|
1. Введение и постановка задачи
В настоящее время в научных исследованиях и технических приложениях часто делается акцент на миниатюризацию устройств. Английские аббревиатуры МЕМS и NEMS, которые означают соответственно микро- и наномеханические системы, все чаще встречаются в самых разных областях. Микроскопические устройства имеют рекордные параметры и характеристики по сравнению с макроскопическими аналогами, они открывают путь в новые области физики и делают возможными технологии, раньше казавшиеся фантастическими.
Для регистрации малых масс были предложены различные микроскопические резонансные системы, которые, по оценкам, позволят достичь порога чувствительности в 1 дальтон = 1,66-10"27кг [1]. Высокочувствительные резонансные системы могут основываться на различных физических принципах, могут использовать пьезокварцевые элементы, тонкие проволоки или пленки. Данная работа посвящена микровесам на основе кантилеверов для атомно-силовой микроскопии. Ее цели состоят в том, чтобы o Реализовать метод резонансного микровзвешивания с использованием кантилеверов,
оценить его чувствительность и точность. o Используя этот метод, изучить сорбционные свойства микроскопических частиц
сорбентов, применяемых в хроматографии.
2. Литературный обзор 2.1 Сенсорные методы СЗМ
Коротко рассмотрим разнообразные устройства и научно-измерительные приборы, созданные на основе кантилеверов для сканирующей зондовой микроскопии и похожих на них микроскопических балок и консолей. Схематически некоторые из этих технологий собраны на рис. 1.
Вставка (рис.1, а) соответствует самому
атомно-силовому микроскопу, в котором для
исследования профиля поверхности
используется гибкая консоль с острием на конце. Если балка состоит из двух материалов с различными коэффициентами линейного
расширения, то она может использоваться как
Рис.1 Примеры сенсоров на основе кантилеверов [2]
3
3
температурный датчик, т.к. ее отклонение будет зависеть от температуры (рис.1, b).
Если на конце кантилевера закреплен микроскопический объект, в котором возможен фазовый переход, он также может быть изучен по зависимости отклонения кантилевера от температуры (рис.1, c). Такие эксперименты описаны в [3]. Авторы этой работы измеряли молярную энтальпию фазового перехода в алкановом образце, прикрепленном к кантилеверу, с точностью 10нДж. Объем исследованных образцов по порядку величины составлял пиколитры, а масса - доли нанограмма. Близкая технология описана в [4], где двухслойный кантилевер используется для фототермической спектроскопии. Было предложено использовать кантилеверы для регистрации тепла, которое выделяется при поглощении фотона материалом (рис.1, d).
Кантилеверы могут эффективно применяться и для изучения химических процессов (рис.1, e,f). Это возможно, если покрытие кантилевера является катализатором для некоторой химической реакции либо, само в ней участвует, присоединяя на поверхность определенные молекулы. В качестве примеров можно привести работы [2, 5, 6].
На вставке рис.1, g схематично представлена технология, которая легла в основу данной работы. Измеряя резонансную частоту кантилевера, можно определить присоединившуюся к нему массу. Таким образом можно взвесить микроскопический объект с очень высокой точностью (до 10-18г) [7]. Если же кантилевере закреплена микрочастица сорбента, то поглощенная ею масса газа может быть определена также с высокой точностью.
Изучая амплитудно-частотную характеристику кантилевера, можно делать выводы о плотности и вязкости окружающей его среды (рис.1 h), а также проводить термогравиметрический анализ микроскопической массы вещества (рис.1 i).
Другие типы сенсорных устройств, построенных на основе микрокантилеверов, включают в себя, например, сенсор электрических зарядов (рис.1 j), магнитных полей (рис.1 k) и электрохимический сенсор (рис.1 l) [8]. Последний представляет собой сложное высокотехнологичное устройство, изготавливаемое методами микропечати и зондовой нанолитографии на основе атомно-силового микроскопа. Идея предлагаемого сенсора состоит в том, что для регистрации отклонения кантилевера, вызванного адсорбцией молекул на его поверхность, сигналом служит изменение тока, протекающего через кантилевер и расположенный рядом с ним неподвижный электрод.
Более подробно обсудим метод измерения массы, в основе которого лежит измерение резонансной частоты колеблющегося кантилевера. Очевидно, частота изменится, если к кантилеверу прикрепить микроскопический объект. Измерив резонансную частоту такого нагруженного кантилевера и зная частоту его колебаний в свободном состоянии, можно определить массу добавленной частицы.
4
4
Этот метод может применяться для создания сенсоров. Для этого на кантилевер прикрепляют микроскопическую частицу сорбента, измерив ее массу до и после сорбции, определяют количество поглощенного вещества.
