Зонд для атомно-силового микроскопа

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Кузнецова Татьяна Анатольевна Чижик Сергей Антонович Худолей Андрей Леонидович Ширяева Татьяна Игоревна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Зонд для атомно-силового микроскопа, содержащий консоль с расположенным на ней наконечником и частицу сферической формы, отличающийся тем, что частица сферической формы выполнена из порошка металла диаметром 40-80 мкм и прикреплена к консоли и боковой поверхности наконечника, при этом консоль выполнена треугольной формы. Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к зондам для атомно-силовых микроскопов, и может быть использована в сканирующей зондовой микроскопии для изучения трибологических свойств материалов, а именно силы и коэффициента трения в микро- и наномасштабе. 92982013.06.30 Известны коллоидные зонды для атомно-силового микроскопа 1. Зонд содержит кремниевую консоль со стандартным наконечником в виде кремниевой пирамиды. На пирамиде закреплена коллоидная частица оксида кремния (2) диаметром 5,5 мкм. Недостатком таких зондов является недостаточная прочность частицы - наконечника. Известны коллоидные зонды для атомно-силового микроскопа 2. Каждый из зондов содержит кремниевую консоль, на конце консоли расположен наконечник в виде кремниевой пирамиды, модифицированной углублением, содержащим коллоидную частицу диаметром 3-10 мкм из перечня материалов стекло, железо, медь, титан, полиметилметакрилат. Недостатком таких зондов является то, что использование наконечника с частицами из вышеперечисленных материалов ограничивает количество вариантов двух контактно взаимодействующих поверхностей (трибопар) при исследовании процессов трения. Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа, является зондовый датчик(зонд), описанный в способе изготовления коллоидного зондового датчика для атомносилового микроскопа 3. Зонд для атомно-силового микроскопа содержит консоль и расположенную на ней иглу (наконечник), на кончике которой закреплена коллоидная частица сферической формы с помощью клеящего материала. Недостатком указанного зонда является низкая точность измерения силы и коэффициента трения между поверхностями материалов деталей машиностроения, моделируемыми зондом и образцом для формирования трибопар, из-за свойств коллоидной частицы, полученной химическим методом, так как материал коллоидной частицы не отражает фазовый состав материалов деталей машиностроения, в процессе получения которых обязательно имеются операции плавления и кристаллизации. Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерений силы и коэффициента трения материалов машиностроения за счет обеспечения наконечника зонда фазовым составом материала, необходимым для формирования трибопар. Задача решается следующим образом. Известный зонд для атомно-силового микроскопа содержит консоль с расположенным на ней наконечником и частицу сферической формы. Согласно предлагаемому техническому решению, частица сферической формы выполнена из порошка металла диаметром 40-80 мкм и прикреплена к консоли и боковой поверхности наконечника, при этом консоль выполнена треугольной формы. Таким образом, в предлагаемом устройстве частица сферической формы, выполненная из порошка металла диаметром 40-80 мкм, который является сырьем для порошковой металлургии, расширяет спектр материалов наконечника фазового состава, позволяющего формировать трибопары и моделировать контактное взаимодействие наиболее широко применяемых материалов для деталей машиностроения. Широкий спектр составов таких порошков позволяет подбирать нужный состав наконечника-контртела и предварительно определить его механические свойства, изготовив шлиф и измерив микротвердость частицы порошка, определить фазовый состав порошка. Больший диаметр контактирующей частицы сферической формы обеспечивает большую площадь контакта ее с поверхностью и, соответственно, более точное определение значений сил трения при контактном взаимодействии зонда с поверхностью. Кроме того, при большем диаметре частицы сферической формы контакт наконечника с поверхностью обеспечивает контакт плоскость плоскость. Частица сферической формы порошка нужного состава и диаметра закрепляется с использованием клеящего материала на треугольной консоли стандартного кремниевого зонда. Использование консоли треугольной формы обеспечивает большую жесткость по сравнению с балочными консолями. На фигуре показана схема общего вида зонда в увеличенном масштабе. Зонд содержит консоль 1 треугольной формы с наконечником 4 и частицу 2 сферической формы из порошка металла диаметром 40-80 мкм, например сплава титана марки 92982013.06.30 ВТ 1-0 (0,1 кремния, остальное - титан), закрепленную к боковой поверхности 5 наконечника 4 и поверхности консоли 1 с помощью клеящего материала 3. Зонд работает следующим образом. Зонд перемещается по поверхности исследуемого образца, находясь в контакте с образцом (в статическом режиме работы). При сканировании зондом, установленным в атомно-силовом микроскопе, по поверхности исследуемого образца в прямом и обратном направлении консоль 1 треугольной формы испытывает закручивание с образованием угла закручивания под действием сил трения между частицей 2 сферической формы диаметром 40-80 мкм из сплава титана, закрепленной к консоли 1 и к боковой поверхности 5 наконечника 4 с помощью клеящего материала 3, и поверхностью образца. Фиксируя величину угла закручивания с использованием атомно-силового микроскопа, определяют силу трения и коэффициент трения поверхностей. Таким образом, снабжение зонда атомно-силового микроскопа частицей сферической формы из порошка металла диаметром 40-80 мкм, который является сырьем для порошковой металлургии, позволяет составлять трибопары из частицы зонда и поверхности исследуемого образца, моделирующие наиболее широко применяемые материалы для деталей машиностроения, что повышает точность измерений в методиках определения коэффициента и силы трения в сканирующей зондовой микроскопии, а также дает возможность повторного использования отработавших кремниевых зондов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3