Какими обязательными свойствами должен обладать кантилевер
| Ключевые слова: Автор(ы): Опубликовал(а): 06 июня 2007 Сильные и могущественные не имеют того Кантилевер (cantilever) – консоль, кронштейн, одна из основных частей сканирующего зондового микроскопа. Представьте себе трамплин для прыжков в воду, но не для обычных людей, таких как мы с вами, а для малюсеньких микрочеловечков, ноги которых в 10 раз тоньше человеческого волоса – именно так выглядит кантилевер. С одной стороны, кантилевер – это всего лишь крошечная балка; толщина которой составляет от 0.1 до 5 мкм, ширина — от 10 до 40 мкм, а длина — от 100 до 200 мкм. С другой стороны, кантилевер является незаменимым помощником нанотехнолога. С его помощью ученые могут «ощупать» поверхность и лежащие на ней отдельные молекулы, перемещать их, производить химические опыты со столь малыми количествами веществ, которые нельзя взвесить даже на самых точных лабораторных весах. От длины, ширины, толщины, а также природы материала, из которого сделан кантилевер, зависит его жесткость. Чем кантилевер длиннее и тоньше – тем легче он гнется. Можно сделать такой мягкий кантилевер, что с его помощью возможно будет надавить на поверхность с силой в одну миллиардную долю ньютона. Это в тысячу раз меньше, чем сила, с которой пылинка давит на стол, на котором она лежит! Такие маленькие силы нужны для сканирования поверхности, чтобы, например, можно было отличить лежащие на ней отдельные молекулы. На кончике кантилевера обычно расположена микроскопическая и очень острая иголка. Если бы кантилевер не мог хорошо гнуться, то при подводе его к поверхности с помощью системы нанопозиционирования, игла просто повредила бы поверхность, воткнувшись в нее. Но кантилевер всегда подбирают настолько мягким, чтобы при подводе к поверхности он мог изогнуться, а поверхность оставалась бы в целости и сохранности. В какой-то степени кантилевер похож по своим функциям на инструмент лозоходца – расщепленную лозу, которая то ли воду под землей чувствует, то ли настроение ее обладателя, однако величина отколонения (или частота колебаний в особом режиме работы) кантилевера связаны с вполне физическими явлениями — взаимодействием с атомами или молекулами на поверхности исследуемого образца. Кантилеверы также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие кантилеверы (и алмазные иглы) можно делать гравировку и проводить «наночеканку» – выдавливать на поверхности крошечные рисунки (наноинденторы). Производство кантилеверов основано на использовании двух материалах – кремния и нитрида кремния. Острия для «атомно-силовой микроскопии» (АСМ) также изготавливают из кремния, нитрида кремния или алмаза, а также используют покрытия TiN, W2C, Pt, Au, или магнитных материалов Fe-Ni/Cr, Co/Cr, CoSm/Cr. Чтобы сделать столь маленькие детали, используют процессы литографии, химического и физического травления. Для улучшения светоотражающих свойств обратную сторону зонда АСМ обычно покрывают алюминием или золотом с помощью термического напыления в вакууме. Кроме того, покрытие кантилевера пьезоэлектрической керамикой на основе цирконата-титаната свинца (Pb[ZrxTi1-x]O3, ЦТС или PZT) позволяет управлять движением кантилевера, прикладывая к контактам разность потенциалов или непосредственно считывать частоту его свободных колебаний. Такие устройства находят сегодня широкое применение для разработки и создания «наноэлектромеханических систем», «систем нанопозиционирования», «наноактюаторов», «наносенсоров», «нановесов» и т.д. Геометрия кантилевера определяет важные механические свойства (в первую очередь жесткость и резонансную частоту), и варьируется в широких пределах. Ниже приведена формула, определяющая константу жесткости k: k = Ewt3/(4L3), где E – модуль Юнга материала кантилевера, w – ширина, t – толщина, а L – длина прямоугольного кантилевера. Кроме обычных прямоугольных кантилеверов, похожих на трамплин для прыжков воду, делают, например, V-образные кантилеверы, которые легко гнуться в перпендикулярном своей плоскости направлении, но практически не перекручиваются. Литература Миронов В.Л.. Основы сканирующей зондовой микроскопии. 2004. Мир. Средний балл: 8.4 (голосов 11) Комментарии Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь |
Галерея |
Пушистый дрожж |
Новости |
Светодиодные технологии и оптоэлектроника: магистратура на стыке образования и индустрии Международная онлайн-дискуссия «Квант будущего» Перст-дайджест |
Публикации |
Академия — университетам Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2020 Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году |
Библиотека |
Вышел Седьмой номер журнала «НБИКС-Наука.Технологии» Журнал «НБИКС-Наука.Технологии» № 6 Постнаука. Проблемы водородной энергетики |
Опросы |
Технонано Технопредпринимательство — идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы — важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть. Технопредпринимательство на марше Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов! О наноолимпиаде замолвите слово… Прошла XII Всероссийская олимпиада «Нанотехнологии — прорыв в Будущее!» Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее! |
Г.А.Киселев
Студент 3
–го курса физического факультета Московского государственного университета им.
