RU163240U1

RU163240U1 - SCANNING PROBE OF ATOMICALLY POWER MICROSCOPE WITH NANOCOMPOSITE RADIATING ELEMENT ALLOYED BY QUANTUM DOTS AND MAGNETIC NANOPARTICLES OF THE NUCLEAR SHELL STRUCTURE

Info

Publication number: RU163240U1
Application number: RU2016102583/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Линьков; Николай Владимирович Вишняков; Юрий Владимирович Линьков; Павел Владимирович Линьков
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2016-07-10

Abstract

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной с магнитопрозрачной полимерной сферой, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП, отличающийся тем, что содержит двухслойную углеродную нанотрубку, состоящую из подвижной однослойной углеродной нанотрубки большего диаметра, длиной, равной диаметру магнитопрозрачной полимерной сферы, и вложенную в нее с зазором, приближенно равным расстоянию между слоями кристаллического графита, однослойную углеродную нанотрубку меньшего диаметра, длиной, равной максимальной глубине сканируемых боковых стенок наноколодцев, причем внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра жестко соединена с внешней поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, а внешняя поверхность внешней подвижной углеродной нанотрубки большего диаметра продета и жестко закреплена в одной из нанометровых сквозных пор малого диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы, причем одноименные полюса всех магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка, размещенных в ней, ориентированы в одном направлении и расположены паScanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, including a magnetically transparent cantilever with an electrically conductive probe needle connected to a magnetically transparent polymer sphere containing through nanometer pores of small and large diameters filled with quantum dots and respectively magnetic nanoparticles of the core-shell structure coated with a protective opto-magnetically transparent polymer layer; quantum dots excitation catalog, an external magnetic field source in the form of a flat micro coil connected to the DAC output, characterized in that it contains a two-layer carbon nanotube consisting of a moving single-walled carbon nanotube of a larger diameter, equal in length to the diameter of the magnetically transparent polymer sphere, and embedded in it with a gap approximately equal to the distance between the layers of crystalline graphite, a single-walled carbon nanotube of smaller diameter, with a length equal to the maximum depth of the scanned side walls nano-wells, and the inner surface of the embedded carbon nanotube of small diameter is rigidly connected to the outer surface of the electrically conductive magnetically transparent probe needle, and the outer surface of the outer movable carbon nanotube of larger diameter is threaded and rigidly fixed in one of the nanometer through pores of a small diameter magnetically transparent polymer sphere, with the same poles of all magnetic nanoparticles of the core-shell structure placed in it are oriented in one direction and are located

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.The utility model relates to measuring technique and can be used in probe scanning microscopy and atomic force microscopy to diagnose and study nanoscale structures.

Известен зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка, включающий кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной за счет продевания ее вершины с трением, на расстояние равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев, в одну из нанометровых сквозных пор стеклянной сферы, покрытой защитным прозрачным слоем, сквозные нанометровые поры которой, заполнены квантовыми точками структуры ядро-оболочка, внешний источник возбуждения квантовых точек. (Патент RU 2541419 С1, 10.02.2015, G01Q 60/24, B82Y 1/00 Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками структуры ядро-оболочка).A probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of a core-shell structure, including a cantilever with an electrically conductive probe needle connected by threading its apex with friction, is known to a distance equal to the maximum depth of the studied nanowells, into one of the nanometer through glass pores sphere covered with a protective transparent layer, the through nanometer pores of which are filled with quantum dots of the core-shell structure, an external source of quantum excitation out points. (Patent RU 2541419 C1, 02/10/2015, G01Q 60/24, B82Y 1/00 Probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots of a core-shell structure).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности осуществления сканирования боковых стенок 3-D нанообъектов и наноколодцев по координате Z с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки.A disadvantage of the known technical solution is the inability to scan the side walls of 3-D nano-objects and nanowells in the Z coordinate with the simultaneous combination of thermal, magnetic, and electromagnetic points with an optical wavelength while measuring the characteristics of the electrical response to this stimulating effect at one common point surfaces of the diagnostic object with coordinates X, Y, without affecting neighboring areas.

Наиболее близким по технической сущности является зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий магнитопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной с магнитопрозрачной полимерной сферой, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, покрытой защитным свето-магнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля, в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП (Патент на полезную модель RU 156299 U1, 13.04.2015, G01Q 60/24, G01Q 70/08 Зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка).The closest in technical essence is a probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, including a magnetically transparent cantilever with an electrically conductive probe needle connected to a magnetically transparent polymer sphere containing through nanometer pores of small and large diameters filled respectively with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure coated with a protective light-magneto transparent polymer layer, an external source of excitation of quantum dots, an external source of magnetic field, in the form of a flat microcoil connected to the output of the DAC (Utility Model Patent RU 156299 U1, 04/13/2015, G01Q 60/24, G01Q 70/08 Atomic force probe microscope with a nanocomposite radiating element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure).

