Результат интеллектуальной деятельности: СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНД АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА С НАНОКОМПОЗИТНЫМ ИЗЛУЧАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЛЕГИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ И МАГНИТНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ 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.

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 стеклянной 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 осуществления сканирования боковых стенок 3-D нанообъектов и наноколодцев по координате Ζ с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами Χ, Υ, без влияния на соседние участки.

Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной с магнитопрозрачной полимерной сферой, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, покрытой защитным светомагнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности осуществления сканирования боковых стенок 3-D нанообъектов и наноколодцев по координате Ζ с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами Χ, Υ, без влияния на соседние участки.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше решений заключается в том, что магнитопрозрачная стеклянная сфера соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой через двухслойную углеродную нанотрубку, что позволяет осуществлять оптическое стимулирование, при линейном перемещении с минимальным трением по электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле, под управлением магнитного поля, создаваемого плоской микрокатушкой, без отрыва электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы от контролируемой точки наноструктуры. Возможность опускания и подъема магнитопрозрачной стеклянной сферы с квантовыми точками структуры ядро-оболочка в наноколодцы исследуемых наноструктур позволяет сканировать труднодоступные боковые стенки при поиске дефектов. Приближение или удаление сферы с квантовыми точками к диагностируемой поверхности позволяет обнаружить эффекты резонансного безызлучательного переноса энергии при оптическом возбуждении и электрическом съеме информации, например при диагностировании оптоэлектронных структур в наноэлектронике или исследовании электрических откликов на оптическое стимулирующее воздействие на микробиологические структуры в оптогенетике.

Техническим результатом является возможность осуществления сканирования боковых стенок наноколодцев, 3-D нанообъектов, приближение или удаление точечного стимулирующего воздействия к поверхности диагностируемого 2-D нанообъекта, при одновременном сочетании воздействия на диагностируемый объект магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн излучения, с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами Χ, Y, без отрыва, смещения, нарушения электрического контакта вершины зондирующей иглы и без влияния на соседние участки.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной с магнитопрозрачной стеклянной сферой, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП, двухслойную углеродную нанотрубку, состоящую из подвижной однослойной углеродной нанотрубки большего диаметра, длиной, равной диаметру магнитопрозрачной стеклянной сферы, и вложенную в нее с зазором, приближенно равным расстоянию между слоями кристаллического графита, однослойную углеродную нанотрубку меньшего диаметра длиной, равной максимальной глубине сканируемых боковых стенок наноколодцев, причем внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра жестко соединена с внешней поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, а внешняя поверхность внешней подвижной углеродной нанотрубки большего диаметра продета и жестко закреплена в одной из нанометровых сквозных пор малого диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы, причем одноименные полюса всех магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, размещенных в ней, ориентированы в одном направлении и расположены параллельно вершине электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка (фиг. 1), состоит из: магнитопрозрачного кантилевера 1, соединенного с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, вершина которой продета во внутреннюю поверхность внутренней углеродной нанотрубки малого диаметра 9, внешняя поверхность которой продета во внутреннею поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 10 (образующие в совокупности наноподшипник скольжения в виде двухслойной углеродной нанотрубки 8), внешняя поверхность которой продета в одну из сквозных пор 4 малого диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с нанометровыми сквозными порами малого 4 диаметра, и с нанометровыми сквозными порами большого 5 диаметра.

Элементы 1, 2, 3 выполнены магнитопрозрачными (магнитодиэлектрическими), что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Нанометровые сквозные поры малого 4 диаметра заполнены сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним источником возбуждения квантовых точек 11 (например, лазерным диодом), расположенным у основания магнитопрозрачного кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка.

Ядро каждой сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Управление перемещением (вверх или вниз) магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 относительно объекта диагностирования 15 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым плоской 12 микрокатушкой, расположенной над основанием электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 иглы и состоящей из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых соединены с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13. Тип используемого ЦАП 13 (его разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.

Также на фиг. 1 представлена подложка 14 с размещенным на ней диагностируемым объектом 15 в момент соприкосновения его с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 (элементы 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).

На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 с нанометровыми сквозными порами 4 малого диаметра, заполненными сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка.

Магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, через двухслойную углеродную нанотрубку 8 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls), представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 9 и 10 с расстоянием между соседними графитовыми слоями (межтрубочное расстояние), близким к величине (приближенно равным) 0,34 нм, при котором силы Ван-дер-Ваальса минимальны. Вложенные одна в другую однослойные углеродные нанотрубки 9, 10 образуют наноподшипник скольжения для перемещения магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 по электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением на расстояние, равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 9 соединена с поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 10 продета и закреплена в одной из нанометровых сквозных пор малого диаметра 4 магнитопрозрачной стеклянной сферы 3, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем. Длиной углеродной нанотрубки 9 определяется диапазон (ΔΖ) сканирования боковой поверхности наноколодцев объекта диагностирования 15 и максимальное расстояние удаления сферы 3 с излучающими элементами от подложки 14 по координате Z.

Минимальный диаметр магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и сферических магнитных наночастиц 7 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 15. Стрелками указываются направления входящего λ₁ и преобразованного λ₂ по длине волны излучения, где λ₁ - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающего их люминесценцию, λ₂ - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ₁. Стрелками с символом (вектор магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешнего магнитного поля, создаваемого плоской микрокатушкой 12. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка, закрепленных в корпусе сферы 3, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней квантовые точки 6 при взаимодействии разнополярных или однополярных магнитных полей. Двунаправленной стрелкой с символом ΔΖ показан примерный диапазон сканирования боковых стенок наноколодцев по координате Ζ объекта диагностирования 15.

