Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7345
(13) U
(46) 2011.06.30
(51) МПК
G 01L 1/16 (2006.01)
(54) СЕНСОР ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО
БЛИЖНЕПОЛЕВОГО ОПТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА
(21) Номер заявки: u 20101030
(22) 2010.12.09
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Ясинский Валерий Маркович;
Смирнов Андрей Геннадьевич; Рыже-
вич Анатолий Анатольевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Сенсор поверхности для сканирующего ближнеполевого оптического микроскопа, со-
держащий пьезоэлектрический камертон, зонд, выполненный из оптоволокна с нанораз-
мерным острием на конце, покрытым отражающим излучение слоем алюминия, и жестко
прикрепленный к кожуху камертона вдоль оси камертона в плоскости зубцов камертона,
жесткую перемычку, соединяющую зонд и ближайший к нему зубец камертона для пере-
дачи колебаний от камертона к колеблющейся части зонда от кожуха до острия, причем
размеры, масса и места креплений перемычки и зонда согласованы с собственной частотой
поперечных колебаний колеблющейся части зонда, отличающийся тем, что зонд выпол-
нен из многомодового оптического волокна, пропускающего ультрафиолетовое излуче-
ние, с цилиндрической сердцевиной диаметром 100÷1000 мкм, последние 4÷5 см которого
представляют собой конус с образующей, составляющей угол 0,2÷0,3° c осью этого кону-
са, покрытый слоем алюминия толщиной 90÷110 нм вплоть до наноразмерного острия
зонда, начинающегося при толщине конуса 40÷80 мкм, причем местонахождение и масса
креплений перемычки к камертону и зонду соответствуют возбуждению вынужденных
поперечных колебаний колеблющейся части зонда с частотой, равной любой из гармоник
собственной частоты поперечных колебаний колеблющейся части зонда.
Фиг. 1
BY7345U2011.06.30

2. BY 7345 U 2011.06.30
2
(56)
1. Betzig E., Trautman J.K., Harris T.D., Weiner J.S., Kostelak R.L. Science. - V. 251, 1468,
1991.
2. Khaled Karrai, Robert D. Grober. Piezoelectric tip-sample distance control for near field
optical microscopes. Appl. Phys. Lett. 66 (14), 3 April 1995, P. 1842-1844.
3. Cherkun A.P., Serebryakov D.V., Sekatskii S.K., Morozov I.V. and Letokhov V.S.
Double-resonance probe for near-field scanning optical microscopy. REVIEW OF SCIENTIFIC
INSTRUMENTS, 77, 033703, 2006. - P. 033703-1 - 033703-7.
Предлагаемая полезная модель относится к области оптики и электроники и может
быть использована в ближнеполевой оптической микроскопии для получения оптического
изображения поверхности микрообъектов со сверхразрешением, составляющим несколько
десятков нанометров, а также позволит применять методы оптической спектроскопии для
локальных исследований микробиологических и полупроводниковых объектов, модифи-
цировать поверхности при сверхплотной записи информации и нанолитографии, избира-
тельно воздействовать на элементы биоструктур.
В настоящее время для исследования объектов, размер которых меньше дифракцион-
ного предела обычной оптики (т.е. 1,22 λ/2n, где λ - длина волны света, n - показатель
преломления), широко используются сканирующие ближнеполевые оптические микро-
скопы (СБОМ). Принцип работы СБОМ заключается в сканировании поверхности образца
зондом, который является источником (или приемником) оптического излучения с разме-
рами, много меньшими длины волны света, на столь же малом расстоянии от поверхности
(в ближнем поле). Это позволяет преодолеть дифракционный предел и получать сверхраз-
решение от рекордных 12 [1] до нескольких десятков нанометров. В ряде модификаций
СБОМ в качестве сенсоров поверхности (сенсоров силы) используют устройства на осно-
ве пьезоэлектрического вилочного камертона и зонда с острием, минимально достижимый
размер которого составляет несколько десятков нанометров.
Известен сенсор поверхности для СБОМ, состоящий из пьезоэлектрического камерто-
на и зонда в виде покрытого алюминием, цилиндрического по форме одномодового опти-
ческого волокна диаметром 125 мкм, прикрепленного к одному из зубцов камертона [2].
