Атомно-силовой микроскоп уместили на чипе
Владимир Королёв, N+1
Принцип работы атомно-силового микроскопа.
PZT – пьезоэлектрический сканер, перемещающий образец (Wikimedia Commons).
Инженеры из Университета Техаса и Университета Ньюкасла (Австралия) разработали атомно-силовой микроскоп, полностью умещающийся на небольшом чипе. В качестве активных элементов в нем используются микроэлектромеханические системы. Авторы отмечают, что для сборки системы использовался подход «кремний на изоляторе» – его масштабируемость может помочь значительно снизить стоимость приборов. Исследование Michael G. Ruppert et al. On-Chip Dynamic Mode Atomic Force Microscopy: A Silicon-on-Insulator MEMS Approach опубликовано в Journal of Electromechanical Systems.
Фотография атомно-силового микроскопа на чипе.
В ширину снимок охватывает восемь миллиметров. Кантилевер в центре.
(Здесь и ниже рисунки из статьи в Journal of Electromechanical Systems).
Атомно-силовой микроскоп – прибор, изучающий поверхность образца с помощью «ощупывания». Одна из главных его частей – кантилевер, очень острая игла, расположенная на специальной балке. Радиус острия иглы может достигать одного нанометра. Когда игла приближается к поверхности, на нее начинают действовать межмолекулярные силы, что приводит к прогибу балки. По этому прогибу можно определить относительную высоту двух соседних точек образца. Для измерения этой величины на балку светят лазером – она играет роль оптического плеча и любое изменение ее положения в пространстве меняет и то, куда отражается лазерный луч (его положение на фотодиоде).
Разрешение микроскопа определяется тем, как точно он может подвести иглу к нужным точкам. В лучших установках эта точность гораздо меньше размеров атома – это позволяет ощупывать и определять форму электронной оболочки отдельных атомов. Как правило, для этого используют пьезоэлектрические моторы – керамические трубки, удлиняющиеся под действием приложенного напряжения. В целом атомно-силовые микроскопы оказываются очень сложными и дорогостоящими системами.
Авторы новой работы предложили изменить схему работы прибора и миниатюризировать микроскоп. Ученые предложили использовать в качестве основы кремниевые МЭМС-устройства, изготавливаемые по технологии «кремний на изоляторе». Эта технология совместима с массовым производством и использует фотолитографические техники.
Устройство, созданное авторами, состоит из тех же принципиальных частей, что и «большие» зондовые микроскопы. В роли пьезоэлектрических моторов в нем выступают электростатические актюаторы: пары проводящих гребенок, притягивающихся друг к другу под действием приложенного напряжения. Две пары таких актюаторов обеспечивают ошибку позиционирования иглы всего в 16 нанометров. Для раскачивания самой иглы, требуемого для сканирования в теппинг-моде («постукивание» образца) используется тонкий слой пьезоэлектрика на балке кантилевера. Его же использовали для анализа механического состояния балки (амплитуды колебаний и так далее) и оценки высоты поверхности. Инженерам удалось успешно использовать созданный микроскоп для анализа поверхности.
Внешний вид микроскопа
Авторы отмечают, что микроэлектромеханические актюаторы позволяют использовать для сканирования поверхности не только стандартные траектории (построчное сканирование), но и более сложные, например, спирали или фигуры Лиссажу. Это может увеличить скорость сканирования образцов.
Атомно-силовая микроскопия активно используется в материаловедении, медицине и многих других технических дисциплинах. Например, с ее помощью ученые научились диагностировать рак, собирать молекулы с помощью манипуляции одиночными атомами, рисовать электрические схемы на графене и управлять лазерами. Благодаря атомно-силовому микроскопу, расположенному на борту космического аппарата «Розетта» физики узнали о строении пыли комет.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
17.02.2017