ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ МИКРОСКОПИИ ТОКОВ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ МИКРОСКОПИИ ТОКОВ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
УДК 53.084.2
ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ МИКРОСКОПИИ ТОКОВ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
А.О. Голубок, В.В. Левичев, В.Н. Матыжонок, А.В. Стовпяга
Создан пьезорезонансный датчик с микрозондом на основе стеклянной пипетки для сканирующей микроскопии токов ионной проводимости. Измерена резонансная частота и добротность датчика в воздушной и жидкой средах. Для улучшения латерального разрешения микрозонда на торце пипетки с помощью фокусированного ионного пучка сформирован нановыступ. С использованием тестовой решетки продемонстрировано пространственное разрешение микрозонда с нановыступом. Сделан вывод о возможности использования микрозонда в жидкой среде с одновременной работой в полуконтактной силовой моде и в моде измерения ионных токов. Ключевые слова: сканирующая микроскопия токов ионной проводимости, микропипетка.
Введение
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из основных инструментов нанотехнологий. С помощью СЗМ решают разнообразные задачи, связанные с исследованием и модификацией объектов различной природы как в вакууме, так и в газообразных и жидких средах. Широкий спектр задач обусловливает возникновение различных методик, учитывающих специфику природы исследуемых образцов и окружающей среды. Для исследования с субмикронным разрешением мягких материалов, находящихся в растворе электролита, была разработана методика, получившая название сканирующей микроскопии токов ионной проводимости (СМТИП) [1]. С помощью методики СМТИП получают карту ионных токов, протекающих над поверхностью образца, используя стеклянную микропипетку в качестве зонда. СМТИП позволяет визуализировать мягкие биологические объекты, функционирующие в жидкой среде с ионной проводимостью, а также поры в искусственных мембранах. Используя СМТИП, можно получить детальную информацию о 3D структуре образца и важные данные о функционировании биологических клеток [2]. Изучение кинетики и пространственного распределения ионных токов в клеточных мембранах дает возможность регистрировать биологические процессы в реальном времени. Исследование потока ионов, проходящих через поры в искусственных мембранах, позволяет получить экспериментальные данные, необходимые для создания технологий электрохимических топливных элементов и диализа.
Целью данной работы явилось создание и исследование зонда для СМТИП, позволяющего измерять ионные токи с одновременной визуализацией поверхности в полуконтактной силовой моде. Для улучшения пространственного разрешения зонда в полуконтактой силовой моде была поставлена задача формирования на торце стеклянной микропипетки с помощью технологии фокусированного ионного пучка (ФИП) острия с нанометровыми размерами. В настоящее время технология ФИП широко используется для микро- и наномодификации различных материалов. Обычно для этой цели используются сфокусированные в тонкий пучок ионы галлия. Визуализация процесса обработки наноострия возможна за счет одновременного сканирования области обработки электронным пучком. Такая технология реализуется в двухлучевом микроскопе-литографе «Zeiss Crossbeam 1540 XB», использованном в данной работе.
Принцип работы СМТИП
Принцип работы СМТИП показан на рис. 1 [3].
Рис. 1. Схема работы сканирующего микроскопа токов ионной проводимости
64 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
А.О. Голубок, В.В. Левичев, В.Н. Матыжонок, А.В. Стовпяга
Зондовый датчик для СМТИП представляет собой микропипетку, заполненную электролитом. Микропипетка помещается над поверхностью не проводящего ионный ток образца, погруженного в раствор электролита. В качестве электролита может выступать физиологический раствор, в котором функционируют биологические клетки. При приближении кончика микропипетки к поверхности образца ток уменьшается вследствие уменьшения зазора между пипеткой и образцом, через который протекают ионы. Ионный ток измеряется усилителем и используется в качестве сигнала обратной связи для следящей системы автоматического управления перемещением сканера в направлении, перпендикулярном к поверхности образца. С помощью отрицательной обратной связи поддерживается постоянное расстояние между вершиной микропипетки и исследуемым образцом.
Эксперимент
Конструкция датчика для сканирующего зондового микроскопа представляет собой модификацию пьезорезонансного датчика силового взаимодействия [4]. К свободному концу пьезотрубки приклеена стеклянная микропипетка [5]. Для создания микропипеток использовались стеклянные капилляры из боросиликатного стекла с внутренним диаметром 0,4 мм и внешним диаметром 1,2 мм. Вытяжка капилляров проводилась на лазерной установке, представленной на рис. 2.