Сравнительно недавно, в 2004 г. был предложен метод измерения прикрепленной к кантилеверу массы не только по по
|
|
Список литературы
[1] K.L. Ekinci, Y.T. Yang, M.L. Roukes, Ultimate limits to inertial mass sensing based upon
nanoelectromechanical systems // J. Appl. Phys., 2004, 95, 5 [2] H.P. Lang, M.K. Baller, R. Berger, Ch. Gerber, J.K. Gimzewski, F.M. Battiston, P. Fornaro,
J.P. Ramseyer, E. Meyer, H. J. GuEntherodt An artificial nose based on a micromechanical
cantilever array // Analytica Chimica Acta, 1999, 393, PP. 59-65 [3] R. Berger, Ch. Gerber, J.K. Gimzewski, E. Meyer, H.J. GuEntherodt, Thermal analysis
using a micromechanical calorimeter // Appl. Phys. Lett., 1996, 69, 40 [4] J.R. Barnes, R.J. Stephenson, M.E. Welland, Ch. Gerber, J.K. Gimzewski, Photothermal
spectroscopy with femtojoule sensitivity using a micromechanical device // Nature 1994,
372, 79. [5] H.P. Lang, R. Berger, F. Battiston, J.-P. Ramseyer, E. Meyer, С Andreoli, J. Brugger,
P. Vettiger, M. Despont, T. Mezzacasa, L. Scandella, H.-J. Giintherodt, Ch. Gerber,
J.K. Gimzewski A chemical sensor based on a micromechanical cantilever array for the
identification of gases and vapors // Appl. Phys. A, 1998, 66, S61-S64 [6] F.M. Battiston, J.-P. Ramseyer, H.P. Lang, M.K. Baller, Ch. Gerber, J.K.Gimeziwski, E.
Meyer, H.-J. Giinterodt, A chemical sensor based on a micromechanical cantilever array
with simultaneous resonance-frequency and bending readout // Sensors Actuators B, 2001,
77, 122-131. [7] T. Ono, X. Li, H. Miyashita, M. Esashi, Mass sensing of adsorbed molecules in sub-
picogram sample with ultrathin silicon resonator // Rev. Sci. Instrum., 2003, 74, 3, 1240-
1243. [8] M. Villarroya, F. Perez-Murano, С Martin, Z. Davis, A. Boisen, J. Esteve, E. Figueras, J.
Montserrat, N. Barniol, AFM lithography for the definition fo nanometer scale gaps:
application to the fabrication of cantilever-based sensor with electrochemical current
detection // Nanotechnology, 2004, 15, 771-776 [9] L. B. Sharos, A. Raman, S. Crittenden, R. Reifenberger Enhanced mass sensing using
torsional and lateral resonances in microcantilevers // Appl. Phys. Lett., 2004, 84, 23 [10] Г.В. Лисичкин, А.Ю. Фадеев, А.А. Сердан, П.Н Нестеренко, П. Г. Мингалев, Д.Б.
Фурман, Химия привитых поверхностных соединений - М.: Физматлит 2003 [11] А. Адамсон, Физическая химия поверхностей - М.: Мир 1979 [12] О.М. Полторак, Термодинамика в физической химии - М.: Высшая школа 1991 [13] Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс, Фейнмановские лекции по физике - М.: Мир 1966
18
[14] В.А. Алешкевич, Л.Д. Деденко, В.А. Караваев, Механика сплошных сред. Лекции - М.:
изд-во Физического факультета МГУ, 1998 [15] http://ru.ntmdt.ru [16] T. Naik, E.K. Longmire, S.C. Mantell, Dynamic response of a cantilever in liquid near a
solid wall // Sensors Actuators A, 2003, 102, 240-254 [17] T. Braun, V. Barwich, M.K. Ghatkesar, A.H. Bredekamp, С Gerber, M. Hegner, H.P. Lang,
Micromechanical mass sensors for biomolecular detection in a physiological environment //
Phys. Rev. E, 2005, 72, 031907 [18] J.E. Sader, Frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with
applications to the atomic force microscope // J. Appl. Phys., 1998, 84,1 [19] Y. Chen, T. Thundant, E. A. Wachter, R. J. Warmack, Adsorption-induced surface stress
and its effects on resonance-frequency of microcantilevers // J. Appl. Phys., 1995, 77, 3618-
3622 [20] J.P. Cleveland, S. Manne, D. Bocek, P.K Hansma, A nondestructive method for determining
the spring constant of cantilevers for scanning force microscopy // Rev. Sci. Instrum. 1993,
62, 2,403-405 [21] G.A. Kiselev, I.V. Yaminsky Scanning Probe Microscopy of Biomacromolecules:
Instrumentation and Experiments // "Frontiers of Multifunctional Integrated Nanosystems",
Ed. by E. Buzaneva, P. Schraff. Kluwer Academic Publishers 2004. PP. 123-130 [22] J.E. Sader, J.W.M. Chon, P, Mulvaney, Calibration of rectangular atomic force microscope
cantilevers // Rev. Sci. Instrum., 1999, 70, 10.
19
|
На уровень вверх
Купить