преимущества, какое есть у нежного и слабого.
Лао-цзы
Кантилевер (cantilever) – консоль, кронштейн, одна из основных частей сканирующего зондового микроскопа.
Представьте себе трамплин для прыжков в воду, но не для обычных людей, таких как мы с вами, а для малюсеньких микрочеловечков, ноги которых в 10 раз тоньше человеческого волоса – именно так выглядит кантилевер. С одной стороны, кантилевер – это всего лишь крошечная балка; толщина которой составляет от 0.1 до 5 мкм, ширина - от 10 до 40 мкм, а длина - от 100 до 200 мкм. С другой стороны, кантилевер является незаменимым помощником нанотехнолога. С его помощью ученые могут «ощупать» поверхность и лежащие на ней отдельные молекулы, перемещать их, производить химические опыты со столь малыми количествами веществ, которые нельзя взвесить даже на самых точных лабораторных весах.
От длины, ширины, толщины, а также природы материала, из которого сделан кантилевер, зависит его жесткость. Чем кантилевер длиннее и тоньше – тем легче он гнется. Можно сделать такой мягкий кантилевер, что с его помощью возможно будет надавить на поверхность с силой в одну миллиардную долю ньютона. Это в тысячу раз меньше, чем сила, с которой пылинка давит на стол, на котором она лежит!
Такие маленькие силы нужны для сканирования поверхности, чтобы, например, можно было отличить лежащие на ней отдельные молекулы. На кончике кантилевера обычно расположена микроскопическая и очень острая иголка. Если бы кантилевер не мог хорошо гнуться, то при подводе его к поверхности с помощью системы нанопозиционирования, игла просто повредила бы поверхность, воткнувшись в нее. Но кантилевер всегда подбирают настолько мягким, чтобы при подводе к поверхности он мог изогнуться, а поверхность оставалась бы в целости и сохранности. В какой-то степени кантилевер похож по своим функциям на инструмент лозоходца – расщепленную лозу, которая то ли воду под землей чувствует, то ли настроение ее обладателя, однако величина отколонения (или частота колебаний в особом режиме работы) кантилевера связаны с вполне физическими явлениями - взаимодействием с атомами или молекулами на поверхности исследуемого образца. Кантилеверы также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие кантилеверы (и алмазные иглы) можно делать гравировку и проводить «наночеканку» – выдавливать на поверхности крошечные рисунки (наноинденторы).
Производство кантилеверов основано на использовании двух материалах – кремния и нитрида кремния. Острия для «атомно-силовой микроскопии» (АСМ) также изготавливают из кремния, нитрида кремния или алмаза, а также используют покрытия TiN, W2C, Pt, Au, или магнитных материалов Fe-Ni/Cr, Co/Cr, CoSm/Cr. Чтобы сделать столь маленькие детали, используют процессы литографии, химического и физического травления. Для улучшения светоотражающих свойств обратную сторону зонда АСМ обычно покрывают алюминием или золотом с помощью термического напыления в вакууме. Кроме того, покрытие кантилевера пьезоэлектрической керамикой на основе цирконата-титаната свинца (Pb[ZrxTi1-x]O3, ЦТС или PZT) позволяет управлять движением кантилевера, прикладывая к контактам разность потенциалов или непосредственно считывать частоту его свободных колебаний. Такие устройства находят сегодня широкое применение для разработки и создания «наноэлектромеханических систем», «систем нанопозиционирования», «наноактюаторов», «наносенсоров», «нановесов» и т.д.
Геометрия кантилевера определяет важные механические свойства (в первую очередь жесткость и резонансную частоту), и варьируется в широких пределах. Ниже приведена формула, определяющая константу жесткости k:
где E – модуль Юнга материала кантилевера, w – ширина, t – толщина, а L – длина прямоугольного кантилевера. Кроме обычных прямоугольных кантилеверов, похожих на трамплин для прыжков воду, делают, например, V-образные кантилеверы, которые легко гнуться в перпендикулярном своей плоскости направлении, но практически не перекручиваются.
Миронов В.Л.. Основы сканирующей зондовой микроскопии. 2004. Мир.
