автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Исследование лазерного формирования комбинированных нанозондов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

ЗЫОНГ ВАН ЗУНГ ЗЫОНГ ТИ ЗУНГ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ФОРМИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАНННЫХ НАНОЗОНДОВ

Специальность 05 27 03 - Квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003059419

Диссертация выполнена на кафедре "Лазерных технологий и экологического приборостроения" Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Яковлев Евгений Борисович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Вознесенский Николай Борисович

Кандидат технических наук Воронин Юрий Михайлович

Ведущая организация Институт Аналитического Приборостроения

Российской Академии Наук

Защита состоится «//^» КИ>Щ 2007г в А} ч рр мин На заседании диссертационного совета Д 212 227 01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ по адресу 190000, Санкт-Петербург, пер Гривцова 14, ауд 314

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан " 08 " МлЯ. 2007г Ваши отзывы и замечания на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу 190000, Санкт-Петербург, пер Гривцова 14, секретарю диссертационного совета Д 212 227 01 Ученый секретарь А

Диссертационного совета Д 212 227 01,

I

кандидат технических наук, доцент д 1, , В М Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В последнее время, как за рубежом, так и в России резко усилился интерес к изучению и использованию нанообъектов различной природы Это связано, прежде всего, с тем, что рассмотрение наноразмерных физических явлений в различных областях (химии, биологии, электронике, оптике, физике прочности и пластичности) открыло возможность создания новых структур, устройств и систем, отличающихся от существующих не только малыми размерами, но и многообразием выполняемых функций Причем, физико-химические свойства наноразмерных структур резко отличаются как от свойств отдельных атомов и молекул, так и от свойств массивных тел

Для развития субмикронной технологии и нанотехнологии требуется создание прецизионных контрольно-измерительных инструментов, которые могли бы как контролировать свойства фукциональных элементов и сред, так и формировать и ремонтировать активные струюуры.

Одним из наиболее мощных классов приборов, которые оказались востребованными нанотехнологией, оказались сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) — приборы для изучения свойств поверхности при помощи твердотельных заостренных зондов с разрешением, определяемым параметрами зонда, в процессе их взаимного перемещения по заданным алгоритмам Эти приборы в настоящее время могут применяться для изучения поверхностей твердого тела любых размеров и форм, в вакууме, в воздухе, в газовых и жидкостных средах, в широком интервале температур и давлений, обеспечивая высокое разрешение, возможность изучения топографии, приповерхностных силовых полей, физических свойств этих поверхностей

В приборах СЗМ одним из важнейших элементов является зонд, который определяет их разрешение Лазерные технологии позволяют ввести в процесс изготовления нанозондов обратные связи, что повышает качество зондов и воспроизводимость их параметров, поэтому они в последние годы стали весьма актуальными Разработке таких технологий и посвящена настоящая работа Цель работы

Целью работы является разработка и оптимизация технологий и установки для изготовления нанозондов различных типов методом лазерной вытяжки Задачи исследования:

1 Создание установки для вытяжки нанозондов с помощью лазерного нагрева

• Обоснование и выбор оптимального источника лазерного нагрева

• Разработка оптических систем формирования излучения в зоне нагрева

• Обоснование и выбор механических устройств вытяжки.

2 Оптимизация технологий лазерной вытяжки нанозондов

3 Разработка метода аттестации нанозондов Методы исследования и материалы

Для решения поставленных задач были выбраны следующие методы исследования и материалы

1 Анализ основных литературных данных по применению и методам изготовления зондов

2 Экспериментальное исследование процесса лазерной вытяжки зондов

3 Математическое моделирование процесса формирования нанозондов

4 Методы оптической, зондовой и электронной микроскопии для оценки качества полученных зондов

Научная новизна диссертации

- Впервые предложены и разработаны оптические схемы для лазерной вытяжки на базе тороидального зеркала, позволяющие значительно улучшить качество зондов, управляемость и воспроизводимость процесса вытяжки

- Впервые разработана технология лазерной вытяжки гибридных металлостеклянных и трехслойных нанозондов

- Впервые решена математическая задача о вытяжке зондов различных типов, позволяющая в полной постановке, учитывающей изменение вязкости с температурой и температуры во времени, проводить анализ влияния различных технологических факторов на параметры получаемых зондов

- Для повышения чувствительности ПЗС матрицы применен метод изофотометрии, что позволяет регистрировать распределение интенсивности в дальней зоне с большим перепадом интенсивности

- Показана возможность анализа формы и размера апертуры нанозонда по распределению излучения в дальнем поле

Научные положения, выносимые на защиту

- Основными параметрами, влияющими на форму и качество зондов при их механической вытяжке с лазерным нагревом, являются не только плотность мощности лазерного излучения, распределение интенсивности излучения и размер зоны воздействия, но и закон изменения силы растяжения при вытяжке во времени

- Математическое описание процесса вытяжки, основанное на модели деформации вязких тел Ньютона с учетом зависимости вязкости т](Т) и реальности хода Г(г), позволяет адекватно описать процесс вытяжки и

проанализировать роль реальных технологических факторов на параметры зондов

- Распределение интенсивности в дальнем поле характеризует размер и форму апертуры ближнепольного зонда Практическая ценность работы

1 Разработан действующий макет экспериментальной установки для изготовления нанозондов различных типов, который может служить прототипом автоматизированной промышленной установки

2 Разработана лазерная технология изготовления гибридных металлостеклянных и трехслойных зондов, которые могут использоваться во многих видах СЗМ.

