Физические аспекты сканирующего фотоэмиссионного микроскопа на основе зонда-капилляра Черкун Александр Павлович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Развитие теории и практики датчиков контакта зонда с поверхностью как одна их задач по разработке фотоэмиссионного микроскопа 16

1.1. Датчики контакта зонда с поверхностью в зондовой микроскопии 16

1.2. Некоторые предшественники и прототипы для новой конструкции датчика

1.3. Двухрезонансная конструкция датчика контакта, краткое внешнее описание и сравнение с прототипом 23

1.4. Некоторые теоретические аспекты применения ККР для датчиков контакта в СЗМ 26

1.5. Расширение формулировки и уточнение фундаментальных ограничений, накладываемых на чувствительность и быстродействие камертонных датчиков силы 37

1.6. Основные результаты 58

ГЛАВА 2. Особенности двухрезонансной конструкции датчика контакта

2.1. Актуальность повышения чувствительности датчиков на основе ККР 60

2.2. Действие малошумящего механического усиления в двухрезонансной конструкции 61

2.3. Различные версии датчика, их свойства и тенденции к улучшению

2.4. Основные расчтные формулы для двухрезонансного датчика 76

2.5. Экспериментальное измерение быстродействия, чувствительности и величины механического усиления в двухрезонансной конструкции 79

2.6. Компьютерный расчт системы камертон и зонд с микропрутком. 89

ГЛАВА 3. Оптический микроскоп ближнего поля и новый фотоэмиссионный сканирующий микроскоп 101

3.2. Сканер для работы с двухрезонансным датчиком в условиях среднего до Тор вакуума и в условиях вибраций от вакуумных

3.3. Управляющая электроника СОМБП 111

3.4. Первый результат по флуоресцентной резонансной передаче энергии

3.5. Счт фотонов: импульсное возбуждение и регистрация оптического сигнала в укороченные интервалы времени 119

3.6. Один побочный результат 124

3.7. Новый фотоэмиссионный сканирующий микроскоп 125

3.8. Первая демонстрация работы фотоэмиссионного сканирующего

3.9. Очередной шаг в приборном развитии фотоэмиссионного

3.10. Основные результаты 160

Список публикаций автора

• Двухрезонансная конструкция датчика контакта, краткое внешнее описание и сравнение с прототипом
• Расширение формулировки и уточнение фундаментальных ограничений, накладываемых на чувствительность и быстродействие камертонных датчиков силы
• Основные расчтные формулы для двухрезонансного датчика
• Счт фотонов: импульсное возбуждение и регистрация оптического сигнала в укороченные интервалы времени

Введение к работе

Актуальность темы

Общее технологическое развитие привело к новой экспериментальной методологии и постановке задач в области оптики. Одно из направлений связано с исследованием причинно-следственных корреляций на расстояниях много меньше длины волны света видимого диапазона. Уравнения Максвелла в приложении к излучающему атому помимо расходящейся волны с длиной А = с/ f , где с - скорость света и f - частота, дают решение на расстояниях много меньше Л в виде переменного поля диполя, амплитуда которого вплоть до Ангстремных размеров атома быстро растёт как 1/R³ (R - расстояние до атома). Таким образом, интересы оптики уже давно простираются в масштабы нанометровых размеров, то есть в область "ближнего светового поля", но в методологии классической оптики есть препятствие в виде волнового предела пространственного разрешения.

Разработка сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) Биннигом и Рорером, отмеченная Нобелевской премией в 1986 году, положила начало многочисленной серии сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), которые вслед за электронными микроскопами стали инструментами с нанометровым пространственным разрешением. В отличие от электронного микроскопа, где "зондом" служит исключительно электронный луч, твёрдотельный зонд в СЗМ даёт большое разнообразие методических вариантов. Например, с помощью золотого зонда с радиусом острия 20 нм удаётся снять Рамановский спектр от единственной углеродной нанотрубки и одновременно получить изображение "рельефа" этой трубки на плоскости поверхности [1]. Пространственная ширина яркой светимости Рамановского спектра оказывается меньше 50 нм, чему способствует эффект усиления на золотом острие. Другой пример соответствует конфигурации, когда единственная молекула акцептора на острие оптоволоконного зонда подводится к нанокристаллу донора, расположенному на поверхности, в пределы взаимного расстояния меньше 6 нм, когда возможен резонансный безизлучательный переход кванта энергии от донора к акцептору [А4]. В результате получается возможность изучения процессов обмена энергии между отдельными квантовыми объектами на расстояниях много меньше длины волны света.