М. В. Ломоносова.
Данная статья представляет собой краткий обзор
методов сканирующей зондовой микроскопии и знакомит читателя с различными
видами кантилеверов и их свойствами.
Важнейшей
составляющей AСM (Атомно-силового
микроскопа) являются сканирующие зонды – кантилеверы, свойства микроскопа
напрямую зависят от свойств кантилевера.
Кантилевер
представляет собой гибкую балку(175х40х4 мкм — усредненные данные) с
определенным коэффициентом жесткости k (10-3 – 10 Н/м), на конце которой находится
микро игла (рис 1). Диапазон изменения радиуса закругления R наконечника иглы с развитием AFM изменялся от 100 до 5 нм. Очевидно, что с уменьшением R микроскоп позволяет
получать изображения с более высоким разрешением. Угол при вершине иглы a
— также немаловажная характеристика зонда, от которой зависит качество
изображения. a
в различных кантилеверах меняется от 200 до700, не трудно
предположить, что чем меньше a, тем выше качество получаемого изображения.
Рис 1.
Изображение кантилевера NCS16,
полученное в лаборатории МГУ физического факультета.
Качество и
достоверность изображений зависят от физических и химических свойств зонда. Как
правило, зонды изготавливаются из Si, SiO2
иSi3N4, также
существуют зонды с различными химическими покрытиями, о цели которых будет
сказано ниже. Например, при сканировании в кантилевере могут возникнуть
собственные механические колебания из-за возвратно-поступательных движений
относительно образца. Для того чтобы этого избежать, необходимо повысить
частоту собственных колебаний зонда w0. Это, в
свою очередь, достигается посредством уменьшения эффективной массы зонда meff и
увеличения коэффициента жесткости системы k. Резонансная частота w0
определяется формулой:
,
поэтому
для повышения w0
длина кантилевера (от которой зависит коэффициент жесткости) составляет порядка
нескольких микрон, а масса не превосходит 10-10 кг. Резонансные частоты
различных кантилеверов колеблются от 8 до 420 kГц.
Метод
сканирования при помощи AFM
следующий (рис 2): игла зонда находится над поверхностью образца, при
этом зонд относительно образца совершает движения, подобно лучу в
электроннолучевой трубке телевизора (построчное сканирование). Лазерный луч,
направленный на поверхность зонда (которая изгибается в соответствии с
ландшафтом образца), отразившись, попадает на фотоприемник, фиксирующий
отклонения луча. При этом отклонение иглы при сканировании вызвано межатомным
взаимодействием поверхности образца с ее наконечником. При помощи компьютерной
обработки сигналов фотоприемника удается получать трехмерные изображения
поверхности исследуемого образца.
Рис 2. Схема общего
принципа работы атомно-силового микроскопа.
1 — кантилевер с иглой, 2 —
лазер, 3 – пьезоманипулятор точных перемещений, 4 — четырехсекционный фотодиод,
5 – острие, зондирующее образец.
Существуют
контактный режим сканирования, когда игла зонда касается поверхности образца,
прерывистый – зонд при сканировании периодически касается поверхности образца и
бесконтактный, когда зонд находится в нескольких нанометрах от сканируемой
поверхности (последний режим сканирования редко используется, т. к. силы
взаимодействия зонда с образцом практически трудно зафиксировать).
