Сканирующий зондовый микроскоп

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Чижик Сергей Антонович Чикунов Владислав Валентинович Худолей Андрей Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Сканирующий зондовый микроскоп, включающий держатель зонда с зондом, закрепленный на основании, трехкоординатный пьезосканер, платформу для установки и закрепления образца, механизм позиционирования и предварительного сближения образца с зондом, блок управления с модулем обратной связи, подключенный к трехкоординатному пьезосканеру, зонду, образцу и механизму позиционирования и предварительного сближения образца с зондом, отличающийся тем, что платформа для установки и закрепления образца размещена непосредственно на трехкоординатном пьезосканере, который, в свою очередь, закреплен на механизме позиционирования и предварительного сближения образца с зондом, причем платформа снабжена дополнительной платформой, и состоит из основания, двух пьезокерамических электродов, блока возбуждения, блока детектирования и подвижной плиты, причем последняя крепится к основанию посредством пьезокерамических электродов, и образует мост между подвижными концами пьезокерамических 52712009.06.30 электродов, в свою очередь блок возбуждения и детектирования раздельно подключены к пьезокерамическим электродам, а установку и закрепление образца производят на подвижной плите. 2. Сканирующий зондовый микроскоп по п. 1, отличающийся тем, что подвижная плита снабжена устройством нагрева и/или охлаждения., , ,8 // Каталог Испытательный модуль НаноТест для нано-царапания и нано-износа компании Микро материал ЛТД. - Великобритания. 3. Заявка на патент РФ 2006129124/28, МПК 01 9/00, 2008. Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к сканирующим зондовым микроскопам, и может быть использована для измерения рельефа, линейных размеров, физических и физико-механических характеристик поверхности материала, в том числе для изучения трибологических и адгезионных свойств материалов на нано- и субмикронном уровне. Известен зонд для измерения механических и трибологических характеристик материалов на сканирующем зондовом микроскопе 1. Конструктивно зонд представляет собой камертон, состоящий из пьезоэлектрических электродов, разделенных между собой разделительным электродом, снабженный (зонд) электрической схемой управления. Причем на одном конце пьезоэлектрического электрода размещен индентор, а на другом - дополнительный индентор. Зонд работает в двух позициях одна - для измерения механических(твердость, модуль упругости) характеристик материала индентором и другая - для измерения трибологических (коэффициент трения, износ) характеристик материала дополнительным индентором. При измерении трибологических характеристик материала многократное возвратно-поступательное движение дополнительного индентора относительно изучаемой поверхности материала обеспечивается за счет вынужденных колебаний пьезоэлектрического камертона. Основное достоинство такой конструкции зонда заключается в обеспечении возможности определения как механических, так и трибологических характеристик материала на основе результатов прямых измерений, а также в обеспечении возможности проведения ускоренных трибологических испытаний на сканирующем зондовом микроскопе. Недостатком использования известной конструкции является необходимость изготовления специальной конструкции зонда и схемы его управления, что, как следствие, делает невозможным использование стандартных зондов, применяемых в сканирующих зондовых микроскопах, и значительно усложняет процесс позиционирования изучаемой поверхности объекта при выполнении трибологических измерений. Трибологические измерения (испытания материала на наноизнос) могут быть выполнены стандартным зондом сканирующего зондового микроскопа 2. В этом случае острие зонда выступает контртелом, а многократное возвратно-поступательное движение изучаемой поверхности объекта относительно зонда осуществляют пьезосканером сканирующего зондового микроскопа. При этом максимальная скорость перемещения поверхности образца пьезосканером сканирующего зондового микроскопа не превышает 20-100 мкм/с,что не позволяет на практике реализовать проведение ускоренных трибологических измерений на сканирующем зондовом микроскопе. Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является сканирующий зондовый микроскоп 3, включающий держатель зонда с зондом, установленный на пьезосканере, выполненном в виде пьезотрубки с -, - и -электродами (трехкоординатный пьезосканер) и закрепленном на основании, держатель образца (платформа для установки и закрепления образца) с образцом, установленный на блоке предварительного сближения 2 52712009.06.30 образца с зондом, закрепленном на основании, и блок управления с модулем обратной связи, подключенный к трехкоординатному пьезосканеру, зонду, блоку предварительного сближения образца с зондом и образцу, также содержащий носитель зонда, выполненный с возможностью установки на держателе зонда, причем блок предварительного сближения образца с зондом выполнен в виде пьезопакета с направляющей, на которой установлена каретка с держателем образца, в свою очередь, пьезопакет закреплен на основании и расположен вместе с направляющей, кареткой и держателем образца внутри пьезотрубки. Причем блок предварительного сближения образца с зондом и направляющая с кареткой образуют механизм позиционирования и предварительного сближения образца с зондом. Основное достоинство такого устройства заключается в универсальности его конструкции и использовании стандартных зондов для проведения различного рода измерений, включая трибологические. Недостатком известной конструкции сканирующего зондового микроскопа является невозможность проведения ускоренных трибологических испытаний, обусловленная малыми скоростями перемещения поверхности объекта относительно зонда трехкоординатным пьезосканером сканирующего зондового микроскопа. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности измерений сканирующего зондового микроскопа и обеспечение возможности проведения ускоренных трибологических измерений за счет увеличения скорости перемещения поверхности образца относительно зонда сканирующего зондового микроскопа. Задача решается следующим образом. В известном сканирующем зондовом микроскопе, включающем держатель зонда с зондом, закрепленный на основании, трехкоординатный пьезосканер, платформу для установки и закрепления образца, механизм позиционирования и предварительного сближения образца с зондом, блок управления с модулем обратной связи, подключенный к трехкоординатному пьезосканеру, зонду, образцу и механизму позиционирования и предварительного сближения образца с зондом, согласно предлагаемому техническому решению, платформа для установки и закрепления образца размещена непосредственно на трехкоординатном пьезосканере, который, в свою очередь,закреплен на механизме позиционирования и предварительного сближения образца с зондом, причем платформа снабжена дополнительной платформой, и состоит из основания,двух пьезокерамических электродов, блока возбуждения, блока детектирования и подвижной плиты, причем последняя крепится к основанию посредством пьезокерамических электродов, и образует мост между подвижными концами пьезокерамических электродов,в свою очередь блок возбуждения и детектирования раздельно подключены к пьезокерамическим электродам, а установку и закрепление образца производят на подвижной плите. Дополнительно подвижная плита снабжена устройством нагрева и/или охлаждения. Размещение платформы для установки и закрепления образца непосредственно на трехкоординатном пьезосканере обеспечивает упрощение конструкции держателя зонда сканирующего зондового микроскопа. Установка образца на подвижную плиту, приводимую в движение за счет вынужденных колебаний одного из пьезокерамических электродов дополнительной платформы, позволяет реализовать многократное возвратно-поступательное движение поверхности материала образца относительно зонда с большей скоростью,чем при перемещении образца трехкоординатным пьезосканером сканирующего зондового микроскопа, так как резонансная частота пьезоэлектрического электрода, как правило,составляет 10-12 кГц, и при амплитуде колебаний подвижной платформы в 1 мкм, скорость прохождения зонда по поверхности материала образца составит 10-12 мм/с что в 100-600 раз больше обеспечиваемого стандартной конструкцией сканирующего зондового микроскопа. В свою очередь использование устройства нагрева и/или охлаждения позволяет нагревать и/или охлаждать материал поверхности образца, что обеспечивает дополнительную возможность измерений на сканирующем зондовом микроскопе, например коэффициента трения и износа, в зависимости от температуры материала поверхности образца. 3 52712009.06.30 На фиг. 1 показана общая схема сканирующего зондового микроскопа. На фиг. 2 схематично представлен вид сверху дополнительной платформы с образцом. Сканирующий зондовый микроскоп (фиг. 1) состоит из основания сканирующего зондового микроскопа, на котором закреплены держатель зонда с зондом 1, механизм позиционирования и предварительного сближения образца 2 с зондом 1 и трехкоординатный пьезосканер с закрепленной платформой 3 и установленной дополнительной платформой,и блока управления с модулем обратной связи, который подключен к трехкоординатному пьезосканеру, зонду 1, образцу 2 и механизму позиционирования и предварительного сближения образца 2 с зондом 1. Дополнительная платформа (фиг. 2 и фиг. 1) состоит из основания 4 и подвижной плиты 5, которая крепится к основанию 4 посредством пьезокерамических электродов 6 и 7 (фиг. 2), образуя мост между подвижными концами пьезокерамических электродов. Блок возбуждения подключен к пьезокерамическому электроду 6(фиг. 2), а блок детектирования - к пьезокерамическому электроду 7. Причем образец 2 установлен и закреплен на подвижной плите 5 (фиг. 1 и фиг. 2). Сканирующий зондовый микроскоп работает следующим образом. При измерении трибологических характеристик поверхности образца 2 используют стандартный зонд 1,который закрепляют в держателе сканирующего зондового микроскопа. Изучаемый образец 2 устанавливают на подвижную плиту 5 дополнительной платформы. К одному из пьезоэлектрических электродов (пьезокерамический электрод 6, фиг. 2) подключают схему возбуждения, а к другому (пьезокерамический электрод 7, фиг. 2) - схему детектирования. Далее схемой возбуждения осуществляют вынужденные колебания пьезоэлектрического электрода 6, что также приводит в колебательное движение подвижную плиту 5,образец 2 и другой пьезоэлектрический электрод 7. После чего поверхность образца 2 позиционируют относительно зонда 1 и обеспечивают его контакт с поверхностью образца 2 механизмом позиционирования и предварительного сближения образца 2 с зондом 1. После чего трехкоординатным пьезосканером зонд 1 прижимают с требуемой силой к изучаемому участку поверхности образца 2 и поддерживают постоянной силу прижатия зонда 1 к поверхности образца 2 в процессе проведения трибологических измерений, при этом схемой детектирования измеряют параметры колебания пьезокерамического электрода 7,подвижной плиты 5 и образца 2. Далее на основании полученных экспериментальных данных рассчитывают трибологические параметры для материала образца 2. Для получения зависимостей трибологических свойств от температуры поверхность образца 2 может быть дополнительно нагрета и/или охлаждена устройством нагрева и/или охлаждения. Таким образом, предлагаемая конструкция сканирующего зондового микроскопа повышает эффективность измерений и обеспечивает возможность проведения ускоренных трибологических измерений на сканирующем зондовом микроскопе путем увеличения скорости перемещения поверхности образца относительно зонда сканирующего зондового микроскопа. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4