификационным кодовым словом, например {010 100 001 000 001 110}, на основании которого формируется динамически изменяющаяся последовательность спектральных портретов излучения стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами, необходимая для целенаправленного воздействия на исследуемый объект диагностирования 17.

По окончании этапа программирования зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: кантилевер 1 с электропроводящей зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 17, расположенному на подложке 18, и надавливает на него, получая данные об электрических характеристиках объекта диагностирования 17, до включения и после включения внешнего электромагнитного источника возбуждения 16 квантовых точек структуры ядро-оболочка с длиной волны λ0. Сформированный источником возбуждения 16 квантовых точек структуры ядро-оболочка короткий стартовый импульс с длиной волны λ0 (обозначенный на фиг. 6 словом «СТАРТ n») передним фронтом переводит квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции в состояние люминесценции. В результате квантовые точки 5, 7, 9, 11, 13, 15 структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции возбуждают поверхность диагностируемого объекта 17 сочетанием длин волн f1(λ)=(λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6), согласно сформированному при программировании первому спектральному портрету излучения, заданному идентификационным кодовым двоичным словом, например {010 100 001 000 001 110}. В момент завершения стартового импульса его задним фронтом запускается процесс флуоресценции квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным временем флуоресценции F{λ_i,τ_i}={f₁(λ1,τ₂), f₂(λ2,τ₁), f₃(λ3,τ₄), f₄(λ4,τ₀), f₅(λ5,τ₄), f₆(λ6,τ₃)}. По мере затухания флуоресценции каждая квантовая точка структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции генерирует излучение определенной длины волны (λ1, λ2, λ3, _, λ5, λ6) и определенной длительности (τ₁, τ₂, τ₃, τ₄). Сочетание определенных геометрических и излучательных параметров квантовых точек осуществляется при программировании стеклянной сферы 3 со сквозными нанопорами с конусообразными входами. В совокупности излучения всех квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции образуются периодически повторяющиеся последовательно изменяющиеся мультиволновые композиции спектральных портретов. Динамика процесса изменения сочетаний длин волн от времени представлена в виде последовательно изменяющихся спектральных портретов F{f_i(λ_i)}={f1(λ), f2(λ), f3(λ), f4(λ), f5(λ)}, отображенных в дискретные моменты времени с шагом, равным длительности τ₁, где: f1(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f2(λ)=(λ1, λ2, λ3, λ5, λ6); f3(λ)=(λ1, λ3, λ5, λ6); f4(λ)=(λ3, λ5, λ6); f5(λ)=(λ3, λ5) - первый, второй, третий, четвертый, пятый спектральные портреты соответственно в моменты времени τ₀, τ₁, τ₂, τ₃, τ₄, что поясняется на фиг. 6. Интервал времени повторения между управляющими стартовыми импульсами (период Т фиг. 6) должен быть больше максимальной длительности (например, τ₄) флуоресценции используемых при программировании квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванным интервалом времени флуоресценции, что необходимо для выдачи идентичных повторяющихся (детерминированных) управляющих кодовых микрокоманд в виде набора спектральных портретов для запуска нанофотонных процессов (например, запуска механизмов регенерации тканей) в исследуемых биологических объектах или для тестирования и диагностирования нанофотонных систем, а также осуществления новых видов исследований в нанофотонике, оптогенетике, нейрофотонике.

Предложенная конструкция зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом возможность осуществления съема топологического распределения характеристик электрических сигналов на поверхности объекта диагностирования в зависимости от стимулирующего воздействия определенной последовательностью спектров электромагнитного мультиволнового излучения на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под вершиной электропроводящей иглы. Возможность осуществления программирования спектра излучения с использованием квантовых точек структуры ядро-оболочка с кодируемым дискретным ранжированным рядом интервалов флуоресценции также дает возможность идентичной повторяемости спектральных портретов при тиражировании зондов. Все это позволяет обнаружить и исследовать отдельные светочувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои электрические свойства под действием только строго определенных последовательностей кодовых наборов длин волн электромагнитного излучения, направленных в определенную точку, без засветок окружающих участков исследуемого объекта, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

Источники информации

1. Патент на полезную модель RU 140007 U1, 27.04.2014, G01Q 60/24, Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.

2. Патент RU 2541419 С1, 10.02.2015, G01Q 60/24, B82Y 1/00, Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка. / Линьков В.А., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.

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.

5. Патент RU 2493631 C1, 20.09.2013, H01L 21/66, B82B 3/00, Способ обнаружения квантовых точек и устройство для его осуществления. / Линьков В.А., Вихров С.П., Вишняков Н.В., Литвинов В.Г.

Зонд атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер, соединенный с электропроводящей зондирующей иглой, вершина которой продета через одну из сквозных нанопор стеклянной сферы, остальные сквозные нанопоры которой заполнены без выхода их оболочек за периметр стеклянной сферы квантовыми точками структуры ядро-оболочка, покрытыми с внешней стороны защитным слоем, внешний электромагнитный источник возбуждения квантовых точек структуры ядро-оболочка, отличающийся тем, что стеклянная сфера содержит равномерно распределенный по ее поверхности массив, состоящий из более чем двух ранжированных по диаметру наноразмерных групп сквозных нанопор с конусообразными входами с равным количеством сквозных нанопор с конусообразными входами одинакового диаметра в каждой наноразмерной группе, квантовые точки структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, геометрические параметры которых ранжированы по наноразмерным группам, а излучательные параметры по флуоресцентно-временным подгруппам, безызлучательные квантовые точки структуры ядро-оболочка, имеющие диаметры, равные диаметрам используемых квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, общее количество безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка в сумме с квантовыми точками структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции равно количеству заполненных ими сквозных нанопор с конусообразными входами, число наноразмерных групп которых равно максимальному количеству используемых дискретных длин волн, максимальное количество ранжированных интервалов времени излучения которых равно количеству используемых флуоресцентно-временных подгрупп квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции, которые вложены в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, причем программируемая комбинация сочетаний диаметров квантовых точек структуры ядро-оболочка с калиброванными интервалами времени флуоресценции и безызлучательных квантовых точек структуры ядро-оболочка, вложенных в соответствующие их диаметру сквозные нанопоры с конусообразными входами, определяет последовательность сочетаний излучаемых в определенные интервалы времени и не излучаемых дискретных длин волн, в совокупности формирующих заданную последовательность спектральных портретов излучения зонда атомно-силового микроскопа с программируемой динамикой изменения спектральных портретов излучающего элемента, легированного квантовыми точками структуры ядро-оболочка.