РАЗРАБОТКА СТРЕЛОВИДНОГО КАНТИЛЕВЕРА ДЛЯ МНОГОЧАСТОТНОЙ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

  • С.В. Малохатко Южный Федеральный Университет
  • Е. Ю. Гусев Южный Федеральный Университет
  • О. А. Агеев Южный Федеральный Университет
Ключевые слова: Многочастотная атомно-силовая микроскопия, стреловидная форма балки, поли-кристаллический кремний, резонансная частота, коэффициент жесткости

Аннотация

В настоящее время в электронике ученые стараются перейти от микроуровня к на-но. С развитием такого направления, как наноэлектроника требуются усовершенствова-ние методов изучения поверхностей материалов. Многочастотная атомно-силовая микро-скопия включает несколько методов силовой микроскопии, которые позволяют сократить время сбора данных, повысить пространственное разрешение и количественное картиро-вание свойств поверхности. Для получения требуемых резонансных частот кантилевера используется метод распределения масс. В связи с этим используются специализированные кантилеверы, которые получаются путем модификации стандартных форм балок (с вы-травленным пазом; с утонение под форму стрелы). Для изготовления специализированных кантилеверов используют коммерческие кантилеверы из монокристаллического кремния. В качестве материалов помимо привычного кремния, также используются нитрид кремния и поликристаллический кремний. Применение поликристаллического кремния позволяет повы-сить прочность кантилевера. Целью данной работы является разработка конструкции стреловидного кантилевера из поликристаллического кремния для многочастотной атом-но-силовой микроскопии. В работе реализована параметрическая модель кантилевера на основе поликристаллического кремния специализированного для многочастотной атомно-силовой микроскопии, позволяющая исследовать частотные характеристики и отклонение кантилевера. Представлены результаты численного моделирования первых трех резонанс-ных частот методом конечных элементов. Моделирование выполнено при условии, что геометрические параметры балки лежали в диапазонах: длина 150–200 мкм, толщина от 2–6 мкм, ширина 20–50 мкм; размеры острия и его положение не менялись: высота острия 15 мкм, радиус основания 2 мкм и радиус вершины 35 нм. На основе разработанной модели определены диапазоны наиболее оптимальных значений для первых трех резонансных час-тот кантилевера, f1 – 50-250 кГц, f2 – 400-1500 кГц, f3 – 700 – 1900 кГц. Также получены аналитические зависимости коэффициента жесткости от геометрических параметров (длины, толщины, ширины): от 3,0 до 1,25 Н/м; 1,4 до 3,4 Н/м и от 2 до 50 Н/м; соответ-ственно. Полученные данные позволили определить конструкцию стреловидного кантиле-вера с геометрическими параметрами, обеспечивающими оптимальное соотношение же-сткости и резонансной частоты, удовлетворяющие требованиям многочастотной атом-но-силовой микроскопии (длина 170 мкм, ширина 30 мкм и толщина 2 мкм).