Рис. 2. Схема установки для лазерной вытяжки микрозондов
В данной схеме использовался CO2 лазер с поперечным разрядом. Расходимость лазерного излучения составила 4 мрад при диаметре пучка 6 мм, мощность излучения – до 20 Вт. Излучение лазера поворотным зеркалом направляется на установку, проходит ZnSe линзу с просветляющим покрытием (фокусное расстояние 75 мм) и падает на заготовку. Линза имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси, поэтому заготовка может обрабатываться как в фокусе лазерного пучка, так и за ним. Часть лазерного излучения поглощается, в результате чего температура небольшой зоны заготовки увеличивается и происходит постепенное расплавление зоны воздействия. Для обеспечения равномерности прогрева заготовки к захватам суппортов подводится вращающий момент от электродвигателя. Скорость вращения двигателя, а, следовательно, и заготовки, можно регулировать в диапазоне скоростей от 0 до 10 оборотов/с. К концам заготовки прикладывается растягивающее механическое усилие, что приводит к образованию зондов в результате разрыва заготовки в точке воздействия лазерного излучения.
аб
Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения (двухлучевой микроскоп-литограф «Zeiss Crossbeam 1540 XB»): а – исходное острие микропипетки (ширина выступа ~110 мкм), б – формирование нановыступа
(ширина ~200 нм) с помощью ФИП, горизонтально пересекающего верхнюю часть изображения
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
65
ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ МИКРОСКОПИИ ТОКОВ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
Исходная микропипетка, полученная с помощью технологии лазерной вытяжки, имела плоский торец с достаточно большим диаметром – около 11 мкм (рис. 3, а). В результате ионной обработки по технологии ФИП (30 кВ, 300 пА) на торце микропипетки формировался выступ с шириной менее 200 нм (рис. 3, б).
Результаты и обсуждение Тестирование зонда проводилось в СЗМ «NanoEducator». Резонансные кривые имели вид, аналогичный кривым, полученным нами ранее [5], и имели резонансную частоту в диапазоне 4,9–7 кГц при добротности Q=20,6–26,0.
аб
вг Рис. 4. СЗМ-изображения (СЗМ «NanoEducator») тестовой решетки TGT и их поперечные сечения, полученные в полуконтактной силовой моде: а, б – зонд в виде микропипетки после лазерной вытяжки;
в, г – зонд в виде микропипетки с нановыступом
На рис. 4 представлены СЗМ-изображения тестовых решеток и их поперечные сечения, полученные в СЗМ «NanoEducator» в полуконтактной силовой моде с использованием микропипетки с плоской вершиной (11 мкм) (рис. 4, а, б) и микропипеткой с нановыступом, полученный с помощью технологии ФИП (рис. 4, в, г). Сравнение этих изображений, а также их поперечных сечений показывает, что на рис. 4, в, и 4, г, наблюдается значительное улучшение пространственного разрешения. Вместе с тем пространственное разрешение, достигнутое на рис. 4, а, и 4, б, значительно лучше того, которое можно было бы ожидать от применения зонда с внешним диаметром около 11 мкм. Наблюдаемое в эксперименте пространственное разрешение можно связать с присутствием на торце микропипетки острого выступа с характерным размером значительно меньше 11 мкм, который случайно образовался в процессе лазерной вытяжки.
Заключение Таким образом, применение технологии ФИП позволяет контролируемым образом создавать нановыступ на торце микропипетки, используемой в качестве зонда в СМТИП.
66 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
А.Л. Пинаев, А.О. Голубок
Исследование зонда с помощью тестовой решетки показало, что он обеспечивает пространственное разрешение, аналогичное пространственному разрешению, достигаемому в полуконтактной силовой моде при использовании стандартного вольфрамового зонда, заостренного методом электрохимического травления. Добротность пьезорезонансного датчика со стеклянной микропипеткой близка к добротности датчика с вольфрамовым зондом. Жидкая среда не уменьшает добротность датчика по сравнению с добротностью, получаемой в воздушной среде.