В нулевых годах В. С. Летоховым было предложено объединить потенциально возможную нанолокальную фотодесорбцию молекулярных ионов и времяпролётную on-line масс-спектрометрию. Если для фотоионизации и отрыва молекулярных ионов от поверхности предполагалось облучать образец ультракороткими световыми лазерными импульсами, что должно было позволить реализовать многофотонные процессы без значительного теплового разогрева образца, а также понизить порог фотоотрыва молекулярных ионов [2], то вопрос достижения высокого пространственного разрешения в общем случае

оставался открытым. Идея фотоэмиссионного сканирующего зондового микроскопа, где в качестве зонда задействован конический стеклянный капилляр с субмикронным устьем, призвана обеспечить высокое разрешение. Ультракороткие лазерные импульсы обычно не могут быть сфокусированы в пятно диаметром меньше нескольких микрон. Субмикронное устье капилляра из широкого потока фотоионов выделяет для дальнейшего анализа и регистрации только узкий пучок ионов, испускаемых с поверхности в пределах диаметра устья. Этот малый диаметр в конечном итоге определяет пространственное разрешение. В соединении с высокой химической и массспектральной селективностью новый метод может оказаться эффективным в задачах, связанных с изучением больших органических молекул, например, из препаратов биологических клеток. Физические аспекты практической реализации этой идеи составляют содержание данной диссертационной работы.

Помимо естественных для зондовой микроскопии вопросов разработки сканирующего устройства или сканера, который с чувствительностью нанометры и доли нанометра позиционирует зонд относительно поверхности, в данной работе уделено особое внимание оптимальной организации датчика контакта зонда с поверхностью. Если, например, площадь контакта 1 нм², а сила давления 10^–9 Ньютон, то давление оказывается 10⁹ Па, что соответствует пределу текучести стали.

Конструкция датчика в атомно-силовой микроскопии (АСМ), где используется миниатюрная гибкая балка, называемая кантилевер, на которой размещается микроскопическая пирамида зонда, среди прочих является наиболее чувствительной к силе давления. Однако в сканирующем оптическом микроскопе ближнего поля (СОМБП) применяется оптоволоконный зонд, масса и жёсткость которого на два порядка выше, чем у кантилевера. В фотоэмиссионном микроскопе конический зонд-капилляр с угловой апертурой 1/4 радиана обладает ещё большей жёсткостью, чем оптоволоконный зонд, и становится актуальным решение проблемы датчика контакта. Для массивных и жёстких зондов удобна типовая схема, где вершина зонда колеблется, и изменения силовых параметры этих колебаний при контакте с поверхностью отслеживаются на основе пьезоэффекта. В данной работе почти из первых принципов исследуется вопрос, как получить наибольшую чувствительность в датчиках такого типа. В итоге разработаны практические конструкции, которые с массивными и жёсткими зондами достигают силовой чувствительности как у АСМ кантилеверов, и появляется смысл универсального применения этой разработки для целей СЗМ в целом (подробнее см. далее "практическая значимость результатов"). Тогда на одной компактной базе обслуживающей техники можно получать несколько видов микроскопий поверхности и даже во время одного скана. Допустимы различные окружающие условия: вакуум, атмосфера, криотемпературы.

Цель и задачи диссертационной работы

Для обеспечения субволновой пространственной селективности оптических исследований адаптировать методологию зондовой микроскопии. Создать базу для широкого спектра задач от сканирующей оптической микроскопии ближнего поля до массспектрометрии ионов, образовавшихся в результате лазерной фотоэмиссии, с пространственным разрешением лучше 100 нм.

В методологии зондовой микроскопии обеспечить трёхмерное

позиционирование зонда относительно образца с чувствительностью доли нанометра, контакт зонда с поверхностью с силовой чувствительностью масштаба 10^–9 Н, универсальную возможность работать с разнообразными зондами: оптоволоконными, металлическими, капиллярными, – и в различных условиях от воздушных до вакуумных или криогенных.

Поставлена цель обнаружения и регистрации флуоресцентной резонансной передачи энергии к единичной молекуле, где необходимо подвести единичный донор к единичному акцептору на расстояние Фёрстеровского радиуса, то есть в пределы 6 нм.

Научная новизна работы

Впервые создан сканирующий фотоэмиссионный зондовый микроскоп, где в
качестве зонда работает капилляр, субмикронное устье которого определяет
разрешение при одновременном получении изображения локальной

фотоэмиссионной способности образца и его рельефа.

Разработана новая концепция датчика контакта зонда с поверхностью, названная "двухрезонансной", универсально пригодная для зондовой микроскопии в целом для различных зондов и окружающих условий. Это идея малошумящего динамического усиления, возникающего, когда специально обеспечено многократное различие амплитуд колебаний острия зонда и пьезорезонатора. Практически во столько же раз изменяется итоговая чувствительность датчика к контактной силе.

Разработана общая теория оптимального использования пьезоэффекта для датчиков контакта.

Впервые зарегистрирована флуоресцентная резонансная передача энергии к
единичной молекуле и получено оптическое разрешение порядка

Фёрстеровского радиуса, то есть 10 нм.