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности осуществления сканирования боковых стенок 3-D нанообъектов и наноколодцев по коодинате Z с одновременным сочетанием комбинаций точечного теплового, магнитного, и электромагнитного с оптической длиной волны воздействия с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без влияния на соседние участки.A disadvantage of the known technical solution is the inability to scan the side walls of 3-D nano-objects and nanowells along the Z coordinate with the simultaneous combination of thermal, magnetic, and electromagnetic points with an optical wavelength while measuring the characteristics of the electrical response to this stimulating effect at one common point surfaces of the diagnostic object with coordinates X, Y, without affecting neighboring areas.

Отличие предлагаемого технического решения от изложенных выше решений заключается в том, что магнитопрозрачная полимерная сфера соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой через двухслойную углеродную нанотрубку, что позволяет осуществлять оптическое стимулирование, при линейном перемещении с минимальным трением по электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле, под управлением магнитного поля создаваемого плоской микрокатушкой, без отрыва электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы от контролируемой точки наноструктуры. Возможность опускания и подъема магнитопрозрачной полимерной сферы с квантовыми точками структуры ядро-оболочка в наноколодцы исследуемых наноструктур позволяет сканировать труднодоступные боковые стенки при поиске дефектов. Приближение или удаление сферы с квантовыми точками к диагностируемой поверхности позволяет обнаружить эффекты резонансного безызлучательного переноса энергии при оптическом возбуждении и электрическом съеме информации, например при диагностировании оптоэлектронных структур в наноэлектроннике или исследовании электрических откликов на оптическое стимулирующее воздействие на микробиологические структуры в оптогенетике.The difference between the proposed technical solution and the above solutions is that the magnetically transparent polymer sphere is connected to the electrically conductive magnetically transparent probe through a two-layer carbon nanotube, which allows optical stimulation, with linear movement with minimal friction along the electrically conductive magnetically transparent probe, under the control of the magnetic field generated flat microcoil, without tearing off the electrically conductive magnetically transparent probe needle from point of the nanostructure. The possibility of lowering and raising the magnetically transparent polymer sphere with quantum dots of the core-shell structure into the nanowells of the nanostructures under study makes it possible to scan hard-to-reach side walls when searching for defects. The approximation or removal of a sphere with quantum dots to the surface being diagnosed makes it possible to detect the effects of resonant non-radiative energy transfer during optical excitation and electrical information retrieval, for example, when diagnosing optoelectronic structures in nanoelectronics or studying electrical responses to the optical stimulating effect on microbiological structures in optogenetics.