На основании приведенных результатов исследования можно сделать вывод о возможности применения пьезорезонансного датчика с зондом-микропипеткой для измерения пространственного распределения токов ионной проводимости вблизи поверхности образца, находящегося в жидкой проводящей среде, с одновременной визуализацией поверхности в полуконтактной силовой моде с высоким пространственным разрешением.
Работа поддержана грантом Министерства образования и науки № 2.1.2/4187 «Многофункциональные нанозонды для сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и литографии (СЗМ-С-Л): концепция, технология, характеризация, применение». Исследования выполнены в НОЦ-НТ СПБГУ ИТМО на двухлучевом микроскопе-литографе «Zeiss Crossbeam 1540 XB».
Литература
1. Ying L., Bruckbauer A., Zhou D., Gorelik J., Shevchuk A. // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2005. – № 7. – P. 2859–2866.
2. Bruckbauer A., Ying L., Rothery A., Zhou D., Shevchuk. A. // Journal AM. CHEM. SOC. – 2002. – № 124. – P. 8810–8812.
3. Shevchuk A. et al., Simultaneous Measurement of Ca2+ and Cellular Dynamics: combined Scanning Ion Conductance and Optical Microscopy to Study Contracting Cardiac Myocytes // Biophysical Journal. – 2001. – V. 81. – P. 1759–1764.
4. Голубок А.О., Васильев А.А., Керпелева С.Ю., Котов В.В., Сапожников И.Д, Датчик локального силового и туннельного взаимодействия в сканирующем зондовом микроскопе // Научное приборостроение. – 2005. – Т. 15. – № 1. – C. 62–69.
5. Голубок А.О., Левичев В.В., Пинаев А.Л., Стовпяга А.В., Исследование пьезорезонансного датчика локального силового взаимодействия сканирующего зондового микроскопа с зондом в виде микропипетки // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2009. – № 3(61). – С. 59–62.
Голубок Александр Олегович –
Левичев Вадим Вячеславович –
Матыжонок Виктор Николаевич Стовпяга Александр Владимирович
– –
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, зав. кафедрой, golubok@ntspb.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, преподаватель, levichev_vadim@mail.ru Санкт-Петербургский государственный университет информа-ционных технологий, механики и оптики, аспирант, victoor@yandex.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, sanja100v@mail.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
67
УДК 53.084.2
ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ МИКРОСКОПИИ ТОКОВ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
А.О. Голубок, В.В. Левичев, В.Н. Матыжонок, А.В. Стовпяга
Создан пьезорезонансный датчик с микрозондом на основе стеклянной пипетки для сканирующей микроскопии токов ионной проводимости. Измерена резонансная частота и добротность датчика в воздушной и жидкой средах. Для улучшения латерального разрешения микрозонда на торце пипетки с помощью фокусированного ионного пучка сформирован нановыступ. С использованием тестовой решетки продемонстрировано пространственное разрешение микрозонда с нановыступом. Сделан вывод о возможности использования микрозонда в жидкой среде с одновременной работой в полуконтактной силовой моде и в моде измерения ионных токов. Ключевые слова: сканирующая микроскопия токов ионной проводимости, микропипетка.
Введение
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из основных инструментов нанотехнологий. С помощью СЗМ решают разнообразные задачи, связанные с исследованием и модификацией объектов различной природы как в вакууме, так и в газообразных и жидких средах. Широкий спектр задач обусловливает возникновение различных методик, учитывающих специфику природы исследуемых образцов и окружающей среды. Для исследования с субмикронным разрешением мягких материалов, находящихся в растворе электролита, была разработана методика, получившая название сканирующей микроскопии токов ионной проводимости (СМТИП) [1]. С помощью методики СМТИП получают карту ионных токов, протекающих над поверхностью образца, используя стеклянную микропипетку в качестве зонда. СМТИП позволяет визуализировать мягкие биологические объекты, функционирующие в жидкой среде с ионной проводимостью, а также поры в искусственных мембранах. Используя СМТИП, можно получить детальную информацию о 3D структуре образца и важные данные о функционировании биологических клеток [2]. Изучение кинетики и пространственного распределения ионных токов в клеточных мембранах дает возможность регистрировать биологические процессы в реальном времени. Исследование потока ионов, проходящих через поры в искусственных мембранах, позволяет получить экспериментальные данные, необходимые для создания технологий электрохимических топливных элементов и диализа.