Немаловажным свойством AСM является чувствительность, которая
напрямую зависит от резонансных характеристик зонда. Особенно при прерывистом
режиме сканирования необходимо учитывать такую характеристику зонда, как
добротность Q.
Для одного и того же кантилевера добротность может быть разной, многое зависит
от среды, в которой осуществляется сканирование. Например, в вакууме Q порядка104,
на воздухе – 500 и в жидкости около 30.
При
сканировании некоторых образцов возникают побочные силы – силы трения, в
результате чего возникает деформация кручения балочной части зонда, это сильно
влияет на ход отраженного лазерного луча. Избежать трудности можно изменением
жесткости системы относительно скручивающих деформаций, например, вместо палочной
балки создать балку треугольной формы (рис 3).
Рис 3. а) визуализация процесса деформации кручения при
наличии сил трения, б) предложенный вариант балки треугольной конструкции.
Для получения
магнитного профиля образца используются иглы со специальным напылением тонких
пленок ферромагнитных материалов (Fe, Ni, Co, CoPtCr). Для получения электрических
свойств поверхности используют зонды из низкоомного кремния или на зонд
напыляют слой металла (Pt,
Au, Ti) толщиной порядка 10нм, использование
таких зондов вызывает некоторые трудности, так как после нескольких сеансов
сканирования напыленный слой разрушается, к тому же при напылении происходит
заметное увеличение радиуса острия иглы R. Этого пытаются избежать, используя также алмазные иглы с
внедренными в них ионами В+ и Р+.
Рассмотренные
затруднения возникающие при работе с AСM
зондами этим обзором не исчерпываются , здесь упомянуты лишь наиболее часто
встречающиеся из них.
Важным элементом кантилеверных преобразователей, определяющим технические
характеристики систем анализа, является схема измерения деформаций кантилеверов.
Если отражающая поверхность кантилевера не менее чем 1.1 мкм2, то для определения
степени его деформаций возможно использование распостраненной оптической схемы,
имеющейся в большинстве атомно-силовых микроскопов и функционально состоящей из
лазера, луч которого направлен на отражающую поверхность кантилевера, и
позиционного четырехсегментного фотодиода, на который попадает луч лазера,
отраженный от кантилевера (рис. 1.6.).
Рис. 1.6. Принципиальная схема оптической системы контроля за
положением кантилевера (слева), атомно-силовой микроскоп
ФемтоСкан с лазерно-оптической системой регистрации сигнала
(справа) [169].
Оптическая ___________система является достаточно простой и наиболее эффективной для
большинства сенсорных устройств, так как позволяет определять смещения кантилевера
величиной до 10-4 Ǻ [6]. Нормированный электрический сигнал смещения по вертикали
отраженного лазерного луча, вырабатываемый фотодиодом, можно записать в виде
где VA, VB, VC и VD – сигналы от каждой из четырех секций фотодиода.
В общем случае у кантилевера могут быть как нормальные (вертикальные)
деформации, так и торсионные, скручивающие балку относительно ее главной оси.
Торсионные деформации возможны во время сканирования кантилевером поверхности
образца на АСМ в режиме трения [24], в бесконтактных сенсорных системах такие
деформации используются крайне редко [25, 125].
Не смотря на свою распространенность, оптический метод имеет ограничения, так
как для этого метода необходима прозрачность среды и размеры кантилевера должны
быть не меньше, чем длина волны лазерного источника. Кроме того, частотная полоса
пропускания фотодетектора в большинстве случаев не превышает 1 МГц [6], что
затрудняет его использование совместно с высокочастотными резонансными
кантилеверами. При работе с такими кантилеверами применяется метод модуляции
интенсивности на быстродействующем точечном фотодетекторе с использованием
частичного перекрывания отраженного света непрозрачной полуплоскостью. Метод
модуляции интенсивности позволяет увеличить частоту считывания до нескольких
гигагерц [37].
К оптическим методам контроля положения зонда относится
интерферометрические [26,72] и дифракционные [49] методы. В дифракционной системе
считывания кантилевер имеет вид сложной решетки, при деформациях которой
дифракционная картина от света, проходящего через кантилевер, претерпевает изменения.