Практическая значимость результатов

Проведена практическая разработка нового прибора, фотоэмиссионного сканирующего микроскопа, для исследований на стыке двух активно развивающихся научных областей. Это всевозможные физические процессы в масштабах оптического ближнего поля и в условиях сверхкоротких и сверхмощных световых импульсов. Наработан большой пакет практических решений на уровне опытно-конструкторской разработки (ОКР), совместимых друг с другом в рамках сложного прибора.

Развитие здесь новой концепции датчика контакта является достаточно полной разработкой готовой к практическому применению не только для целей СОМБП, но и для других видов СЗМ. В частности, выстроена мелкосерийная технология по производству модуля "камертон плюс зонд".

Новый подход к организации камертонного датчика контакта расширяет границы допустимых величин массы и жёсткости зонда, при этом чувствительность и быстродействие достигают уровня классической АСМ. Несмотря на простоту, и даже благодаря ей, возникает возможность универсального применения этой идеи для целей СЗМ. Во-первых, это лёгкость адаптации для работы в условиях вакуума, криогеники или для комбинирования СЗМ с другим прибором, например, микротомом или электронным микроскопом. Во-вторых, это несколько видов микроскопий поверхности: профиль, электропроводность, упругость, магнитные свойства, диэлектрическая проницаемость, оптические параметры и другие, – на единой базе усилительной электроники и вспомогательной техники. В-третьих, это несколько видов микроскопий одновременно с одним зондом и в одном скане, что может послужить довольно ценной информацией об объекте, если сравнивать с альтернативой, когда наряду с трудностями содержания нескольких типов СЗМ в одной лаборатории, возникает непростая проблема обеспечить ими сканирование одного и того же участка образца и тем более в одно и то же время. Например, зондом из золотой проволоки можно получать не менее 4-х типов физических изображений сложной разнородной поверхности. Для сравнения, туннельный микроскоп не может работать на поверхности, содержащей проводящие и непроводящие ток участки, так как, встретив непроводящий участок, он ломает свой зонд.

Функционально гибкий характер найденных решений способствовал выдвижению идеи и практическому осуществлению нового вида литографии на основе принципа камеры обскуры, которая позволяет делать за один сеанс напыления до миллиона одинаковых объектов субмикронного размера из широкого набора материалов. При смене маски и источника атомов к предыдущему микрообъекту можно присоединить очередную новую "деталь" из другого материала. То есть можно говорить о начальном становлении проекта "3-Д принтера" для объектов субмикронного масштаба.

Положения, выносимые на защиту

1. Показана возможность осуществить на практике вакуумный
фотоэмиссионный сканирующий микроскоп на основе зонда-капилляра,
имеющего субмикронное устье и значительную (до 1/4 радиана) угловую
апертуру.

2. Для решения проблемы неразрушающего контакта субмикронного устья
жёсткого капилляра с поверхностью разработан новый подход к организации
датчиков контакта, основанных на кварцевых резонаторах, который позволяет

достичь столь же высокой чувствительности и быстродействия как в атомно-силовой микроскопии.

3. В рамках теории, подтверждённой экспериментально, обосновано: а) быстродействие датчиков из пункта 2 не обратно пропорционально добротности резонатора, а может произвольно задаваться элементами усилительной электроники; б) слежение за изменением фазы колебаний не даёт априорных преимуществ в быстродействии перед слежением за амплитудой; в) при задании кратного повышения быстродействия фундаментальные законы требуют падение чувствительности не пропорционально, а лишь как корень квадратный из этой величины; г) можно организовать малошумящее динамическое усиление такое, что связь между быстродействием и чувствительностью будет определяться не параметрами серийного резонатора, а более выигрышными механическими параметрами зондовой части датчика.

Апробация работы и публикации

В отделе лазерной спектроскопии ИСАН эксплуатируются два зондовых
микроскопа: СОМБП и фотоэмиссионный СЗМ, основанные на

рассматриваемых в диссертации принципах. Фирмой ОАО "КПД" освоено производство таких СОМБП, и не менее десятка таких приборов поставлено в ряд лабораторий ведущих научных стран мира.

Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1. The 9-th International conference on near-field optics, nanophotonics and related techniques, Lausanne, Switzerland, September 10 – 15, 2006.

2. 22-я российская конференция по электронной микроскопии, Черноголовка, июнь 2 – 6, 2008.

3. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO/LAT 2016), Минск, сентябрь 26 – 30, 2016.

4. 25 съезд по спектроскопии, Троицк – Москва, октябрь 3 – 7, 2016.

По теме диссертации было опубликовано 6 работ в зарубежных и российских рецензируемых журналах. Список работ приведён в конце автореферата.

Личный вклад автора

К личному вкладу автора относится практическая реализация идеи
фотоэмиссионного СЗМ, разработка пьезоэлектрического сканера для СОМБП,
доказательство ряда утверждений о предельно достижимых чувствительности и
быстродействии датчиков силы на основе пьезорезонаторов, идея

двухрезонансной конструкции датчика контакта, её реализация, разработка
теоретического описания, экспериментальная проверка теоретических

прогнозов, разработка технологии по производству сборок камертон-зонд.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объём диссертации составляет 168 страниц, включая 62 рисунка, 1 таблицу и список цитируемой литературы из 30 наименований.

Двухрезонансная конструкция датчика контакта, краткое внешнее описание и сравнение с прототипом

В современном виде датчик а) использует серийно выпускаемую расходную деталь под названием кантилевер. Кантилевер 3 с зондом это гибкая балка или кронштейн с характерными масштабами для длины – сотни мкм, ширины – десятки мкм и толщины – единицы мкм. С одной стороны балка "вырастает" из кристаллического чипа 4 (суть державки), на другом конце литографическим методом сформирован конус или пирамидка микроскопического зонда высотой от единиц до десятков мкм и с масштабом радиуса острия от единиц до сотен нм. Чип крепится к кронштейну 5 микроскопа. Балка 3 металлизирована с одной стороны. Луч лазера 1 падает и отражается от этой зеркальной стороны и попадает на двухсекционный фотодиод 2, в котором возникают два сигнала фототока, пропорциональные доли светового пятна, попавшей на ту или иную секцию фотодиода. Разность этих двух фототоков можно выбрать в качестве выходного сигнала датчика S(Z), где Z расстояние от чипа 4 до поверхности. По мере уменьшения этого расстояния в процессе подвода поверхности к зонду, остри зонда упртся в поверхность, и с этого момента начнт изгибаться балка, что вызовет движение отражнного лазерного пятна по фотодиоду, перераспределение его долей между секциями и изменение разности фототоков, то есть выходного сигнала S. Тогда поверхность можно будет сканировать при фиксированном изгибе балки, то есть при постоянной силе давления зонда на поверхность, определяемой жсткостью и выбранной величиной изгиба Set_Point.

Конструкция б) отличается от а) тем, что кантилевер колеблется на определнной частоте при помощи пьезоэлемента 6, располагаемого между консолью 5 и чипом 4. Тогда в разности фототоков тоже возникает осциллирующая на этой частоте компонента. Когда при подводе остри зонда попадает в пределы действия Вар-дер-Ваальсова притяжения или начинает ещ периодически соударяться с поверхностью, то меняется амплитуда и фаза осциллирующей компоненты (по отношению к напряжению на пьезоэлементе). Применяя два синхронных детектора для измерения как амплитуды, так и фазы, получают датчик, в котором в качестве выходного сигнала S можно выбрать выход любого из двух детекторов.

В силу миниатюрности кантилевер обладает ничтожной массой и достаточно малой жсткостью, что обеспечивает заметное преимущество по быстродействию и чувствительности конструкций а), б) над другими зондовыми системами такими, например, как в). Зонд 9 в конструкции в) это оптическое волокно с конусом острия с металлическим напылением на конусе и субмикронным отверстием в напылении для формирования оптического ближнего поля на острие зонда. При стандартном диаметре 125 мкм оптического волокна масса и жсткость такого зонда превосходят на несколько порядков соответствующие параметры кантилевера. В конструкции в) как и в б) применяется пьезоэлемент 5, к которому крепится оптоволокно зонда 9. Пьезоэлемент возбуждает резонансные колебания выступающей части зонда. Амплитуда и фаза этих колебаний регистрируется при помощи лазера и двухсекционного фотодиода. На Рис. 2 в один из нескольких возможных вариантов датчика [3, 4, 5], где протяжнный "массивный" зонд колеблется на своей резонансной частоте, и амплитуда колебаний контролируется по глубине модуляции рассеянного или отражнного зондом света от отдельного источника. Однако в СОМБП такой источник создат паразитную засветку для малого сигнала ближнего поля, обычно измеряемого техникой счта фотонов. Khaled Karrai и Robert D. Grober [6, 7] вместо лазера и двухсекционного диода в конструкции в) успешно применили камертонный кварцевый резонатор (ККР) 7 Рис. 2 г. В конструкции г) к пьезоэлементу 6 крепится измерительный ККР 7, к одному из плеч которого клеится оптический зонд 9. Здесь резонансные механические колебания непосредственно представлены (или продублированы) в электрическом виде как пьезоэлектрический сигнал с контактов ККР. Конструкция г) оказалась перспективной и получила дальнейшее развитие и широкое применение. Мы рассматриваем е здесь как один из прототипов нашей двухрезонансной конструкции. Можно подчеркнуть, что принципиальной чертой прототипа является пьезоэлектрический контроль колебаний зонда, причм в качестве пьезоэлектрического измерителя выступает деталь (ККР), промышленно выпускаемая огромными тиражами, поэтому серийный ККР довольно совершенен и дешв одновременно. К достоинствам конструкции относятся мизерные габариты датчика масштаба 0.01 м, что очень выгодно в условиях вакуума, низких температур, для комбинационного сочетания СЗМ с другими приборами. Например, в а), б), в) в габариты датчика входят лазер и фотодиод, а также системы их пространственной юстировки. Камертонный датчик не требует подобной юстировки. В камертонном датчике имеется однозначная связь между параметрами механических колебаний и параметрами пьезоэлектрического выходного сигнала, тогда как в а), б), в) требуется процедура калибровки.

Естественным развитием является отказ д) от лишнего пьезоэлемента ввиду того, что ККР можно использовать одновременно и для целей возбуждения колебаний, и для целей слежения за изменением их параметров под действием силы трения острия о поверхность [8]. Это наиболее близкий прототип.

Конструкция е), где к одному из плеч ККР 7 приклеен микроскопический зонд 3, проигрывает б) примерно порядок по чувствительности, тем не менее е) стала применяться для целей АСМ, когда актуальны достоинства, упоминавшиеся выше для г).

На Рис. 3 слева более подробно, чем на Рис. 2 д, прорисован прототип. Оптический зонд здесь клеится непосредственно к "рожку" (или плечу) ККР. Чтобы это было возможно, требуется, во-первых, устранить металлический корпус серийного ККР, во-вторых, спилить часть стеклянного цоколя, мешающую приклейке. Остри зонда обычно выступает не более 1 мм за габариты рожка. ККР как серийное изделие Рис. 4 представляет собой два электрода, проходящие сквозь стеклянный цоколь, который герметично запирает стакан металлического корпуса ККР. В вакууме внутри стакана между двумя электродами впаян монокристалл кварца в форме камертона.

Расширение формулировки и уточнение фундаментальных ограничений, накладываемых на чувствительность и быстродействие камертонных датчиков силы

Проведм более детальное описание двухрезонансной конструкции и е сравнение с прототипом. Здесь и далее прототип будет сокращнно называться К1 (конструкция 1), а двухрезонансная - К2. Обе конструкции уже были представлены на Рис. 3. На Рис. 16, 18, 19 можно увидеть ещ несколько вариантов К2.

В К1 оптичекий зонд непосредственно клеится к рожку камертона Рис. 3 а, и остри зонда выступает на долю миллиметра за вершину рожка. В К2 оптический зонд имеет независимую «точку» крепления (в варианте Рис. З б это срез заводского корпуса камертона). Длина выступающей части зонда (размер /v на Рис. 16 б) строго детерминирована: е собственная резонансная частота изгибных колебаний должна быть близка к частоте камертона. Два резонатора камертон и зонд (отсюда название - «двухрезонансный») объединяются в единый при помощи относительно лгкого поводка (кварц диаметром 10-е-30 мкм). Жсткость поводка в продольном направлении точно выравнивает амплитуды колебаний обоих резонаторов в местах крепления к ним концов поводка. В этом смысле это "жсткая" связь. Несмотря на локальное выравнивание, ключевой особенностью К2 является неравенство амплитуд вершин рожка и острия зонда AT«AV (АУ/АТ=М, где обычно М»1), поскольку точка крепления поводка к зонду специально выбирается «вдали» от острия.

Хотя обе конструкции внешне похожи друг на друга, главные источники шума, лимитирующие чувствительность К2 и К1, разные. Поясним это. Поскольку в К1 вершины рожка и остри зонда отстоят на долю миллиметра, сила Fv, действующая на остри зонда, передатся без изменения на вершину рожка: FT=FV Формулу чувствительности (16) в части 1.5.5 можно интерпретировать так, что одновременно с силой FT на рожки камертона действует паразитная флуктуационная сила тшум= sin = 78 ХЛ (21), где обозначение FN sin означает шумовую (Noise - шум) компоненту синхронную скорости рожков (sine - синус), Кв - постоянная Больцмана, Т температура, ут - эффективная константа вязкого трения одного рожка ККР, /ъ - характерная частотная полоса пропускания сигнала силы (подробно см. часть 1.5.5). Тогда минимальную детектируемую силу или чувствительность для К1 FT min K1 можно задать условным равенством FT min K1 = 7Тшум. При вскрытии вакуумного корпуса ККР в воздушной среде вязкость у увеличивается в 10 раз, поэтому можно сказать, что на воздухе на рожки ККР воздействуют флуктуации давления воздуха, и сила их воздействия зависит от размеров или геометрии ККР. Поэтому в конечном итоге чувствительность К1 задатся геометрией камертона, выбор которой ограничен номенклатурой серийной продукции. Точно та же паразитная сила FT присутствует и в К2, но будет показано в части 2.4 и 2.6, что в К2 в волоконном зонде возникает такая динамика сил, что на рожок камертона со стороны поводка приходит сила в К раз большая, чем сила, действующая на остри: FT = KFV. Кроме того, оказывается, что К = М, то есть механическое усиление К равно отношению М соответствующих амплитуд: АУ/АТ=М. Однако этот же механизм увеличивает в М раз и новую паразитную силу FY флуктуаций давления воздуха на оптоволокно. Суммарный баланс сигнала и шума в районе вершины рожка подводится записью (чувствительность FV min K2 для К2) MFYmm = F шумjHMFV шумJ или

При достаточно больших М шумовой параметр, связанный с камертоном и его геометрией, выпадает из (22), и остатся только параметр оптоволокна и его геометрии. Главная компонента шума FT меняется на FV шум. Формально это разные шумовые источники: рожок ККР и оптическое волокно. По сути, формула (22) является ключевой, и ближайшее изложение сводится к детализации е аспектов, например, - сколь малым может быть шум Fv шум Для сравнения компонент FT для К1 и Fv для К2 на основе (10) запишем шум (sin)=л/4 %Л (23), где yv эффективная константа вязкости протяжнного оптического зонда, приведнная к его острию по формуле аналогичной (4). Сравнивая (21) и (23), заметим, что характерные площади сечения рожка значительно больше, чем у волокна, поэтому константа ут трения камертона о воздух значительно больше, чем у у оптоволокна, то есть FT »FV шум. В отличие от серийного камертона вязкость уу волокна может быть ещ снижена уменьшением геометрических размеров. Можно использовать более тонкие волокна диаметром, например, 40 мкм или вытравливать резонансный микропруток на конце стандартного 125 мкм волокна (см. Рис. 16 в, Рис. 19, подробности в части 2.4 и 2.6). Таким образом, при фиксированной геометрии камертона «фундаментальный» предел чувствительности для К1, перекрывается в К2 в несколько раз (до одного порядка). Заметим, что в большинстве статей по данной тематике используется формула (9) шума электрического напряжения на резисторе г вместо е механического аналога (10). Но тогда в процессе формульных преобразований для перехода от электрических терминов к терминам силы ключевая роль у для проблемы чувствительности остатся без должного акцентирования (см. связь г и / в (2) и в (27)).

Основные расчтные формулы для двухрезонансного датчика

В частях 1.4, 1.5 рассмотрены теоретические аспекты измерения переменной силы, действующей на вершину рожка ККР. По сути это формулы для К1. В части 2.2 дан общий принцип, на основе которого К2 имеет возможность превосходить "фундаментальный" предел чувствительности для К1, несмотря на то, что тракты обеих конструкций совпадают, начиная с вершины рожка ККР и кончая выходом СД. Тем не менее оказалось, что более сложная К2 описывается эквивалентной схемой Рис. 7 в с такой же примитивной структурой, как и схема Рис. 7 а для К1. Поэтому К2 интегрируется в любую обслуживающую датчик электронику на место К1.

Ещ одно принципиальное и не совсем очевидное утверждение относительно К2 состоит в том (см. также часть 2.6), что после внесения в камертон асимметрии (поводок) амплитуды колебаний обоих рожков остаются практически равными, хотя общая добротность Qs может падать в несколько раз. Однако подчеркнм, что это свойство конкретной конструкции (Рис. 4 и Рис. 28 а) часовых камертонов, и утверждение было бы ошибочным, если бы общая кристаллическая часть двух рожков имела "гигантскую" массу, а сами рожки "далеко" отстояли друг от друга, то есть были бы "слишком слабо" связанными. Для экспериментального измерения М на камертон подавалось переменное (на частоте резонанса fs ) напряжение амплитудой порядка 10 В и по микронной шкале оптического микроскопа определялось отношение амплитуд острия и вершин рожков камертона. Так на эксперименте подтверждается ещ и факт равенства амплитуд связанного и свободного рожков камертона для всех датчиков Рис. 16. Как важное следствие, можно ожидать одинаковые токи через отдельные рожки и применить "точный" коэффициент 2 в формуле связи амплитуды острия xу с общим пьезоэлектрическим током I (см. место I на Рис. 7 в): xу=MI/(2аа ) (25) Формальная подстановка в (3) определения M = xv/xT дат (25), но на самом деле в предлагаемой формуле подразумевается не только равенство амплитуд рожков, но и соответствие фаз их колебаний, а также неизменность а для каждого рожка после внесения асимметрии. Однако эти условия не выполняются абсолютно точно. Пропуская все многочисленные аналитические нюансы, ограничимся лишь простыми практическими формулами, которые не абсолютны, но выполняются с точностью от сотых долей процента до единиц процентов. Тем не менее, в рамках предлагаемых моделей Рис. 7 б и Рис. 28 тот или иной аналитический результат, на котором эти формулы основаны, может быть однозначно, следуя стандартным процедурам, воспроизведн. Выражение для индуктивности Ls на Рис. 7 в: Ls = (2m0 + M2mу)/(4а2) (26) поясняется аналогично (2) и (3). Умножение на I212 превращает (26) в равенство магнитной энергии в Ls и кинетической энергии системы. Здесь mv - эффективная масса колебаний зонда, приведнная к его острию по (4). Вернувшись к части 2.3 и версии Рис. 16 б, сравним экспериментальную индуктивность Ls = 9000 Гн с прогнозом по (26). Расчт на основе (5) эффективной массы, приведнной к точке lХ на Рис. 17, для кварцевого зонда d = \25 мкм дат mvl = p(nd214)lxl 4 = mJ gx, откуда g 15. То есть эффективная масса mт оптического волокна длины lХ меньше эффективной массы m0 одного рожка в 15 раз. Подразумевая вычисление кинетической энергии зонда, выражение M2mу в (26) можно довольно точно заменить на (3N)2mvl, где N определено в начале части 2.3, и mт не равно (!) mv. Тогда прогноз дат возрастание индуктивности в Ls/L0 = \ + M2mv/(2m0) = \ + (3Nf/(2g1) = \.6 раз, а эксперимент в Ls/L0=\.76 раз (см. L0 в части 1.4). Учитывая практическую сложность при приклейке обеспечить точно мм, соответствие следует признать удовлетворительным. Аналогичную (26) структуру имеет формула резистора потерь rs : rs = (2у0 +M2yv)/(4a2) (27) Вернувшись к версии Рис. 16 в, исходя из экспериментальных данных rs = 155 Ш 6S = 7500 и М = 11, можно оценить 7 = ;к0 /;KV. Экспериментальное отношение rs / г0 «1.72, а на основе (27) rs / г0 = 1 + М2 /(27). Тогда 7 84, то есть эффективная константа вязкости зонда с микропрутком на два порядка меньше, чем у рожка. Вернувшись к терминологии части 2.2, заметим, что при прочих равных условиях предельная чувствительность К2 здесь лучше чувствительности К1 в (FT n KJ/(FV min K2) = M(r0/rsy2 8.4 раз или почти на порядок, что и утверждалось выше. Поясним, что последнюю формулу можно вывести, сравнивая эквивалентные схемы Рис. 7 а и Рис. 7 в, или проследив структурную аналогию (22) и (27) с учтом (8).

Обратим внимание, что на Рис. 7 в схемы для К2 в формуле амплитуды напряжения UF генератора, ответственного за влияние на камертон силы Fv , приложенной к острию зонда, появляется в сравнении с Рис. 7 а множитель М: UF = MFW /(2а) (28) Следующий краткий комментарий (более корректный подход в части 2.6). К2 Рис. 16 в сравнивается с К1 Рис. 3 а. В обеих возбуждаются такие колебания, чтобы совпали амплитуды именно острых вершин Av . Датчики приводятся в контакт с поверхностью с одинаковым давлением, тогда силы Fv трения вершин о поверхность совпадут (подразумевается вязкое трение). Из электроники, питающей датчики, в области контакта возникают одинаковые потоки мощности диссипации a AyFy 12. Этот поток в К2 проходит через поводок.

Счт фотонов: импульсное возбуждение и регистрация оптического сигнала в укороченные интервалы времени

Основные решения по реализации главных функций сканера. Задача сканера состоит в пространственном позиционировании зонда относительно образца по трм координатам XYZ. Обычно она разделяется на две части: грубое позиционирование с чувствительностью порядка 1 мкм, но в пределах значительных перемещений порядка 10 мм и тонкое позиционирование при сканировании с чувствительностью порядка 0.1 нм, но в малых пределах 10 мкм. В данной разработке принято следующее техническое решение. Движущими элементами являются четыре изначально одинаковые пьезотрубки. Одна расположена внутри рельса Z-модуля 2, три другие идентичные друг другу находятся внутри защитных кожухов трх модулей XY-пьезотрубок 5. Для приведения в движение всех четырх пьезотрубок требуется всего 6 проводов – по два провода на координату. Как решается задача позиционирования, удобно рассмотреть на примере Z-модуля. Два провода подходят к внутреннему и внешнему электроду пьезотрубки. Эти провода являются выходами двух высоковольтных усилителей с однополярным выходным напряжением в пределах от 0 до 500 В, но алгебраическая разность этих напряжений уже оказывается в диапазоне от – 500 до + 500 В, что соответствует максимальному допустимому паспортному диапазону для применнных пьезотрубок. В свою очередь трубка либо укорачивается на 4.5 мкм, либо удлиняется на 4.5 мкм – всего размах перемещений 9 мкм. Основание трубки вклеивается в основание Z-модуля 3, вершина – в верхнюю внутреннюю часть "рельса" Z-модуля 2 (на самом деле это полый полированный параллелепипед), так что весь рельс повторяет один в один перемещения вершины трубки. От боковых силовых моментов или ударов рельс предохраняют специальные тарельчатые упоры или пружины. По рельсу может скользить каретка Z-модуля 1 с регулируемой силой трения посредством винта и упругой пластины. Если ускорение рельса не превышает некий (регулируемый винтом) предел, то движение каретки один в один повторяет движение рельса, то есть осуществляется режим тонкого позиционирования по координате Z. Если по двум проводам подать импульс напряжения специальной формы, например, параболическое нарастание и резкий спад, то на фазе спада между рельсом и кареткой возникает проскальзывание, обусловленное инерцией каретки. Такими импульсами можно вынудить каретку совершать шаговые порядка 1 мкм перемещения относительно рельса в пределах отрезка 10 мм, что соответствует задаче грубого позиционирования по координате Z.

Работа сканера по координатам XY аналогична. Здесь только к каждой трубке идт не 2, а 4 провода. Внешний и внутренний электрод XY трубки каждый разделн на 4 части. Получается 4 пары электродов, образующих 4 независимых пьезоактивных сектора трубки. Два противоположных сектора отвечают за одну координату, например, X. Для перемещения оголовка XY-пьезотрубки 10 пара секторов X так запаяна к паре проводов X, что, когда один сектор удлиняется, другой диаметральный укорачивается, возникает изгиб трубки и перемещение опорного выступа оголовка в X направлении. Далее грубое и тонкое позиционирование по координате X происходит аналогично Z, только здесь перемещается не каретка, а XY-столик 4. Диапазон грубого перемещения здесь порядка 20х20 мм2.

В чм компромисс? Сразу виден недостаток, что XY-столик 4 может работать только в горизонтальной плоскости. Если его наклон превысит несколько угловых градусов, задаваемых величиной трения, то столик соскользнт с оголовков, но тут же возникает и достоинство – отсутствие специальных креплений и направляющих элементов позволяют экспериментатору, во-первых, легко снимать столик, во-вторых, вручную ставить его в положение близкое к рабочему в конкретной геометрии образца и зонда. Можно сравнить с альтернативным вариантом, когда тонкое позиционирование осуществляется по всем трм координатам на основе лишь одной трубки, электроды которой специальным образом размечены и разделены. Один недостаток альтернативы в том, что для грубого позиционирования потребуются дополнительные механизмы со своим электрическим и программным обеспечением. Далее изгибы единственной трубки приведут к завязыванию, например, X и Z координат, если зонд расположен не строго на оси трубки, тогда как трхточечная опора XY-столика 4 обеспечивает именно плоскопараллельное движение столика, несмотря на угловые изгибы трубок. Здесь столик может быть нагружен массивным и габаритным образцом или вспомогательным механизмом без ущерба техническим характеристикам позиционирования. Использование 4-х одинаковых трубок в данной разработке обеспечивает ещ одну важную характеристику сканера. Сканер оказывается термокомпенсированным. Так как сканер предусмотрительно сделан из одного материала – нержавеющей стали, то алгебраическая сумма тепловых смещений по контуру «образец – Z-трубка – металл – XY-трубка – металл – зонд» равна нулю. По этому контуру названы две пьезотрубки. То, что эти трубки одинаковы и параллельны друг другу приводит к указанной термокомпенсированности. Если бы применялся альтернативный вариант, то пришлось бы заботиться об этом дополнительно. Здесь же недостаток альтернативы – разметка одной трубки для всех трх координат уменьшает диапазон по каждой координате в 1.5 – 2 раза, правда, совмещение в одном Z-модуле грубых и тонких перемещений приводит к аналогичному недостатку в нашей конструкции, зато по XY координатам размах тонких перемещений довольно значителен – 35 мкм. Последнее обеспечивается тем, что освоена технология внутренней разметки (разбиения) XY-трубок, увеличивающая данный диапазон в 2 раза в сравнении с нераздельным внутренним электродом. Следует сообщить, что размах тонких перемещений Z-модуля равен 9 мкм, но лишь 5 мкм отводится для «безопасного» сканирования поверхности, так как 4 мкм оставляются для манвра грубого шага по отведению зонда от поверхности. Ещ одна характеристика сканера – это резонансные частоты. У данного сканера в общем-то неплохие частоты – 3 кГц в Z направлении и 600 Гц в горизонтали. Однако у альтернативного варианта они лучше, так как находятся в области десятка кГц. С другой стороны, крепжные элементы к такой единственной трубке весьма неудобны, и их масса также вызовет падение этих частот. Здесь же можно отметить сравнительное достоинство выбранной схемы, которая допускает длинные консоли, как на Рис. 33, к которым крепится двухрезонансный датчик. Длинные консоли удобны для разнообразных по размерам и форме образцов.