Целью данной работы явилось создание и исследование зонда для СМТИП, позволяющего измерять ионные токи с одновременной визуализацией поверхности в полуконтактной силовой моде. Для улучшения пространственного разрешения зонда в полуконтактой силовой моде была поставлена задача формирования на торце стеклянной микропипетки с помощью технологии фокусированного ионного пучка (ФИП) острия с нанометровыми размерами. В настоящее время технология ФИП широко используется для микро- и наномодификации различных материалов. Обычно для этой цели используются сфокусированные в тонкий пучок ионы галлия. Визуализация процесса обработки наноострия возможна за счет одновременного сканирования области обработки электронным пучком. Такая технология реализуется в двухлучевом микроскопе-литографе «Zeiss Crossbeam 1540 XB», использованном в данной работе.
Принцип работы СМТИП
Принцип работы СМТИП показан на рис. 1 [3].
Рис. 1. Схема работы сканирующего микроскопа токов ионной проводимости
64 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
А.О. Голубок, В.В. Левичев, В.Н. Матыжонок, А.В. Стовпяга
Зондовый датчик для СМТИП представляет собой микропипетку, заполненную электролитом. Микропипетка помещается над поверхностью не проводящего ионный ток образца, погруженного в раствор электролита. В качестве электролита может выступать физиологический раствор, в котором функционируют биологические клетки. При приближении кончика микропипетки к поверхности образца ток уменьшается вследствие уменьшения зазора между пипеткой и образцом, через который протекают ионы. Ионный ток измеряется усилителем и используется в качестве сигнала обратной связи для следящей системы автоматического управления перемещением сканера в направлении, перпендикулярном к поверхности образца. С помощью отрицательной обратной связи поддерживается постоянное расстояние между вершиной микропипетки и исследуемым образцом.
Эксперимент
Конструкция датчика для сканирующего зондового микроскопа представляет собой модификацию пьезорезонансного датчика силового взаимодействия [4]. К свободному концу пьезотрубки приклеена стеклянная микропипетка [5]. Для создания микропипеток использовались стеклянные капилляры из боросиликатного стекла с внутренним диаметром 0,4 мм и внешним диаметром 1,2 мм. Вытяжка капилляров проводилась на лазерной установке, представленной на рис. 2.
Рис. 2. Схема установки для лазерной вытяжки микрозондов
В данной схеме использовался CO2 лазер с поперечным разрядом. Расходимость лазерного излучения составила 4 мрад при диаметре пучка 6 мм, мощность излучения – до 20 Вт. Излучение лазера поворотным зеркалом направляется на установку, проходит ZnSe линзу с просветляющим покрытием (фокусное расстояние 75 мм) и падает на заготовку. Линза имеет возможность перемещаться вдоль оптической оси, поэтому заготовка может обрабатываться как в фокусе лазерного пучка, так и за ним. Часть лазерного излучения поглощается, в результате чего температура небольшой зоны заготовки увеличивается и происходит постепенное расплавление зоны воздействия. Для обеспечения равномерности прогрева заготовки к захватам суппортов подводится вращающий момент от электродвигателя. Скорость вращения двигателя, а, следовательно, и заготовки, можно регулировать в диапазоне скоростей от 0 до 10 оборотов/с. К концам заготовки прикладывается растягивающее механическое усилие, что приводит к образованию зондов в результате разрыва заготовки в точке воздействия лазерного излучения.
аб
Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения (двухлучевой микроскоп-литограф «Zeiss Crossbeam 1540 XB»): а – исходное острие микропипетки (ширина выступа ~110 мкм), б – формирование нановыступа
(ширина ~200 нм) с помощью ФИП, горизонтально пересекающего верхнюю часть изображения
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
65
ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ МИКРОСКОПИИ ТОКОВ ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТИ
Исходная микропипетка, полученная с помощью технологии лазерной вытяжки, имела плоский торец с достаточно большим диаметром – около 11 мкм (рис. 3, а). В результате ионной обработки по технологии ФИП (30 кВ, 300 пА) на торце микропипетки формировался выступ с шириной менее 200 нм (рис. 3, б).
Результаты и обсуждение Тестирование зонда проводилось в СЗМ «NanoEducator». Резонансные кривые имели вид, аналогичный кривым, полученным нами ранее [5], и имели резонансную частоту в диапазоне 4,9–7 кГц при добротности Q=20,6–26,0.