Для обработки информации, поступающей одновременно с большого массива
кантилеверов (рис. 1.12) удобно использовать цифровые матрицы [56], видеоинформация
с которых обрабатывается программными средствами.
Более современные схемы контроля деформаций находятся внутри самих
кантилеверов [38] (рис. 1.7), отдельным типом которых являются кантилеверы со
встроенными слоями пьезоэлектрических элементов. Подобные датчики способны
передавать информацию о степени собственной деформации в виде электрического
сигнала. Пьезокантилевер представляет собой балку из нитрида кремния с нанесенным
слоем ZnO [39] или пьезокерамики [40], с наружи которого напыляются электроды для
снятия разности потенциалов, возникающей при пьезоэффекте в результате деформаций
кантилевера.
Рис. 1.7. Микрофотография пьезокантилевера [38].
Отметить, что прототипом пьезокантилевера являются кварцевые резонаторы,
имеющие аналогичные пьезоэлектрические свойства, которые также применяются в
атомно-силовой микроскопии [41]. Преимуществом пьезокантилеверов является
компактность системы считывания и низкие тепловые потери, в результате чего такие
кантилеверы используются в низкотемпературной микроскопии. К их недостаткам можно
отнести вынесенные электрические контакты, не позволяющие работать в проводящих
средах. Кроме того, для достижения необходимого электрического отклика, толщина
пьезослоя должна, соразмерна толщине балки, что существенно сказывается на
механических характеристиках кантилеверов. Для достижения необходимого
электрического отклика, толщина пьезослоя должна быть соразмерна толщине балки, что
существенно ухудшает механические характеристики кантилеверов и, кроме того, он
должен работать в режиме больших амплитуд изгиба, что для сенсоров, основанных на
статических деформациях, значительно понижает чувствительность [6].
На настоящий момент перспективными являются пьезорезистивные кантилеверы,
вызванного внешними напряжениями. При изгибе такого кантилевера происходит
изменение его проводимости [42]. Как правило, пьезорезистивный слой состоит из
кремния, допированного ионами бора [62], который находится в определенной области
балки кантилевера, чаще ближе к ее основанию.
Рис. 1.8. Микрофотография пары
пьезорезистивных кантилеверов 2 и 3,
включенных в мост Уинстона 1, и 4 –
опорные сопротивления моста [43].
Пьезорезистивный кантилевер обычно включают в мост Уинстона (рис. 1.8).
Чувствительность к изгибу консоли в данной системе записывается в виде
где K является фактором пьезорезистивного кремниевого сопротивления (К = 120) [43], l и
t – длина и толщина кантилевера, λ – длина резистора.
Преимуществом пьезорезистивной системы контроля положения кантилевера
является ее компактность. В последние два года в связи с разработкой пьезорезистивного
кантилевера, представляющего собой одновременно нагревательный и чувствительный
элемент, стал доступен метод микротермогравиметрического анализа вещества, который
позволяет построить термограммы с точностью до 1нг потери массы [44]. Недостаток
пьезорезистивной системы заключается в том, что сопротивление допированного слоя в
значительной степени зависит от температуры. Постоянный ток, проходящий через
пьезорезистивный слой, нагревает его, и при контакте с внешней средой возникает
градиент температур, приводящий к дрейфам и нередко к неинтерпретируемым
результатам [6].
Емкостные датчики на базе кантилевера часто используются в интегрированных
чипах, произведенных по комплиментарной металло-оксидно полупроводниковой
(КМОП) технологии [45,68]. Проводящий кантилевер помещается рядом с проводником
так, чтобы между ними образовался микроскопический зазор. Данная система
представляет собой плоский конденсатор, емкость которого зависит от малейших
смещений кантилевера обратнопропорционально величине зазора (рис 1.9).
Рис. 1.8. Микрофотография пары
пьезорезистивных кантилеверов 2 и 3,
включенных в мост Уинстона 1, и 4 –
опорные сопротивления моста [43].