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование магнито-оптоэлектронных наноструктур или магнито-термо-светочувствительных наноструктур биологических объектов), используемые для легирования сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 (т.е. длина волны λ₁ больше λ₂ или λ₁ меньше λ₂). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности с тем, чтобы λ₁ находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 15, а стимулирование диагностируемого объекта 15 осуществлялось только излучением сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ₂, которая вызывает появление электрических сигналов откликов в точке соприкосновения вершины магнитопрозрачной электропроводящей иглы 2 с участком диагностируемого объекта 15.

Длина волны поглощения λ₁ каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ₂ каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, 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 ближнего инфракрасного излучения.

Ядро каждой сферической квантовой точки 6 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 каждой сферической квантовой точки 6 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.

Ферромагнитное ядро сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt, или их комбинации, но не ограничивается ими. Размер ядра одной сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка сформирована из магнитомягкого или суперпарамагнитного материала, например, может включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe₃O₄, FeO, CoFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂O₄, или их комбинации, но не ограничивается ими. Внешняя оболочка может иметь толщину в диапазоне от 0,5 нм до 3 нм. Внешняя оболочка защищает ядро от окисления и повышает магнитные свойства сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что в свою очередь защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 15, при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной стеклянной сферы 3.

Для осуществления изобретения могут быть использованы, например известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка [3, 4, 5].

Для осуществления изобретения кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки [6].

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка и сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка в нанометровые поры 5 большого диаметра и, затем, за счет проникновения сферических квантовых 6 точек структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. 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 [7].

Вершина электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволоки [8].

Многослойная углеродная нанотрубка, состоящая из однослойной нанотрубки 9 малого диаметра, вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 10 (в совокупности используемые в качестве наноподшипника скольжения), может быть соединена с иглой при помощи атомно-силового микроскопа или изготовлена выращиванием на электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 при помощи известной технологии выращивания многослойной углеродной нанотрубки (используемой в качестве наноподшипника), непосредственно на оси вращения ротора НЭМС (нано электромеханической системы) электродвигателя или гироскопа с наружным диаметром внешней углеродной нанотрубки от 10 нм [9].

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 15, расположенному на подложке 14, и надавливает на дно наноколодца объекта диагностирования 15, получая данные об электрических характеристиках объекта диагностирования 15, до включения и после включения внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 с длиной волны λ₁. В результате сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность диагностируемого объекта 15 излучением длиной волны λ₂, определенной в зависимости от выбранного материала сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка 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 источника возбуждения квантовых точек 11 с целью исключения посторонних засветок и помех).

Одновременно на вход ЦАП 13 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала, поступающего на обмотку плоской 12 микрокатушки, создающей внешнее управляющее магнитное поле, направленное на центр перемещаемой по координате Ζ магнитопрозрачной стеклянной сферы 3. Магнитные полюса всех магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка постоянно ориентированы параллельно электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 и в совокупности образуют структуру со свойствами постоянного магнита.

Под действием электрического управляющего сигнала, с выхода ЦАП 13 (например, чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) плоская 12 микрокатушка создает внешнее магнитное поле (в зависимости от полярности), с тем или иным направлением магнитных силовых линий, в соответствии с направлением которых при взаимодействии постоянного магнитного поля магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с переменным магнитным полем создаваемым плоской микрокатушкой 12 в диапазоне ΔΖ, происходит последовательное перемещение магнитопрозрачной стеклянной сферы 3 с квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка вниз или вверх по координате Z, параллельно сканируемой боковой стенке наноколодца объекта диагностирования 15.

Возможность осуществления управления изменением расстояния между излучателем (донором) энергии (квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка) и приемником энергии (акцептором) (диагностируемыми светочувствительными наноструктурами объекта диагностирования 15) позволяет обнаруживать безызлучательный перенос энергии при радиусе взаимодействия меньшем, чем длина волны излучаемого света. Это позволяет исследовать электрические характеристики наноструктур со спектральным перекрытием спектров излучения и поглощения, в которых на расстояниях от 1 до 10 нм возникает Форстер резонансный перенос энергии (FRET) (Forster (or fluorescence) resonance energy transfer) как в одношаговых, так и в многошаговых эстафетных переходах от донора к акцептору, например в биологии или наноэлектронике.

Предложенная конструкция сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также 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 длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждую точку с координатами Χ, Y, непосредственно расположенную под вершиной электропроводящей магнитопрозрачной иглы, и получить дополнительную информацию при сканировании наноколодцев по координате Z. Это позволяет обнаружить и исследовать отдельные точечные оптомагнитотермочувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои электрические свойства при одновременном точечном наноразмерном стимулирующем воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона λ₂, в сочетании с воздействием постоянным или импульсным магнитным полем или точечным тепловым излучением (нагревом) при различных изменяющихся расстояниях по координате Z между излучающим элементом и приемной наноструктурой, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.

Источники информации

1. 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.

2. Патент на полезную модель RU 156299 U1, 13.04.2015, G01Q 60/24, G01Q 70/08. Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.

3. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES.

4. Patent Application Publication Pub. No.: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORE_SHELL STRUCTURED NANOPARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOPARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF.

5. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130342297 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 MAGNETIC EXCHANGE COUPLED CORE-SHELL NANOMAGNETS.

6. Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

7. Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

8. Patent №.: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS.

9. Patent №.: US 8771525 B2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING.