Лазерный мир

А.О. Голубок, В.В. Левичев, В.Н. Матыжонок, А.В. Стовпяга // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68), С: 64-67, УДК 53.084.2

Создан пьезорезонансный датчик с микрозондом на основе стеклянной пипетки для сканирующей микроскопии токов ионной проводимости. Измерена резонансная частота и добротность датчика в воздушной и жидкой средах. Для улучшения латерального разрешения микрозонда на торце пипетки с помощью фокусированного ионного пучка сформирован нановыступ. С использованием тестовой решетки продемонстрировано пространственное разрешение микрозонда с нановыступом. Сделан вывод о возможности использования микрозонда в жидкой среде с одновременной работой в полуконтактной силовой моде и в моде измерения ионных токов.

Введение
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из основных инструментов нанотехнологий. С помощью СЗМ решают разнообразные задачи, связанные с исследованием и модификацией объектов различной природы как в вакууме, так и в газообразных и жидких средах. Широкий спектр задач обусловливает возникновение различных методик, учитывающих специфику природы исследуемых образцов и окружающей среды. Для исследования с субмикронным разрешением мягких материалов, находящихся в растворе электролита, была разработана методика, получившая название сканирующей микроскопии токов ионной проводимости (СМТИП) [1]. С помощью методики СМТИП получают карту ионных токов, протекающих над поверхностью образца, используя стеклянную микропипетку в качестве зонда.
СМТИП позволяет визуализировать мягкие биологические объекты, функционирующие в жидкой среде с ионной проводимостью, а также поры в искусственных мембранах. Используя СМТИП, можно получить детальную информацию о 3D структуре образца и важные данные о функционировании биологических клеток [2]. Изучение кинетики и пространственного распределения ионных токов в клеточных мембранах дает возможность регистрировать биологические процессы в реальном времени. Исследование потока ионов, проходящих через поры в искусственных мембранах, позволяет получить экспериментальные данные, необходимые для создания технологий электрохимических топливных элементов и диализа.
Целью данной работы явилось создание и исследование зонда для СМТИП, позволяющего измерять ионные токи с одновременной визуализацией поверхности в полуконтактной силовой моде. Для улучшения пространственного разрешения зонда в полуконтактой силовой моде была поставлена задача формирования на торце стеклянной микропипетки с помощью технологии фокусированного ионного пучка (ФИП) острия с нанометровыми размерами. В настоящее время технология ФИП широко используется для микро- и наномодификации различных материалов. Обычно для этой цели используются сфокусированные в тонкий пучок ионы галлия. Визуализация процесса обработки наноострия возможна за счет одновременного сканирования области обработки электронным пучком. Такая технология реализуется в двухлучевом микроскопе-литографе «Zeiss Crossbeam 1540 XB», использованном в данной работе.

Эксперимент
Конструкция датчика для сканирующего зондового микроскопа представляет собой модификацию пьезорезонансного датчика силового взаимодействия [4]. К свободному концу пьезотрубки приклеена стеклянная микропипетка [5]. Для создания микропипеток использовались стеклянные капилляры из боросиликатного стекла с внутренним диаметром 0,4 мм и внешним диаметром 1,2 мм. Вытяжка капилляров проводилась на лазерной установке, представленной на рис. 2.

В данной схеме использовался CO2 лазер с поперечным разрядом. Расходимость лазерного излучения составила 4 мрад при диаметре пучка 6 мм, мощность излучения – до 20 Вт. Излучение лазера поворотным зеркалом направляется на установку, проходит ZnSe линзу с просветляющим покрытием (фокусное расстояние 75 мм) и падает на заготовку. Линза имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси, поэтому заготовка может обрабатываться как в фокусе лазерного пучка, так и за ним. Часть лазерного излучения поглощается, в результате чего температура небольшой зоны заготовки увеличивается и происходит постепенное расплавление зоны воздействия. Для обеспечения равномерности прогрева заготовки к захватам суппортов подводится вращающий момент от электродвигателя. Скорость вращения двигателя, а, следовательно, и заготовки, можно регулировать в диапазоне скоростей от 0 до 10 оборотов/с. К концам заготовки прикладывается растягивающее механическое усилие, что приводит к образованию зондов в результате разрыва заготовки в точке воздействия лазерного излучения.

Исходная микропипетка, полученная с помощью технологии лазерной вытяжки, имела плоский торец с достаточно большим диаметром – около 11 мкм (рис. 3, а). В результате ионной обработки по технологии ФИП (30 кВ, 300 пА) на торце микропипетки формировался выступ с шириной менее 200 нм (рис. 3, б).

Заключение
Таким образом, применение технологии ФИП позволяет контролируемым образом создавать нановыступ на торце микропипетки, используемой в качестве зонда в СМТИП.

Исследование зонда с помощью тестовой решетки показало, что он обеспечивает пространственное разрешение, аналогичное пространственному разрешению, достигаемому в полуконтактной силовой моде при использовании стандартного вольфрамового зонда, заостренного методом электрохимического травления. Добротность пьезорезонансного датчика со стеклянной микропипеткой близка к добротности датчика с вольфрамовым зондом. Жидкая среда не уменьшает добротность датчика по сравнению с добротностью, получаемой в воздушной среде.
На основании приведенных результатов исследования можно сделать вывод о возможности применения пьезорезонансного датчика с зондом-микропипеткой для измерения пространственного распределения токов ионной проводимости вблизи поверхности образца, находящегося в жидкой проводящей среде, с одновременной визуализацией поверхности в полуконтактной силовой моде с высоким пространственным разрешением.

Полное содержание статьи: http://ntv.ifmo.ru/file/article/695.pdf