На конце волокна имеется коническое заострение длиной несколько десятков микромет-
ров, полученное химическим травлением в мениске смачивания на границе двух жидко-
стей со специально подобранными коэффициентами смачивания и покрытое затем тонким
слоем алюминия. Ввод излучения в данное волокно, имеющее сердцевину малого диамет-
ра 5÷10 мкм, вызывает определенные технические трудности, велики потери энергии из-
лучения при вводе, кроме того, данное волокно не пропускает излучение с длиной волны в
ультрафиолетовой области спектра.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является сен-
сор [3], состоящий из пьезоэлектрического камертона и зонда в виде оптического волокна
диаметром 125 мкм, жестко прикрепленного к кожуху камертона и соединенного жесткой
перемычкой с ближайшим зубцом камертона вдоль оси камертона в плоскости зубцов ка-
мертона и имеющего наноразмерное острие, покрытое тонким слоем алюминия. Пере-
мычка служит для передачи колебаний от камертона к колеблющейся части зонда (т.е. от
места жесткого крепления к кожуху до острия), причем размеры, масса и места креплений
перемычки и зонда согласованы с собственной частотой поперечных колебаний колеблю-
щейся части зонда таким образом, что частота колебаний камертона соответствует второй
гармонике собственной частоты поперечных колебаний колеблющейся части зонда. Однако,
несмотря на согласование частот, способствующее частичному сохранению добротности
колебательной системы сенсора, колеблющаяся часть зонда все же имеет довольно боль-
шую массу, что заметно уменьшает добротность колебательной системы сенсора и, как

3. BY 7345 U 2011.06.30
3
следствие, снижает его чувствительность. Кроме того, данный зонд также не пропускает
ультрафиолетовое излучение.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение функций сенсора по-
верхности (силы) СБОМ при условии эффективного ввода в зонд сенсора оптического из-
лучения, возможности передачи по зонду ультрафиолетового излучения, минимизации
потерь чувствительности сенсора, происходящих по причине сравнительно большой мас-
сы вибрирующей части зонда.
Предлагаемый сенсор поверхности для сканирующего ближнеполевого оптического
микроскопа включает следующие элементы: пьезоэлектрический камертон, зонд, выпол-
ненный из оптоволокна с наноразмерным острием на конце, покрытым тонким слоем
алюминия, и жестко прикрепленный к кожуху камертона вдоль оси камертона в плоскости
зубцов камертона, жесткая перемычка, соединяющая зонд и ближайший к нему зубец ка-
мертона для передачи колебаний от камертона к колеблющейся части зонда от кожуха до
острия, причем размеры, масса и места креплений перемычки и зонда согласованы с соб-
ственной частотой поперечных колебаний колеблющейся части зонда.
Устройство обладает следующими отличительными признаками: зонд, выполненный
из многомодового оптического волокна, пропускающего ультрафиолетовое излучение, с
цилиндрической сердцевиной диаметром 100÷1000 мкм, последние 4÷5 см которого пред-
ставляют собой конус с образующей, составляющей угол 0,2÷0,3° с осью этого конуса,
покрытый слоем алюминия толщиной 90÷110 нм вплоть до наноразмерного острия зонда,
начинающегося при толщине конуса 40÷80 мкм, местонахождение и масса креплений пе-
ремычки к камертону и зонду, соответствующие возбуждению вынужденных поперечных
колебаний колеблющейся части зонда с частотой, равной любой из гармоник собственной
частоты поперечных колебаний колеблющейся части зонда.
Сущность полезной модели поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана схема пред-
лагаемого устройства, на фиг. 2 приведена фотография одного из экземпляров предлагае-
мого устройства, реализованных авторами настоящей заявки для исследования эксплуа-
тационных характеристик предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство состоит из пьезоэлектрического камертона 1 в полуоткрытом
жестком кожухе 2, зонда 3 с наноразмерным острием 4, жестко соединенного креплением 5
с кожухом 2, перемычки 6, соединяющей зонд 3 и камертон 1 в местах креплений 7 и 8.
