Инжeнeры из Унивeрситeтa Тexaсa и Унивeрситeтa Ньюкaслa (Aвстрaлия) рaзрaбoтaли aтoмнo-силoвoй микрoскoп, пoлнoстью умeщaющийся нa нeбoльшoм чипe. В качестве активных элементов в нем используются микроэлектромеханические системы. Авторы отмечают, словно для сборки системы использовался подход «кремний  на изоляторе» — его масштабируемость может помочь объемисто снизить стоимость приборов.Исследование опубликовано в Journal of Electromechanical Systems.

Атомно-с позиции силы микроскоп — прибор, изучающий поверхность образца с помощью «ощупывания». Одна из главных его частей — кантилевер, безумно острая игла, расположенная на специальной балке. Радиус острия иглы может добираться одного нанометра. Когда игла приближается к поверхности, получи нее начинают действовать межмолекулярные силы, что приводит к прогибу балки. Поэтому прогибу есть определить относительную высоту двух соседних точек образца.Для того измерения этой величины на балку светят лазером — возлюбленная играет роль оптического плеча и любое изменение ее положения в пространстве меняет и в таком случае,куда отражается лазерный луч (его положение получай фотодиоде).

Фотография атомно-силового микроскопа на чипе. В ширину фотокарточка охватывает восемь миллиметров. Кантилевер в центре. Michael G. Ruppert et al. / Journal of Electromechanical Systems, 2017

Принцип работы атомно-силового микроскопа. PZT — пьезоэлектрический скэнар, перемещающий образец. Wikimedia Commons

Разрешение микроскопа определяется тем, что точно он может подвести иглу к нужным точкам. В лучших установках буква точность гораздо меньше размеров атома — это позволяет шмалять и определять форму электронной оболочки отдельных атомов. Вроде правило, для этого используют пьезоэлектрические моторы —керамические трубки, удлиняющиеся по-под действием приложенного напряжения. В целом атомно-силовые микроскопы оказываются безбожно сложными и дорогостоящими системами.

Авторы новой работы предложили изменить схему работы прибора и миниатюризовать микроскоп. Ученые предложили использовать в качестве основы кремниевые МЭМС-устройства, изготавливаемые точно по технологии «кремний  на изоляторе». Эта технология совместима с массовым производством и использует фотолитографические техники.

Строение атомно-силового микроскопа получи МЭМС. Michael G. Ruppert et al. / Journal of Electromechanical Systems, 2017

Конструкция, созданное авторами, состоит из тех же принципиальных частей, яко и «большие» зондовые микроскопы. В роли пьезоэлектрических моторов в нем выступают электростатические актюаторы:  пары проводящих гребенок, притягивающихся ведет дружбу) к другу под действием приложенного напряжения. Две туман таких актюаторов обеспечивают ошибку позиционирования иглы всего в 16 нанометров. Во (избежание раскачивания самой иглы, требуемого для сканирования в теппинг-моде («постукивание»образца) используется рафинированный слой пьезоэлектрика на балке кантилевера. Его а использовали для анализа механического состояния балки (амплитуды колебаний итак затем) и оценки высоты поверхности. Инженерам удалось успешно использовать созданный ортоскоп для анализа поверхности.

Внешний вид микроскопа. Michael G. Ruppert et al. / Journal of Electromechanical Systems, 2017

Авторы отмечают, фигли микроэлектромеханические актюаторы позволяют использовать для сканирования поверхности далеко не только стандартные траектории (построчное сканирование), но и сильнее сложные, например, спирали или фигуры Лиссажу. Сие может увеличить скорость сканирования образцов.

Атомно-силовая микроскопия активно используется в материаловедении, медицине и многих других технических дисциплинах. Примерно сказать, с ее помощью ученые научились диагностировать рак, приумножать молекулы с помощью манипуляции одиночными атомами, рисовать электрические схемы для графене и управлять лазерами. Благодаря атомно-силовому микроскопу, расположенному получай борту космического аппарата «Розетта» физики узнали о строении пыли комет.

Автор: Владимир Королёв