аб
вг Рис. 4. СЗМ-изображения (СЗМ «NanoEducator») тестовой решетки TGT и их поперечные сечения, полученные в полуконтактной силовой моде: а, б – зонд в виде микропипетки после лазерной вытяжки;
в, г – зонд в виде микропипетки с нановыступом
На рис. 4 представлены СЗМ-изображения тестовых решеток и их поперечные сечения, полученные в СЗМ «NanoEducator» в полуконтактной силовой моде с использованием микропипетки с плоской вершиной (11 мкм) (рис. 4, а, б) и микропипеткой с нановыступом, полученный с помощью технологии ФИП (рис. 4, в, г). Сравнение этих изображений, а также их поперечных сечений показывает, что на рис. 4, в, и 4, г, наблюдается значительное улучшение пространственного разрешения. Вместе с тем пространственное разрешение, достигнутое на рис. 4, а, и 4, б, значительно лучше того, которое можно было бы ожидать от применения зонда с внешним диаметром около 11 мкм. Наблюдаемое в эксперименте пространственное разрешение можно связать с присутствием на торце микропипетки острого выступа с характерным размером значительно меньше 11 мкм, который случайно образовался в процессе лазерной вытяжки.
Заключение Таким образом, применение технологии ФИП позволяет контролируемым образом создавать нановыступ на торце микропипетки, используемой в качестве зонда в СМТИП.
66 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
А.Л. Пинаев, А.О. Голубок
Исследование зонда с помощью тестовой решетки показало, что он обеспечивает пространственное разрешение, аналогичное пространственному разрешению, достигаемому в полуконтактной силовой моде при использовании стандартного вольфрамового зонда, заостренного методом электрохимического травления. Добротность пьезорезонансного датчика со стеклянной микропипеткой близка к добротности датчика с вольфрамовым зондом. Жидкая среда не уменьшает добротность датчика по сравнению с добротностью, получаемой в воздушной среде.
На основании приведенных результатов исследования можно сделать вывод о возможности применения пьезорезонансного датчика с зондом-микропипеткой для измерения пространственного распределения токов ионной проводимости вблизи поверхности образца, находящегося в жидкой проводящей среде, с одновременной визуализацией поверхности в полуконтактной силовой моде с высоким пространственным разрешением.
Работа поддержана грантом Министерства образования и науки № 2.1.2/4187 «Многофункциональные нанозонды для сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и литографии (СЗМ-С-Л): концепция, технология, характеризация, применение». Исследования выполнены в НОЦ-НТ СПБГУ ИТМО на двухлучевом микроскопе-литографе «Zeiss Crossbeam 1540 XB».
Литература
1. Ying L., Bruckbauer A., Zhou D., Gorelik J., Shevchuk A. // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2005. – № 7. – P. 2859–2866.
2. Bruckbauer A., Ying L., Rothery A., Zhou D., Shevchuk. A. // Journal AM. CHEM. SOC. – 2002. – № 124. – P. 8810–8812.
3. Shevchuk A. et al., Simultaneous Measurement of Ca2+ and Cellular Dynamics: combined Scanning Ion Conductance and Optical Microscopy to Study Contracting Cardiac Myocytes // Biophysical Journal. – 2001. – V. 81. – P. 1759–1764.
4. Голубок А.О., Васильев А.А., Керпелева С.Ю., Котов В.В., Сапожников И.Д, Датчик локального силового и туннельного взаимодействия в сканирующем зондовом микроскопе // Научное приборостроение. – 2005. – Т. 15. – № 1. – C. 62–69.
5. Голубок А.О., Левичев В.В., Пинаев А.Л., Стовпяга А.В., Исследование пьезорезонансного датчика локального силового взаимодействия сканирующего зондового микроскопа с зондом в виде микропипетки // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2009. – № 3(61). – С. 59–62.
Голубок Александр Олегович –
Левичев Вадим Вячеславович –
Матыжонок Виктор Николаевич Стовпяга Александр Владимирович
– –
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, зав. кафедрой, golubok@ntspb.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, преподаватель, levichev_vadim@mail.ru Санкт-Петербургский государственный университет информа-ционных технологий, механики и оптики, аспирант, victoor@yandex.ru Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, sanja100v@mail.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2010, № 4(68)
67