Емкостные системы контроля практически не налагают ограничений на величину
собственной частоты кантилевера и могут работать на радиочастотах [6]. Недостатком
системы является невозможность работы в проводящих средах, кроме того, малейшие
изменения величины диэлектрической проницаемости среды влияют на величину
считанного сигнала.
Высокочувствительным способом детектирования субнанометровых перемещений
является метод электронного туннелирования (рис. 1.10). Система контроля туннельного
тока по аналогии с емкостной состоит из проводника и кантилевера, только в данном
случае размер зазора между ними сохраняется достаточно малым в соответствии с
формулой плотности туннельного тока, справедливой для приближения плоских
металлических электродов и вакуумного туннелирования46:
где e – заряд электрона, h – постоянная Планка, s – расстояние зонд-образец, Ut – разность
потенциалов на туннельном контакте, k0 – константа затухания волновых функций
электронов в контакте,
m – масса электрона, φ – эффективная высота потенциального барьера.
Рис. 1.9. Фотография
микроемкостной системы
считывания отклонений
кантилевера, выполненной по
технологии КМОП [45].
Так как туннельный ток экспоненциально нарастает с уменьшением зазора между
кантилевером и проводником, то такая система контроля механических деформаций [48]
позволяет измерять смещения кантилевера до значений 10-3Ǻ. При деформациях
кантилевера больших 1 нм туннельный эффект пропадает и система контроля перестает
работать. Поэтому метод туннельного контроля имеет ограничения, общие для всех
электромеханических методов, требующих протекания заряда через элемент
механического преобразователя.
В системах кантилеверов, предназначенных для измерения статических
деформаций помимо полезных сигналов возникают шумы и дрейфы, связанные с
нестабильностью физических параметров среды, в которой находится сенсор, таких как
температура, оптическая плотность, pH, гидродинамические флуктуации и др. Только в
высокостабильных системах для измерений можно использовать один
микромеханический датчик [55]. Для быстрого подвода вещества к поверхности сенсора
кантилевер обычно помещают в микрожидкостную проточную систему, которая
характеризуется значительными флуктуациями давления и температуры,
интерферирующими с аналитическим сигналом и делающие его непригодным для
дальнейшей интерпретации. В таких системах используют совмещенную пару консолей,
находящихся рядом друг с другом [43,92]. Одна из них выступает в качестве
контрольного, на котором отражаются изменения физических условий в процессе цикла
измерений (рис. 1.7), а другая измеряет полезный сигнал на фоне шума [6]. Одновременно
производится вычитание разности сигналов, поступающих с контрольного и сенсорногоА
кантилеверов. Таким образом выделяется полезный сигнал.
Для расширения функциональности и производительности микрокантилеверных
систем используются одномерные и двумерные массивы кантилеверов. Химические
Рис. 1.10. Микрофотография
кантилевера с туннельной
системой контроля его
отклонений [47], помещенного
между двумя электродами
(источником и стоком).
сенсоры на основе нескольких кантилеверов обладают свойствами человеческого носа, в
котором имеется несколько рецепторов. Такие кантилеверы модифицированны
различными низкомолекулярными веществами или биополимерными пленками,
вырабатывающими собственный отклик на изменение физико-химических свойств среды.
На рисунке 1.11 представлен массив из восьми кантилеверов, изготовленных в
исследовательской лаборатории IBM [63] для создания искусственного носа.
Рис. 1.11. Массив из восьми кремниевых
кантилеверов, используемых для сенсорных
приложений [63].
Исследования определенных реакций на поверхности кантилевера требуют
воспроизводимости и статистического анализа. Проведение высокопропускных проб
генного анализа, основанных на гибридизации ДНК на поверхности кантилеверов, было
продемонстрировано Мин Ю и .др. [56] на двумерном массиве из 500 кантилеверов (рис.
1.12).
Рис. 1.12. (а) Кремниевый чип,
содержащий 500 кантилеверов. (б)
Схематическое изображение одного
реакционного микроколодца. (в)
Фотография с электронного
микроскопа реакционной емкости
(стрелками отмечены отверстия,
большие для поступления раствора и
малые для выхода воздуха). (г)
Увеличенное изображение
кантилеверов, покрытых золотой
пленкой.
| следующая статья ==>