3 Предложен метод аттестации ближнепольных зондов по распределению дальнего светового поля

4 Разработан бизнес - план коммерческих технологий лазерной вытяжки ближнепольных оптических зондов

Реализация на практике

Изготовленные зонды используются на СЗМ КапоЕёиса1ог (кафедра материаловедения и нанотехнологии) для проведения исследования топографии поверхности стекол при лазерной полировке, лазерном переносе и т д, а также в научных и технологических исследованиях ООО «НПП Мобильные Лазерные Системы» Апробация работы

Результаты проведенных в работе исследований доложены на конференциях ЫАТО-А81 (Крит, Греция,2003), 1ЬАТА-Ш (Санкт-Петербург, Россия, 2003), на научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО в 2004 - 2007 г г, «Современные направления приборостроения, информационных и гуманитарных наук» (СПбГУ ИТМО 2004), на IV международной конференции молодых

ученных и специалистов «Оптика - 2005», на III Межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО 2006, на IV Межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО 2007 Публикации

По материалам диссертации опубликовано 5 работ Полный список публикаций приведен в конце автореферата Структура и объем

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и трех приложений Изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 94 рисунков. 2 таблиц, списка литературы, включающего 71 наименований, всего 134 страниц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит обоснование актуальности работы, формулировку цели и основных положений, выносимых на защиту

В главе I на основании литературных данных описаны основные виды СЗМ и принцип их работы, в том числе сканирующий туннельный микроскоп, электросиловой микроскоп, электрохимический микроскоп, микроскоп на ионной проводимости, ближнепольный оптический микроскоп, и Рамановский микроскоп. Показаны виды зондов, применяющихся в каждом микроскопе и их ключевая роль в разрешающей способности СЗМ В итоге выделены три основных вида зондов, которые применяются в СЗМ

1 Ближнепольный оптический зонд на основе оптоволокна. Это заостренное волокно с металлическим покрытием

2 Микропипетка (МП) Это конусный заостренный стеклянный капилляр 3. Гибридный металлостеклянный зонд Это металлическое острие со стеклянной оболочкой

Все эти зонды, кроме микропипеток могут быть изготовлены методом химического и электрохимического травления В данной работе поставлена задача разработки лазерной технологии изготовления этих зондов

Глава II посвящена разработке экспериментальной установки для формирования зондов Рассмотрена краткая история развития технологии вытяжки, которая появлялась в конце 19-ого века для изготовления микропипеток На первом этапе своего развития в технологии вытяжки нагревание осуществляется пламенем газовой горелки или нитью накаливания При лазерной вытяжке, для этой цели служит лазерное излучение, которое имеет ряд преимуществ

• возможность концентрации большой энергии в исключительно малой области пространства

• возможность достижения высоких температур за относительно короткие промежутки времени

• возможность создания зоны нагрева в большом диапазоне размеров

• химическая чистота технологии

• простота, безынерционносгь и высокая точность управления параметрами Возможность ввода обратной связи

Особое внимание при создании установки было уделено разработке оптической системы, осуществляющей формирование равномерной зоны лазерного воздействия на поверхности заготовки В процессе предварительных экспериментов было выявлено, что создание равномерной зоны может быть обеспечено а) вращением заготовки вокруг собственной оси, б) зеркальной кольцевой оптикой

Базовая схема установки с использованием фокусирующей линзы, при которой заготовка вращается вокруг своей оси, представлена на рис 1 Несмотря на то, что при вращении возникают такие проблемы как биение,

несоосность, эта схема позволяет получить хорошие результаты при вытяжке микропипеток из стеклянных капилляров

Рис 1 Базовая схема установки для вытяжки зондов с использованием СОг-лазера 1- СОг-лазер, 2- линза, 3- образец, 4,5- растягивающий механизм, 6- зеркало Для вытяжки зондов из оптоволокна диаметром 125 мкм несоосность вращающихся суппортов приводит к деформации зондов, поэтому разработана схема на основе тороидального зеркала, которая показана на рис 2 Приведен расчет конструктивных параметров и фокусирующих свойств тороидального зеркала

Зеркало

А

3

С(} лазер

,, - Торроидальное

Коническии ,

фокусирующее зеркало элемент т ^ ^ г

Растяжение

Поворотное зеркало

Рис 2 Схемное решение установки «лазерной вытяжки» с равномерным нагревом волокна и перпендикулярной фокусировкой лучей

Для получения зондов с требуемой геометрией, разработана система контроля процесса вытяжки по удлинению зондов. Когда удлинение зонда достигает некоторого установленного значения, система либо перекрывает лазерное излучение, либо ускоряет растяжение с помощью электромагнита,

В главе 111 представлено экспериментальное и теоретическое исследование процесса вытяжки зондов. Выявлены основные закономерности процесса. Предложена лазерная технология вытяжки гибридных металл остекляй пых и трехслойных зондов.

В процессе экспериментов проводилось исследование влияния мощности лазерной вытяжки на форму и размер ЬОЗ (см. рис. 3).

Л

Рис. 3, Изменение формы зонда при увеличении мощности лазерного излучения (6.7Д9 и ЮБт). Растяжение грузом - 5 Н.

На рис. 4 приведены фотографии второго и третьего зондов (рис. 3) с золотым покрытием (получены при мощности 7 и 8 ВТ). Как видно, при мощности 7 ВТ зонд обрадуется при холодном обрыве, т.е. в момент обрыва зонда перетяжка волокна имеет большую вязкость. Размер апертуры зонда составляет 500 нм (см. рис. 4). При мощности 8 Вт волокно обрывалось при малой вязкости, вершина зонда имеет параболическую форму. В случае холодного обрыва она плоская.

Зонды, полученные на установке с контролем ио удлинению, имеют хорошие геометрические характеристики-

Ш1

Рис. 4. изображения Б03 11срвый зонд имеет размер - 500 им, а второй ■ ШО им.

При использовании изогнутого зонда, управление расстоянием зонд-образец осуществляется с помощью нормальной силы взаимодействия между зондом и поверхностью образца (аналогично для атомно-силового микроскопа), при этом легче выделить полезный сигнал.

Изготовление изогнутого зонда включает в себя два этапа. Первый этап - вытяжка зонда. Второй этап - изгиб зонда в нужном месте под определенным углом. Для этого излучение СО; лазера фокусируется с помощью линзы и направляется на зонд в нужном мссте. Кварц в этом месте нагревается, размягчается и зонд изгибается.

а) б) г)

Рис, 5, Процесс изгибания зонда при лазерном нагреве. а)-зонд начинает поглощать

излучение СО; лазера, 5)-зонд начинает изгибаться, г)-прекращение облучения при

достижении нужного угла изгиба.

Исследование кинетики вытяжки МП осуществлялось методом микро-

нидеосьёмки с помощью видеокамеры ОНгприз с-5 0 50 го от,

скомбинированной с микроскопом МБС-9 с увеличением 32*.

Анализ экспериментальных результатов видеосъемки процесса вытяжки показал, что процесс лазерной иытяжки состоит из четырех стадий (рис.6):

• нагрев обрабатываемого участка стеклянного капилляра излучением ССЬ-лазера в течение некоторого промежутка времени без явных изменений диаметра капилляра (рис. 6а);

• медленное плавное утончение зоны нагрева (рис. 66);

• быстрое уменьшение диаметра (рис. бе);

• разрыв капилляра с образованием МП (рис. 6г).

Рис. 6, Стадии формирования МП, Фотографии взяты из видео фильма процесса

вытяжки Mil

По полученным данным видеосъемки были определены временные параметры процесса вытяжки наконечников МП. На рис. 7 представлены экспериментально полученные зависимости изменения длины L и диаметра D капилляра в зоне вытяжки от времени t.

î>.L(mm)

Базируясь на технологий цытяжки, предложена лазерная технология изготовления гибридных метал лостеклянных зондов. 13 зависимости от температур материала капилляра и металла, при вытяжке можно получить разные модификации метал лостекл ян пых зондов.

При использовании кварцевого капилляра и меди (или нихрома), температура плавления которых меньше температуры размягчения кварца, можно получить нан о электрод. Технологию лазерной вытяжки наноэлектрода можно разделить в следующие этапы: !, Расплавление металла излучением умеренной мощности гак, что его расплав заполняет кварцевый капилляр (рис, 8а).

2. Вытяжка при большой мощности излучения (рис. 86).

3, Обрыв и формирование зонда (рис. 8в).

а б »

Рис. 8. Этапы лазерной вытяжки гибридных метаалостсклянных зопдои

При использовании опросиликатного капилляра и меди (или нихрома), температура плавления которых больше температурь: размягчения стекла, можно получить гибридные зонды с выступающим металлическим острием (рис. 9).

40 мкм ,

Ш Ш^ШЩ&Ш^Ш&ШШ /

Рис, 9. Фотографии наконечника гибридных металлосгеклянных зондов

В работе предложен метод изготовления ближн спального Трехслойного зонда, который состоит из кварцевой оболочки, металлического слоя и кварцевого волокна - сердцевины. При вытяжке трехслойной заготовки получены трехслойные зонды, которые не нуждаются в металлизации. Кроме того, металлический слой находится между двумя защитными слоями, поэтому он имеет большую лучевую стойкость.

Для анализа экспериментальных закономерностей и оптимизации режима вытяжки построена математическая модель процесса вытяжки зондов. Поведение стекла при растяжении описано моделью Ньютона, согласно которой изменение относительной деформации е во времени пропорционально действующему напряжению а и обратно пропорционально вязкости стекла д.

Рис. 10 Теоретическая зависимость внешнего диаметра капилляра от удлинения.

Кружками отмечены экспериментальные данные При постановке задачи считается, что гоня имеет равномерное распределение температуры Т по сечению и растягивается под действием силы Р. При растяжении происходит выход нагретых участков зонда из области лазерного воздействия из-за увеличения длины зонда, что

t5

приводит к изменению температурного под я. Тегшовая задача решена методом конечных разностей. В расчете использована зависимость вязкости стекла от температуры, и рассмотрено также изменение силы растяжения ио времени. Пример результата расчета представлен на рис.10.

Глава ГУ посвящена методам аттестации полученных зондов. Традиционными являются электронно-мйкроскопический и косвенный методы. Фотографии БОЗ с помощью электронного микроскола представлены на рис. 4. Видно, что по этим фотографиям можно определить размер апертуры зонда.

Для аттестации косвенным методом, было применено измерение тест-решетки ТОТ! ла СЗМ «NatóoBducator» с использованием исследуемых зондов. Тест-решетка TGT1, которая изготовлена фирмой НТ-МДТ, представляет собой матрицу иголок высотой 300 - 500 нм и размером острия меньше Юнм на силикатной подложке. Она предназначена для трехмерной визуализации сканирующим острием.

Результаты, подученные с помощью двух указанных методов, представлены на рис. 11.

Znfn

X и*

Рис. I!. Электронно-микроскопическая фотография ВОЗ и его трехмерное изображение на СЗМ ШпоЫисаЮг Размер острия составляет - 320 нм.

Другим методом аттестации зондов, реализованным в данной работе, является метод определения апертуры БОЗ по распределению интенсивности в дальней зоне Этот оптический метод может быть применен только для ближнепольных оптических зондов

Из теории распространения света известно, что при известном световом поле в дальней зоне, путем обратного Фурье преобразования, можно восстановить распределение в плоскости апертуры Это распределение не представляет полное световое поле в плоскости апертуры, так как оно не включает в себя эванесцентные волны Тем не менее, для характеризации апертуры, оно вполне применимо

Схема установки для регистрации распределения интенсивности приведена на рис 12 Выходящее из БОЗ лазерное излучение прямо направляется на ПЗС матрицу и регистрируется ей

ПЗС матрица

Рис 12 Схема экспериментальной установки для регистрации излучения от зонда в

дальнем поле

Для точного восстановления светового поля в плоскости апертуры необходимо знать распределение дальнего поля на целой плоскости Конечно, регистрация не может быть проведена на всей плоскости, и этого не требуется, поскольку интенсивность излучения при большом угле имеет малое значение, которым можно пренебречь В методике регистрации излучения зонда в дальней зоне, разработана программа управления ПЗС

матрицей - устройством регистрации, которая расширяет диапазон чувствительности. Это означает, что с использованием программы будет зарегистрировано больше информации о распределения интенсивности в дальней зоне, поэтому световое поле в плоскости апертуры будет восстановлено более точно.

Для расширения диапазона регистрируемых осве:ценностей, применен метод изофотометрии, который основан на получении серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции, в форме совокупности фотометрических сечений (изофот), соответствующих различным уровням равной освещенности.

200 ШП

Рис. 13- а)- Распределение интенсивности ВОЗ в дальней зоне, регистрируемое без использования метода изофотометрин б), изображение изофот. в)- Распределение иитенсийнисти й дальнем попг, полученное с помощью метода иадфотометрии. г)-восстановленное поле на плоскости апертуры, и д)- ein сечение по центру.

Распределение интенсивности в дальней зоне, регистрируемое без и с использованием метода гоофотометрш приведено на рис.13. Восстановленное поле на плоскости апертуры и его профили показаны на рис. 13г, д. По профилям определено, что размер апертуры составляет порядка 300-350 нм, что совпадает с приведенными выше результатами, полученными Электронно-микроскопическим и косвенным методами.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты и перспективы развития данной работы

1. Основными параметрами, определяющими качество нанозондов и их форму, являются равномерность зоны лазерного воздействия и ее размеры Реализованы оптические схемы на основе тороидального зеркала для формирования кольцевой зоны нагрева образцов, обеспечивающие их высокое качество и воспроизводимость параметров Обосновано применение обратной связи по удлинению зондов для улучшения их качества

2 Проведено исследование кинетики формообразования с помощью видеосъемки Выявлены основные стадии процесса вытяжки нанозондов Разработана технология лазерной вытяжки гибридных металлостеклянных и трехслойных зондов

3. Разработана математическая модель процесса вытяжки зондов, учитывающая нестационарность лазерного нагрева и позволяющая проводить анализ влияния размера области нагрева, мощности излучения и растягивающей силы на параметры сформированных зондов

4 Разработана экспериментальная установка для формирования нанозондов из кварцевых волокон и стеклянных капилляров на базе теплового нагрева С02-лазера и механической вытяжки с обратными связями по удлинению.

5 Предложена методика измерения распределения интенсивности излучения БОЗ в дальней зоне Написана программа управления ПЗС матрицей на основе метода изофотометрии для расширения диапазона регистрируемых освещенностей При этом перепад регистрируемой интенсивности повышается с 102 до 103-104

6 Реализован оптический метод определения размера апертуры БОЗ по распределению интенсивности излучения зонда в дальней зоне Размер апертуры, измеренной этим методом, составил 300-350 нм

7 Использование заостренного волокна в качестве зонда СЗМ NanoEducator для сканирования тест-объектов с целью контроля параметров острия по получаемым изображениям дало аналогичные предыдущим результаты

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1 Зыонг 3 В, Марковкина Н Н, Яковлев Е Б Математическое моделирование процесса лазерной вытяжки микропипеток//Известие вузов Приборостроение -2003 -Т 46 -№6 -С 42-45

2 Вейко В П., Зыонг 3 В , Марковкина Н Н, Яковлев Е Б. Лазерная вытяжка микропипеток различного назначения// Известие вузов. Приборостроение -2004.-Т47 -№10 -С 20-25

3 Зыонг 3 В, Марковкина Н Н Микропипетки основные приложения//Сборник научных трудов конференции «Современные направления приборостроения, информационных и гуманитарных наук», СПбГУИТМО - 2004 -С 283-288

4 Zung V Z , Markovkma N N, Veiko V.P , Yakovlev E В Laser-assisted of formation micropipettes for biomedicine //Proceedings of SPIE -2004.-Vol 5399.-P 245-252

5 Вейко В П, Зоынг 3 В , Яковлев Е Б , Экспериментальная установка с обратной связью для лазерной вытяжки нанозондов// Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, выпуск 20 современные технические решения -СПб 2005 -С 73-77.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Сабяинская ул, 14 Тел (812) 233 4669 Объем 1 улл Тираж 100 экз

Введение.

Глава 1 Сканирующая зондовая микроскопия (Обзор литературы).

1.1. Сканирующая туннельная микроскопия.

1.2. Электросиловая микроскопия.

1.3. Сканирующая электрохимическая микроскопия.

1.4. Сканирующий микроскоп на ионной проводимости.

1.5. Ближнепольная оптическая микроскопия.

1.6. Безапертурная Рамановская микроскопия.

1.7. Постановка задачи.

Глава 2 Лазерные установки для вытяжки нанозондов.

2.1. Историческое развитие метода вытяжки.

2.1.1. Пуллер Du Bois.

2.1.2 Пуллер Lingviston.

2.2. Принцип лазерной вытяжки зондов.

2.2.1. Лазерная вытяжка зондов: принцип и достоинства.

2.2.2. Технологические проблемы при лазерной вытяжке зондов.

2.3. Лазерная установка с фокусирующей линзой.

2.4. Лазерная установка с кольцевой оптикой.

2.4.1. Установка с использованием сферического зеркала.

2.4.2. Схемное решение для двусторонней вытяжки на основе тороидального зеркала.

2. 5. Лазерная установка с обратной связью.

2.6. Выводы.

Глава 3 Создание разных типов зондов.

3.1. БОЗ на основе оптического волокна (прямой и изогнутый).

3.1.1. Параметрические характеристики БОЗ.!.

3.2.2 Лазерная вытяжка БОЗ из кварцевого волокна.

3.3.3 Изогнутые зонды.

3.2. Стеклянные микро- и нано-пипетки.

3.2.1. Особенности формирования МП.

3.2.2. Исследование кинетики вытяжки МП.

3.3. Гибридный металло-стеклянный зонд.

3.3.1. Лазерная вытяжка металлостеклянных зондов.

3.3.2. Гибридный металлостеклянный зонд с выступающим металлическим острием.

3.3.3 Трехслойный БОЗ.

3.4. Математическое моделирование.

3.5. Выводы.

Глава 4. Контроль параметров апертуры БОЗ.

4.1 Аттестация параметров апертуры зондов с помощью электронного микроскопа.

4.2 Непосредственный анализ характеристик зонда в СЗМ по тест-объекту

4.3 Оптический метод контроля по распределению излучения зонда в дальнем поле.

4.3.1. Теоретическая концепция ближнепольной оптики для СБОМ

4.3.2 Описание экспериментальной установки и методики регистрации распределения в дальнем поле.

4.3.3. Результат измерения и обсуждение.

4.3.4. Оптический метод определения размера апертуры БОЗ.

4.4.Выводы.

Прогресс в познании строения вещества неразрывно связан с возможностью визуализации описывающих его параметров с максимально осуществимым пространственным и временным разрешением. Следующим шагом познания является попытка использования полученных знаний для построения новых функциональных структур (схем памяти, микропроцессов, излучателей, приемников и преобразователь света, звука, различных типов сенсоров, новых материалов) максимально возможной информационной мощности, улучшения качества производимых продуктов, создания новых технологий.

На каждом этапе развития существуют инструментальные и экономические ограничения выражающиеся, в конце концов, в уровне и качестве продукции на данном этапе развития цивилизации.

В настоящее время появилась техническая возможность сдвинуть ограничения на пространственное разрешение измерительных и исполнительных инструментов в нанометровую и субмикрометровую область размеров, что и создало предпосылки развития в направлениях нанотехнологии, молекулярной технологии, наноэлектроники, базирующих на возможности оперировать с веществом на уровне молекул, молекулярных кластеров и отдельных атомов.

Для развития субмикронной технологии и нанотехнологии требуется создание прецизионных контрольно - измерительных инструментов, которые могли бы как контролировать свойства функциональных элементов и сред, так и формировать и ремонтировать активные структуры. Потребность в таких средствах обеспечивают сканирующие зондовые микроскопы.

Сканирующие зондовые микроскопы это приборы для изучения свойств поверхности при помощи твердотельных заостренных зондов с разрешением, определяемым параметрами зонда, в процессе их взаимного перемещения по заданным алгоритмам.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии - технологии создания структур с нанометровыми масштабами.

Прошедшее десятилетие показало, что зондовые микроскопы нашли широкое применение в научных исследованиях в различных областях физики, химии, биологии, медицины и материаловедения. Зондовые микроскопы применяют в качестве контрольно-измерительной аппаратуры при производстве сложных интегральных схем и перспективных носителей информации (магнитные, магнитооптические и лазерные диски).

Одним из основных элементов, определяющих разрешение и качество СЗМ изображения, является зонд. Именно размер острия зонда определяет разрешение зондовых микроскопов. Зонды могут быть разны для различных видов СЗМ. Например, металлическое острие для туннельного, электросилового и Рамановского микроскопов. Кантилевер - балка в виде прямоугольного параллелепипеда или в виде двух балок, соединенных под некоторым углом, с зондом (острием) на одном из ее концов, для силовых микроскопов. Пипетка для микроскопов на ионной проводимости. Электрод - металлическое острие со стеклянной оболочкой для электрохимического микроскопа. Заостренное волокно с металлическим покрытием для ближнепольного оптического микроскопа и.т.д. Разработка лазерной технологии изготовления и исследование процесса формирования различных типов зондов и являются целей этой работы.

Лазерная технология изготовления острия (зонда) базируется на вытяжке заготовки - образца при тепловом нагреве, где лазерное излучение служит источником тепла. Метод тепловой вытяжки впервые применяется в начале 20-го века для изготовления микропипеток из стеклянных капилляров для применения в области физиологии. На первом этапе развития, в качестве источника тепла использованы газовое племя и нить накаливания. В настоящее время распространяется лазерная вытяжка, при которой можно добиться нужной температуры в короткое время, можно контролировать размер зоны нагрева, и.т.д.

Структурно диссертационная работа состоит из четырех глав, трех приложений, вводного и заключительного раздела, а так же списка использованной литературы.

В первой главе диссертационной работы проводится анализ литературы, описанный принцип работы различных типов ЗСМ и соответственно требование к используемым зондам. Также осуществляется постановка задачи изготовления различных типов зондов методом лазерной вытяжки.

Во второй главе рассматривается историческое развитие конструкции для вытяжки. Показан принцип метода лазерной вытяжки и его преимущество над другими. Разработан ряд оптических схем, реализующих равномерный нагрев образца на основе: 1) фокусирующей линзы; 2) сферического зеркала, осуществляющего фокусировку лазерного пучка под довольно острым углом к оси образца; 3) тороидального зеркала, фокусирующим луч под прямым углом к оси заготовки. Представлен расчет конструктивных параметров и фокусирующих свойств тороидального зеркала.

В третьей главе диссертационной работы проведен результат эксперимента. Разработана технология лазерной вытяжки для изготовления ряда различных зондов на основе стеклянного и кварцевого материалов. Это прямой и изогнутый БОЗ из кварцевого волокна, микропипетки из стеклянных капилляров, гибридный металлостеклянный зонд и трехслойный зонд. Разработана математическая модель процесса вытяжки зондов, учитывающая нестационарность лазерного нагрева и позволяющая проводить анализ влияния мощности излучения и растягивающей силы на параметры сформированных зондов.

В четвертой главе проведены методы аттестации качества зондов (размера и формы острия), в том числе традиционные методы -использование электронного микроскопа и косвенная аттестация острия на СЗМ путем сканирования тест-объектов. Реализован оптический метод аттестации БОЗ по распределению интенсивности в дальней зоне. При этом разработана методика измерения распределения с повышенным диапазоном освещенности, которая базируется на методе изофотометрии.

В приложении 1 приводится подробный алгоритм для численного решения математической модели процесса вытяжки зондов. Эта задача решена методом конечных разностей. При этом зона облучения разбивается на равные части так, что температура каждой части постоянна. Поглощение излучением и деформация каждой части рассматриваются через каждый постоянный интервал времени. Программа написана на программе MatLab 6.5.

В приложении 2 описана основа изофотометрии и ее применение для разработки метода измерения распределения интенсивности БОЗ с повышенным диапазоном освещенности, который основан на получении серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции, в форме совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням равной освещенности.

В приложении 3 приводятся электронно-микроскопические фотографии зондов и картинки, иллюстрирующие их применения для исследования топографии поверхностей твердого тела.

На защиту выносятся следующие оригинальные научные результаты

1. Основными параметрами, влияющими на форму и качество зондов при их механической вытяжке с лазерным нагревом, являются: не только плотность мощности лазерного излучения, распределение интенсивности излучения и размер зоны воздействия, а также закон изменения силы растяжения при вытяжке во времени.

2. Математическое описание процесса вытяжки, основанное на модели деформации вязких тел Ньютон с учетом зависимости вязкости rj(T) и реальность хода T{t) позволяет адекватно описать процесс вытяжки и проанализировать роль реальных технологических факторов на параметры зондов.

3. Распределение интенсивности в дальнем поле характеризует размер и форму апертуры ближнепольного зонда.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем

1. Разработан действующий макет экспериментальной установки для изготовления нанозондов различных типов, который может служить прототипом автоматизированной промышленной установки.

2. Разработана лазерная технология изготовления гибридных металло-стеклянных и трехслойных зондов, которые могут использоваться во многих видах СЗМ.

3. Предложен метод аттестации ближнепольных зондов по распределению дальнего светового поля.

4. Разработка бизнес - плана коммерческих технологий лазерной вытяжки ближнепольных оптических зондов.

Основные результаты и перспективы развития данной работы:

1. Разработана экспериментальная установка для формирования нанозондов из кварцевых волокон и стеклянных капилляров на базе теплового нагрева СОг-лазера и механической вытяжки гравитационным, упругим и электромагнитным способами.

2. Основными параметрами, определяющими качество нанозондов и их форму, являются равномерность зоны лазерного воздействия и ее размеры. Предложены оптические схемы на основе тороидального зеркала для формирования кольцевой зоны нагрева образцов, обеспечивающие их высокое качество и воспроизводимость параметров. Установлена обратная связь по методу контроля удлинения зондов для улучшения их качества. Представлен расчет конструктивных параметров и фокусирующих свойств тороидального зеркала.

3. Проведено исследование кинетики формообразования с помощью видеосъемки. Выявлены основные стадии процесса вытяжки нанозондов. Разработана технология лазерной вытяжки зондов разных типов, особенно гибридных металло-стеклянных и трехслойных зондов.

4. Разработана математическая модель процесса вытяжки зондов, учитывающая нестационарность лазерного нагрева и позволяющая проводить анализ влияния мощности излучения и растягивающей силы на параметры сформированных зондов.

5. Разработана методика измерения распределения интенсивности излучения БОЗ в дальней зоне. Написана программа управления ПЗС матрицей на основе метода изофотометрии для расширения ее диапазона регистрируемых освещенностей. При этом перепад регистрируемой интенсивности повышается от 102 до 103-104.

6. Реализован оптический метод определения размера БОЗ. Распределение интенсивности излучения зонда в дальней зоне, регистрированное новой методикой, содержит большое количество информации, достаточное для восстановления светового поля в апертуре.

7. Использовано заостренное волокно в качестве зонда СЗМ NanoEducator для сканирования тест-объектов с целью контроля параметров острия по получаемым изображениям.

Заключение

1. G.Binnig, H.Rohrer Scanning tunneling microscopy. // Helv. Phys. Acta, v. 55, №6,p. 726-735(1982).

2. G.Binnig, H.Rohrer, Ch.Gerber, E.Weibel Tunneling through a controllable vacuum gap. // Appl. Phys. Lett., v. 40, p. 178 (1982).

3. H.K. Wichramasinghe., "Progress in scanning probe microscopy", Acta materiala, 48, p. 347-358 (2000).

4. B.JI. Миронов, «Основы сканирующей зондовой микроскопии», РАН, Институт физики микроструктур, 2004г

5. Д.И. Блохинцев., «Основы квантовой механики», Москва, «Наука», 1983 г.

6. Л.Д. Ландау, Е.М Лифшиц., «Теоретическая физика том 3 Квантовая механика», М.: «Физматлит», 2001, 804 с.

7. J.G. Simons., "Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film". J. Appl. Phys., 34,1793 (1963).

8. J.G. Simons., "Electric tunnel effect between dissimilar electrodes separated by thin insulating film", J. Appl. Phys., 34, 2581 (1963).

9. Paul Girard, "Electrostatic force microscopy: principles and some application to semiconductors", Nanotechnology 12 (2001), 485-490.

10. J.R. Matey, J.Blanc,. "Scanning capacitance microscopy", J. Appl. Phys., v. 57, №5, p. 1437-1444(1985)

11. M. Nonnenmacher, M.P. O'Boyley, H.K. Wikramashinghe., "Keivin probe force microscopy", Appl. Phys. Lett., 58 (25), 2921-2923 (1991)

12. B. Stiller, P.Karageorgiev, et al "Scanning Kelvil microscopy as a tool for visualization of optically induced molecular switching in azobenzene self assembling films". Surf. Interface Anal. 30, 549-551, (2000)

13. B. Ballesteros Katemann, A. Schulte, W. Schuhmann. "Constant Distance Mode Scanning Electrochemical Microscopy Part I: Adaptation of non-opticalshear-force based positioning mode for SECM tips", Che. Eur. J. 9 (2003) 2025 -2033.

14. Andrew I. Shevchuk et al «Simultaneous Measurement of Ca2+ and Cellular Dynamics: combined Scanning Ion Conductance and Optical Microscopy to Study Contracting Cardiac Myocytes». Biophysical Journal, V 81, September 2001, p 1759-1764

15. Yuri E. Korchev, C. Lindsay Bashford, Mihailo Milovanivic, Igor Vodyanoy, and Max J. Lab, "Scanning ion Conductance Microscopy of Living Cells", Biophysical Journal, Vol. 73, (August 1997), 653-658.

16. Synge E.H., Philos. Mag. (1928) 6,356.

17. D.W. Pohl, W. Denk, M. Lanz., "Optical spectroscopy: image recording with resolution A/20", Appl. Phys. Lett., v. 44, p. 651-653 (1984).

18. U. Durig, D.W. Pohl, F. Rohrer., "Near field optical scanning microscopy", J. Appl. Phys. 59 (10)3318-3327, 1986.

19. Khaled Karrai, Robert D. Grober, "Piezoelectric tip-distance control for near field optical microscopes", Appl. Phys. Lett. 66(14), 3 April 1995, 1842 1844.

20. P.K. Wei, W.S. Fann., "The probe dynamics under shear force in near-field scanning optical microscopy", J. Appl. Phys., v. 83, №7, p. 3461-3468 (1998).

21. D.G. Volgunov, A.V. Buryukov, S.V. Gaponov, V.L. Mironov., "Probe-surface interaction in the piezo-resonator 'shear force' microscope", Physics of Low-Dimensional Structures, № 3/4, p. 17-23 (2001).

22. D. Couijon, C. Bainier., "Near field microscopy and near field optics", Rep. Prog. Phys. 57, p. 989- 1028 (2001).

23. Jahnckle C.L., et al,Appl. Phys. Lett. (1995) 67 (17), 2483.

24. Stockle.S.M et al, Chem. Phys. Lett. (1995) 67 (17), 2483

25. Nie S., and Emory S. S, Science (1997) 275, 1102.

26. Kerker M, et al. Appl. Opt. (1980), 19 (19), 3373.

27. Brown K.T., Flaming D.G. «Advanced micropipette techniques for cell physiology». Department of Physiology University of California, 1995.

28. Ю. И. Посудин, «Биофизик Сергей Чахотин», Киев: Изд-во Нац. Аграрного ун-та, 1995. 98 с.

29. Du Bois D. A machine for pulling glass micropipettes and needles//Science. 1931.-Vol. 73. P.344-345

30. Livingston L.G., Duggar B.M. Experimental procedures in a study of the location and concentration within the host cell of the virus of tobacco mosaic// Biol. Bull.1934.-Vol. 67. P.504-512

31. V.P. Veiko, N.B. Voznesensky, Y.M. Voronin, N.N. Voznesenskya, N.N. Markovkina, V.A. Chuiko, «Laser-based micropipettes: design, technology and applications» SPIE, 4157, p. 174 -182, 2000.

32. Kalachev A.I., Smirnov I.B., Veiko V.P. et al. Pecularities of laser-assisted drawing-out processing of optical probes for SNOM. Proc. SPIE. V. 3822, pp. 199-206. (1999).

33. Atlasov K.A., Kalachev A.I., Yakovlev E.B., Veiko V.P. Laser technology of shaping the near-field optical probes with submicron scale tip. Proc. SPIE, Vol. 4157, 2000, p. 166-173

34. K.A. Atlasov, V.P. Veiko, A.I. Kalachev " Technology Optimization of the Laser Assisted SNOM - Tips Stretching ".Proceedings of SPIE, V. 5399, p.63-68,2003

35. Арсланов Наркис Мусавирович, «Нанооптика ближнеполевой микроскопии: эффекты распространения светового поля в сужающемся субволновом зонде», автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Казань 2006.

36. L.Novotny, D.W. Pohl, В. Hecht, Scanning Near-Field Optical Probe with Ultrasmall Spot Size., Optics Letters., Vol. 20., No. 9., May 1., 1995., 970-972.

37. E. Betzig and J. K. Trautman, Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit,\\ Science, 257, pp. 189185,1992.

