Сканирующий зондовый микроскоп

Общее устройство.

Рисунок 1. Внешний вид измерительной головки СЗМ NanoEducator LE.

Рисунок 2. Защитная крышка с видеокамерой.

Внешний вид измерительной головки изображён на выше.

Рисунок 3 представляет конструкцию измерительной головки. На основании (1) установлены сканер (8) с держателем образца (7) и механизм подвода (2) на основе шагового двигателя. Подвод зонда (6), закреплённого в датчике взаимодействия (4), к образцу можно также осуществлять с помощью винта ручного подвода (3). Датчик взаимодействия закрепляется при помощи винта фиксации датчика (5). Предварительный выбор места исследования на образце осуществляется с помощью винтов перемещения сканера с образцом (9, 10)

Рисунок 3. Конструкция измерительной головки СЗМ NanoEducator LE. 1 – основание; 2 – механизм подвода; 3 –- винт ручного подвода; 4 – датчик взаимодействия; 5 – винт фиксации датчика; 6 – зонд; 7 – держатель образца; 8 – сканер, 9, 10 – винты перемещения сканера с образцом; 11- преобразователь сигнала взаимодействия между зондом и образцом в напряжение; 12 – видеокамера для контроля сближения зонда с образцом

Зонд и чем он важен:

Рисунок 4. Зондовый датчик силового взаимодействия.

Зондовый датчик силового взаимодействия состоит из игольчатого зонда 1 (Рисунок 4), закреплённого на трубчатой пьезоэлектрической консоли 2, которая, в свою очередь, закреплена на неподвижном основании 3. Поскольку консоль на английском языке называется cantilever, то в Зондовой Микроскопии для консоли, несущей зонд на свободном конце, установилось название кантилевер. Одна часть пьезоэлектрического трубчатого кантилевера используется как пьезовибратор, а другая - как датчик механических колебаний.

К пьезовибратору подводится переменное электрическое напряжение с частотой, равной резонансной частоте электромеханической системы кантилевер-зонд. Кантилевер колеблется вокруг равновесного положения. Амплитуда колебаний при этом максимальна. В процессе колебаний зонд отклоняется от равновесного положения на величину А, равную амплитуде его вынужденных механических колебаний (она составляет доли микрона), при этом на второй части пьезоэлемента (датчике колебаний) возникает переменное электрическое напряжение, пропорциональное смещению зонда.

При приближении зонда к поверхности образца зонд начинает касаться образца в процессе колебаний. Степень взаимодействия зонда с поверхностью образца увеличивается, а амплитуда колебаний уменьшается на величину ΔА=А-А1 (Рисунок 5).

Рисунок 5. Принцип регистрации силового взаимодействия.

Технологии изготовления

Принцип действия УЗИ основан на том, что при протекании электрического тока между раствором щелочи и помещённым в неё металлом происходит электрохимический процесс травления металла, при котором атомы металла переходят в раствор.

Заготовка из вольфрамовой проволоки закреплена на держателе, который перемещается вверх и вниз по вертикали автоматически шаговым двигателем или вручную при помощи винта. Вращая винт, проволоку опускают в кольцо до нужной глубины. Кольцо изготовлено из нихромовой проволоки. Предварительно на кольцо вешается капля 5-ти процентного раствора KOH или NaOH. Все элементы конструкции закреплены на основании. Травление происходит под управлением блока управления, соединённого с корпусом узла травления при помощи кабеля. Блок управления получает питание от сетевого адаптера и соединяется с компьютером по каналу USB.

Рисунок 6. Электрохимическое заточка зонда.

После нажатия кнопки «Старт» в окне программы начинается процесс травления. Травление происходит по заранее записанному методу, который задаёт параметры сигнала, подаваемого на электрод и алгоритм перемещения заготовки. Происходит процесс перетравливания вольфрамовой проволоки и образования острой иглы. Контроль травления осуществляется автоматически, а установленные программно параметры травления позволяют создавать кончик зонда определённой формы. Заточенные таким образом вольфрамовые иглы применяются в зондовом микроскопе.

Рисунок 7. Фотоизображение процесса травления зонда.

Рисунок 8. Травление с использованием электрода в форме кольца.