Литература

1. Garcia R., Herruzo E.T. The emergence of multifrequency force microscopy // Nature Nano-technology. – 2012. – Vol. 7. – P. 217-226.
2. Balantekin М., Atalar А. Enhanced higher-harmonic imaging in tapping-mode atomic force microscopy // Appl. Phys. Lett. – 2005. – Vol. 87, No. 20. – P. 243513-243515.
3. Dong M. Determination of protein structural flexibility by microsecond force spectroscopy // Nature Nanotechnology. – 2009. – Vol. 4. – P. 514-517.
4. Tetard L., Passion A., Thundat T. New modes for subsurface atomic force microscopy through nanomechanical // Nature Nanotechnology. – 2010. – Vol. 5. – Р. 105-109.
5. Balke N. Nanoscale mapping of ion diffusion in a lithium-ion battery cathode // Nature Nano-technology. – 2010. – Vol. 5. – P. 749-754.
6. Giessibl F.J. Advances in atomic force microscopy // Rev. Mod. Phys. – 2003. – Vol. 75. – P. 949-983.
7. Shamsudhin N., Rothuizen H., Nelson B.J. [et al.]. Multi-frequency atomic force microscopy: A system-theoretic approach // IFAC Proceedings Volumes. – 2014. – Vol. 47, No. 3. – P. 7499-7504.
8. Zhang W., Chen Y., Chu J. Cantilever optimization for applications in enhanced harmonic atomic force microscopy // Sensors and Actuators A: Physical. – 2017. – Vol. 255. – P. 54-60.
9. Cai J., Xia Q, Luz Y [et al.]. Optimal Design and Evaluation of Cantilever Probe for Multifrequency Atomic Force Microscopy. – URL: http://web.aeromech.usyd.edu.au/WCSMO2015/ pa-pers/1158_paper.pdf (дата обращения: 02.02.2019).
10. Малохатко С.В., Гусев Е.Ю., Житяева Ю.Ю. [и др.]. Разработка и исследование модели двухбалочного кантилевера на основе поликристаллического кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2017. – № 6 (191). – С. 234-243. 11. Малохатко С.В., Гусев Е.Ю. Моделирование резонансных частот поликремниевого канти-левера для многочастотной атомно-силовой микроскопии // Матер. международной науч-но-технической конференции "INTERMATIC-2018", 19-23 ноября 2018. – С. 683-686.
12. Быков А.В. Моделирование отклонения кантилевера на основе поликристаллического кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 9 (170). – С. 145-150.
13. Гуртов В.А., Беляев М.А., Бакшеева А.Г. Микроэлектромеханические системы: учеб. пособие. – Петрозаводск: Из-во ПетрГУ, 2016. – 171 с.
14. Краснобородько С.Ю. Исследование и разработка комплекса методик для совершенст-вования функциональных и точностных характеристик атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии. – URL: https://miet.ru/upload/iblock/5e4/Краснобородько_dis.pdf (дата обращения 2.12.2018).
15. Павлов И., Хохлов А. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 2000. – 494 с.
16. Васенков А., Епифанова В., Юдинцев В. Микроэлектроомеханические системы. Настало время выходить в свет. – URL:http://computer-museum.ru/books/vasenkov/vasenkov_3-5.htm (дата обращения 3.03.2017).
17. Boisen A., Dohn S. Cantilever-like micromechanical sensors // Reports on Progressin Physics. – 2011. – Vol. 74M, № 3. – P. 30.
18. Ansari M.Z., Cho C. A Study on Increasing Sensitivity of Rectangular Microcantilevers Used in Biosensors // Sensors. – 2008. – Vol. 8. – P. 7530-7544.
19. Гусев Е.Ю., Гамалеев В.А., Михно А.С [и др.]. Оптимизация конструкции контактно-металлизационной системы пьезокантилевера для атомно-силовой микроскопии // Из-вестия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С. 158-165.
20. Коноплёв Б.Г., Агеев О.А., Коломийцев А.С. Формирование наноразмерных структур на кремниевой подложке методом фокусированных ионных пучков // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2011. – № 1 (87). – С. 29-34.
21. Коноплев Б.Г., Агеев О.А., Смирнов В.А. [и др.]. Модификация зондовых датчиков-кантилеверов для атомно-силовой микроскопии методом фокусированных ионных пуч-ков // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4. – С. 4-8. 22. Konoplev B.G., Ageev O.A., Smirnov V.A. [et al.]. Probe modification for scanning-probe mi-croscopy by the focused ion beam method // Russian Microelectronics. – 2012. – Vol. 41, No. 1. – P. 41-50.
23. Позняк Г.Г., Копылов В.В., Рогов В.А. Современные методы проектирования нанотехно-логических процессов в машиностроении. – М.:РУДН, 2008. – 114 с.
24. Назаров Д. Обзор современных программ конечно-элементного анализа. – URL: http://www.sapr.ru /article.aspx?id=6797 (дата обращения 5.03.2017).
25. Гусев Е.Ю. Разработка технологии изготовления микромеханического акселерометра на основе поликристаллического кремния методами поверхностной микрообработки // Из-вестия ЮФУ. Технические науки. – 2016. – № 10 (183). – С. 52-64.
26. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems // Sensors and actuators A Phys-ical. – 2002. – Vol. 99. – P. 3-12.
Опубликован
2019-09-24
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ III. НАНОТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