Устройство работает следующим образом. Сенсором комплектуется СБОМ. Пьезо-
электрический камертон 1 осциллирует с частотой приблизительно 33 кГц. Перемычка 6
передает колебания колеблющейся части зонда 3. При приближении наноразмерного
острия 4 зонда к поверхности исследуемого объекта на зонд начинают действовать так
называемые боковые силы (shear force), уменьшающие, в частности, амплитуду колебаний
колебательной системы сенсора, что фиксируется электронной системой СБОМ, в составе
которого используется сенсор. Сканируя острием зонда поверхность исследуемого объек-
та и регистрируя, например, значения амплитуды колебаний колебательной системы сен-
сора, можно получить топографическое изображение профиля поверхности. По зонду
может передаваться световое излучение, в том числе в ультрафиолетовой области спектра,
к исследуемому объекту или от него в зависимости от целей и методов исследования. Бла-
годаря этому можно получить, в частности, оптическое изображение поверхности со
сверхразрешением.
Возможность реализации предлагаемой полезной модели подтверждена эксперимен-
тально. На фиг. 2 приведена фотография сенсора для СБОМ, реализованного эксперимен-
тально авторами настоящей заявки. Конический конец зонда, изготовленного авторами из
оптоволокна с диаметром сердцевины 400 мкм, проводящего ультрафиолетовое излуче-
ние, методом динамического травления в плавиковой кислоте, имеет длину 4 см, угол меж-
ду образующей конуса и его осью составляет примерно 0,236°. Коническая часть зонда
для минимизации потерь светового излучения покрыта отражающим излучение слоем

4. BY 7345 U 2011.06.30
4
алюминия толщиной примерно 100 нм методом вакуумного напыления. Сравнительно
большой диаметр сердцевины многомодового оптоволокна и медленно сужающийся ко-
нический конец зонда обеспечивает весьма благоприятные условия для эффективного
ввода оптического излучения в волокно и транспортировки его к наноразмерному острию.
Возможность передачи оптического излучения, включая ультрафиолетовый диапазон от
зонда к поверхности объекта или наоборот, предоставляет дополнительные возможности,
например, для модификации поверхности или спектроскопии, что в ряде случаев нужно
делать именно с помощью ультрафиолетового излучения. При толщине конической части
зонда примерно 70 мкм начинается наноразмерное заострение, полученное авторами дан-
ной заявки при травлении в мениске смачивания конического конца зонда на границе пла-
виковой кислоты и вакуумного масла ВМ-5. В месте, находящемся на расстоянии не
менее 4,8 мм до наноразмерного заострения, конец зонда жестко соединен с кожухом ка-
мертона. Колеблющаяся часть зонда на протяжении от кожуха до острия имеет массу,
примерно в 2,6 раза меньшую, чем колеблющаяся часть зонда прототипа устройства в [3],
имеющая до наноразмерного острия диаметр 125 мкм. Кварцевая перемычка диаметром
40 мкм, соединяющая зонд и ближайший к нему зубец камертона в изготовленном экзем-
пляре устройства, имеет достаточную жесткость для передачи колебаний. Оптимальное
местонахождение соединений перемычки с зондом и камертоном может определяться как
расчетным образом, так и экспериментально в зависимости от геометрии не закрепленной
жестко части зонда с целью согласования частоты колебаний пьезоэлектрического камер-
тона, которая находится в пределах 32÷33 кГц, с собственной частотой поперечных коле-
баний колеблющейся части зонда. Соответствие частоты камертона любой из гармоник
частоты собственных колебаний колеблющейся части зонда обеспечивает существенное
увеличение добротности колебательной системы сенсора, что легко регистрируется экс-
периментально электронной системой СБОМ. Достижение максимальной добротности
колебательной системы однозначно указывает на оптимальную геометрическую конфигу-
рацию устройства. Зарегистрированные значения добротности изготовленных авторами
данной заявки экземпляров устройств находятся в пределах 4000÷8000, что является до-
статочно высоким значением и подтверждает работоспособность предлагаемой полезной
модели.
Таким образом, предлагаемое устройство применимо для выполнения поставленной
задачи.
Фиг. 1
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.