Кантилевер
Кантилевер
Кантилевер (англ. cantilever — кронштейн, консоль) — это устоявшееся именование наиболее распространенной в сканирующей атомно-силовой микроскопии конструкции микромеханического зонда.
Устройство
Кантилевер представляет собой массивное прямоугольное основание, размеры которого составляют примерно 1,5×3,5×0,5 мм, с выступающей из него балкой (собственно кантилевером), шириной порядка 0,03 мм и длиной от 0,1 до 0,5 мм.Одна из сторон балки является зеркальной, что позволяет использовать оптическую систему контроля изгиба кантилевера.На противоположной стороне балки на свободном конце находится игла, которая взаимодействует с измеряемым образцом.Форма иглы может значительно изменяться в зависимости от способа изготовления.Радиус острия иглы промышленных кантилеверов находится в пределах 5—90 нм, лабораторных — от 1 нм.
Изготовление
Обычно вся конструкция, за исключением, может быть, иглы, является кремниевым монокристаллом.Также кантилеверы изготавливают из полимеров или нитрида кремния (Si3N4).Процесс производства во многом схож с производством кремниевого электронного оборудования, и включает сухое либо жидкофазное вытравливание подложки.Таким образом, кантилеверы являются достаточно удобными для массового производства.
Принцип работы
Следующие два уравнения являются ключевыми для понимания принципа работы кантилеверов.Первое — так называемая формула Стоуни (англ. Stoney’s formula), связывающее отклонение конца балки кантилевера δ с приложенным механическим напряжением σ. Отклонение балки регистрируется чувствительными емкостными и оптическими датчиками. Второе уравнение устанавливает зависимость коэффициента упругости кантилевера от его размеров и свойств материала.Коэффициент упругости связан с резонансной частотой кантилевера по закону гармонического осциллятора.
Изменение силы, которая прилагается к кантилеверу может привести к сдвигу резонансной частоты.Сдвиг частоты может быть измерен с большой точностью по принципу гетеродин. Одной из важных проблем при практическом использовании кантилевера является проблема квадратичной и кубической зависимости свойств кантилевера от его размеров.Эти нелинейные зависимости означают, что кантилеверы довольно чувствительны к изменению параметров процесса.Контроль остаточной деформации также может представлять сложность.