Техническим результатом является возможность осуществления сканирования боковых стенок наноколодцев, 3-D нанообъектов, приближение или удаление точечного стимулирующего воздействия к поверхности диагностируемого 2-D нанообъекта, при одновременном сочетании воздействия на диагностируемый объект магнитного, теплового и электромагнитного в оптическом диапазоне волн излучения, с одновременным измерением характеристик электрического отклика на это стимулирующее воздействие в одной общей точке поверхности объекта диагностирования с координатами X, Y, без отрыва, смещения, нарушения электрического контакта вершины зондирующей иглы и без влияния на соседние участки.The technical result is the ability to scan the side walls of nanowells, 3-D nanoobjects, approximate or remove a point stimulating effect to the surface of the diagnosed 2-D nanoobject, while simultaneously combining the exposure of the diagnosed object with magnetic, thermal and electromagnetic in the optical wavelength range, with simultaneous measurement characteristics of the electrical response to this stimulating effect at one common point on the surface of the diagnostic object with ordinates X, Y, without separation, displacement, disorders top electrical contact probe needles and without affecting the adjacent portions.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, включающий магнотопрозрачные кантилевер с электропроводящей зондирующей иглой, соединенной с магнитопрозрачной полимерной сферой, содержащей сквозные нанометровые поры малого и большого диаметра, заполненные соответственно квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем, внешний источник возбуждения квантовых точек, внешний источник магнитного поля, в виде плоской микрокатушки, соединенной с выходом ЦАП, двухслойную углеродную нанотрубку состоящею из подвижной однослойной углеродной нанотрубки большего диаметра, длинной равной диаметру магнитопрозрачной полимерной сферы и вложенную в нее с зазором приближенно равным расстоянию между слоями кристаллического графита, однослойную углеродную нанотрубку меньшего диаметра, длиной равной максимальной глубине сканируемых боковых стенок наноколодцев, причем внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра жестко соединена с внешней поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы, а внешняя поверхность внешней подвижной углеродной нанотрубки большего диаметра продета и жестко закреплена в одной из нанометровых сквозных пор малого диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы, причем одноименные полюса всех магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка размещенных в ней ориентированы в одном направлении и расположены параллельно вершине электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы.The technical result of the proposed invention is achieved by a combination of essential features, namely: a scanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure, including a magnetically transparent cantilever with an electrically conductive probe needle connected to a magnetically transparent polymer sphere containing through nanometer pores of small and large diameters, filled respectively by quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure coated with a protective opto-magnetically transparent polymer layer, an external source of excitation of quantum dots, an external source of magnetic field, in the form of a flat microcoil connected to the output of the DAC, a two-layer carbon nanotube consisting of a moving single-layer carbon nanotube of a larger diameter, with a diameter equal to the diameter of the magnetoprotector sphere and a single-walled carbon nanotube inserted into it with a gap approximately equal to the distance between layers of crystalline graphite of smaller diameter, equal to the maximum depth of the scanned side walls of the nanowells, the inner surface of the embedded carbon nanotube of small diameter is rigidly connected to the outer surface of the electrically conductive magnetically transparent probing needle, and the outer surface of the outer movable carbon nanotube of larger diameter is threaded and rigidly fixed in one of the nanometer through pores of small the diameter of the magnetically transparent polymer sphere, with the same poles of all magnetic nanoparticles of the nucleus structure bolochka placed therein are oriented in one direction and are arranged parallel to the top magnitoprozrachnoy conductive probe needle.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлен сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка. На фиг. 2 представлен выносной элемент А (10:1) в увеличенном масштабе и в разрезе, поясняющий конструкцию сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка.The invention is illustrated in FIG. 1, which presents a scanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure. In FIG. Figure 2 shows an extension element A (10: 1) on an enlarged scale and in section, illustrating the design of a scanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of a core-shell structure.

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка фиг. 1 состоит из: магнитопрозрачного кантилевера 1, соединенного с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, вершина которой продета во внутренний) поверхность внутренней углеродной нанотрубки малого диаметра 9, внешняя поверхность которой продета во внутреннею поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 10 (образующие в совокупности наноподшипник скольжения в виде двухслойной углеродной нанотрубки 8), внешняя поверхность, которой продета в одну из сквозных пор 4 малого диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы 3 с нанометровыми сквозными порами малого 4 диаметра, и с нанометровыми сквозными порами большого 5 диаметра.A scanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure of FIG. 1 consists of: an magnetically transparent cantilever 1 connected to an electrically conductive magnetically transparent probe needle 2, the tip of which is threaded into the inner) surface of an inner carbon nanotube of small diameter 9, the outer surface of which is threaded into the inner surface of an outer carbon nanotube of larger diameter 10 (which together form a sliding nanoship in the form of a two-layer carbon nanotube 8), the outer surface, which is threaded into one of the through pores 4 of a small diameter magnetically transparent polymer 3 spheres with nanometer through pores of small 4 diameters, and with nanometer through pores of large 5 diameters.

Элементы 1, 2, 3 выполнены магнитопрозрачными (магнитодиэлектрическими), что достигается отсутствием в их структурах ферромагнитных примесей. Нанометровые сквозные поры малого 4 диаметра заполнены сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, возбуждение которых осуществляется внешним источником возбуждения квантовых точек 11 (например, лазерным диодом), расположенным у основания магнитопрозрачного кантилевера 1 с направлением излучения, ориентированным на центр магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка.Elements 1, 2, 3 are made magnetically transparent (magnetodielectric), which is achieved by the absence of ferromagnetic impurities in their structures. The nanometer through pores of small 4 diameters are filled with spherical quantum dots 6 of the core-shell structure, the excitation of which is carried out by an external source of excitation of quantum dots 11 (for example, a laser diode) located at the base of the magnetically transparent cantilever 1 with the radiation direction oriented to the center of the magnetically transparent polymer sphere 3. The nanometer through pores of a large 5 diameter are filled with spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure.