38. Дряхлушин В.Ф., Климов А.Ю., Рогов B.B., Филатов Д.О., Зонды для сканирующего ближнепольного микроскопа.\\ Сборник материалов всероссийского совещания «Зондовая микроскопия-99», Н.Новгород, 10-13 марта 1999г. С.121-124.44. М. Борн, «Основы оптики».

39. Н. Bethe, "Theory of Diffraction by Small Holes", Phys. Rev. 66. 163. (1944).

40. C.J Bouwkamp, "On Bethe's Theory of Diffraction by Small Holes", Philips Res. Rep. 5. 321-332.(1950).

41. DV Labeke, D. Barchiesi, F. Baida, ""Optical characterization of nanosources used in scanning near-field optical microscopy" J. Opt. Soc. Am. A, 12, 695-703 (1995)

42. G.A.Valaskovic, M.Holton,and G.H.Morrison, Parameter Control, Characterization, and Optimization in the Fabrication of Optical Fiber Near-Field Probes, Applied Optics., Vol. 34, No. 7, March 1, 1995, 1215-1228.

43. Yatsui, Kourogi M, Tsutsui K, Ohtsu M. Enhancing throughput over 100 times by a triple-tapered structure for near-field optical probe.W Proc.SPIE,1998, v.3467, pp.89-98.

44. Жданов Г.С. Влияние формы и шероховатости острия на эффективность освещения образца в ближнем поле.\\ Поверхность, 1999, н.7, С.91-94.

45. Yinli Li, Shifa Wu, Pengfei Li, Jian Zhang, Shi Pan, "Tapping mode atomic force microscope combined with reflection scanning near-field optical microscope (AF/RSNOM)", Optics Communications Volume 258, Issue 2, p. 275-279 (2006)

46. Чизмаджев Ю.А. «Как сливаются биологические мембраны» Соровский Образовательный Журнал. 2001. T.7.N 5.С.4-9

47. Julia Gorelik, Yuchun Gu et al, "Ion Channels in Small Cells and Subcellular Structures Can Be Studied with a Smart Patch-Clamp System", Biophysical Journal, Vol. 83, December 2002, 3296-3303.

48. Roger Proksch, Ratnesh Lai, Paul K. Hansma, Dan Morse, and Galen Stucky, "Imaging the Internal and External Pore Structure of Membranes in Fluid: Tapping Miode Scanning Ion Conductance Microscopy", Biophysical Journal, Vol. 71, October 1996, 2155-2157.

49. L.Novotny, A.Hartschun, M.Anderson, "Near-field Raman spectroscopy using a sharp metal tip". Journal of Microscopy, Vol. 210, Pt 3 June 2003, pp. 234-240.

50. Hartschuh A., et al., "High-Resolution Near-Field Raman microscopy of single-walled carbon Nanotubes", Phys. Rev. Lett (2003) 90(9), 095503.

51. Yuanhua Shao, Michael V. Mirkin, Galina Fish, Sofia Kokotov, Daniel Palanker, and Aaron Lewis. "Nanometer-Sized Electrochemical Sensors". Anal. Chem. 1997,69,1627-1634.

52. Raoul Stockle, Christian Fokas, Beate Sick, High-quality near-field optical probes by tube etching, Appl.Phys.Lett.,Vol.75, No.2,12 July 1999.

53. Атласов K.A., Вейко В.П., Калачев А.И., Капорский JI.H., Яковлев Е.Б. «Экспериментальные и теоретические исследования процесса лазерной вытяжки оптических ближнепольных зондов». Известия РАН. Сер. физическая, 2001, том 65, №6, с. 941 945.

54. Мазурин О.В, Стрельцина М.В, Швайко-Швайковская Т.П. «Свойства стекол и стеклообразующих расплавов» справочник том 3. Наука, Ленингр. отд. 1977. 586 стр.

55. S. Hosaka, Т. Shintani, A. Kikukawa & К. Iton, "Evaluation of nano-optical probe from scanning near-field optical microscope images", Journal of Microscopy, Vol. 194, pt 2/3, pp. 369-373 (1999)

56. A. P. Chuklanov, A. A. Bukharaev, and P.A. Borodin, "Tip-Shape Reconstruction for a Laterally Vibrating SPM Probe", Russian Microelectronics, Vol. 34, No. 5,2005, pp.309-315

57. Christian Obermuller, Khaled Karrai. Far field characterization if diffracting circular apertures // Appl. Phys. Lett. December 1995, 67 (23), p. 3408-3410.

58. Вейко В. П, Вознесенский Н. Б, Гусев А. Е, Иванова Т. В, Родионов С. А, «Возможность определения параметров субдлинноволновых вторичных источников света по характеристикам дальнего поля», Оптический журнал, 1998. Том 65, № 10. С. 49-53.

59. Иванова Т. В., «Разработка математических методов моделирования и восстановления характеристик субдлинноволновых вторичных источников света», диссертация кандидата тех. наук., ИТМО 1999.

60. Зверев В.А., Кирилловский В.К., Сокольский М.Н. Исследование качества изображения оптических систем методом изофотометрической фоторегистрации. ОМП, N8, 1976

61. D. J. Shin, A. Chavez-Pirson, S. Н. Kim, S. Т. Jung, and Y. Н. Lee, "Diffraction by a subwavelength-sized aperture in a metal plane", J. Opt. Sco. Am. A., Vol. 18, No 7, July 2001.

62. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л. Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М. Машиностроение. 1987 г

63. Кирилловский В.К. Оптические измерения Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик. СПб ГУ ИТМО. СПб., 2005.

64. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л. Машиностроение. 1984 г.