Ядро каждой сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка состоит из магнитожесткого материала, а внешняя оболочка сформирована из магнитомягкого материала. Управление перемещением (вверх или вниз) магнитопрозрачной полимерной сферы 3 относительно объекта диагностирования 15 осуществляется за счет взаимодействия постоянного магнитного поля сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка с изменяющимся (по величине и вектору направления) магнитным полем, создаваемым плоской 12 микрокатушкой, расположенной над основанием электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 иглы и состоящей из одного или нескольких спиралевидных витков, выводы которых, соединены с выходом цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 13. Тип используемого ЦАП 13 (его разрядность и быстродействие) определяется диапазоном проводимых диагностических исследований.The core of each spherical magnetic nanoparticle 7 of the core-shell structure consists of a magnetically rigid material, and the outer shell is formed of a soft magnetic material. The movement (up or down) of the magnetically transparent polymer sphere 3 relative to the diagnostic object 15 is controlled by the interaction of a constant magnetic field of spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure with a changing (in magnitude and direction vector) magnetic field created by a flat 12 microcoil located above the base electrically conductive magneto-transparent probing 2 needles and consisting of one or more spiral-shaped turns, the conclusions of which are connected to the digital output Ogove converter (DAC) 13. The type of DAC 13 (its capacity and speed) determined by the range of diagnostic tests conducted.

Также на фиг. 1 представлена подложка 14 с размещенным на ней диагностируемым объектом 15 в момент соприкосновения его с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 (элементы 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 приведены в увеличенном масштабе на фиг. 2).Also in FIG. 1 shows the substrate 14 with the diagnosed object 15 placed on it at the moment of contact with the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 (elements 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 are shown on an enlarged scale in Fig. 2).

На выносном элементе А (10:1) фиг. 2 представлены элементы в разрезе, где магнитопрозрачная стеклянная сфера 3, с нанометровыми сквозными порами 4 малого диаметра, заполненными сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка, нанометровые сквозные поры большого 5 диаметра заполнены сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка.On the extension element A (10: 1) of FIG. Figure 2 shows the elements in the section, where a magnetically transparent glass sphere 3, with nanometer through pores 4 of small diameter, filled with spherical quantum dots 6 of the core-shell structure, nanometer through pores of large 5 diameter, are filled with spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure.

Магнитопрозрачная стеклянная сфера 3 соединена с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2, через двухслойную углеродную нанотрубку 8 структуры типа «русская матрешка» (russian dolls) представляющую совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных углеродных нанотрубок 9 и 10 с расстоянием между соседними графитовыми слоями (межтрубочное расстояние) близким к величине (приближенно равным) 0,34 нм, при котором силы Ван-дер-Ваальса минимальны. Вложенные одна в другую однослойные углеродные нанотрубоки 9, 10 образуют наноподшипник скольжения для перемещения магнитопрозрачной полимерной сферы 3 по электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей 2 игле с минимальным трением на расстояние равное максимальной глубине исследуемых наноколодцев. Внутренняя поверхность вложенной углеродной нанотрубки малого диаметра 9 соединена с поверхностью электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2, а внешняя поверхность внешней углеродной нанотрубки большего диаметра 10 продета и закреплена в одной из нанометровых сквозных пор малого диаметра 4 магнитопрозрачной полимерной сферы 3, покрытой защитным оптомагнитопрозрачным полимерным слоем. Длинной углеродной нанотрубки 9 определяется диапазон (ΔZ) сканирования боковой поверхности наноколодцев объекта диагностирования 15 и максимальное расстояние удаления сферы 3 с излучающими элементами от подложки 14 по координате Z.A magnetically transparent glass sphere 3 is connected to an electrically conductive magnetically transparent probing needle 2, through a two-layer carbon nanotube 8 of the Russian dolls type, representing a set of single-layer carbon nanotubes 9 and 10 coaxially inserted into each other with the distance between adjacent graphite layers (intertubular distance) close to (approximately equal) 0.34 nm, at which the van der Waals forces are minimal. Single-walled single-walled carbon nanotubes 9, 10 inserted into one another form a sliding nanosized bearing to move the magnetically transparent polymer sphere 3 along an electrically conductive magnetically transparent probe 2 needle with minimal friction for a distance equal to the maximum depth of the nanowells under study. The inner surface of the embedded carbon nanotube of small diameter 9 is connected to the surface of the electrically conductive magnetically transparent probing needle 2, and the outer surface of the outer carbon nanotube of larger diameter 10 is threaded and fixed in one of the nanometer through pores of small diameter 4 of the magnetically transparent polymer sphere 3, coated with a protective optically magnetically transparent polymer layer. The length of the carbon nanotube 9 determines the range (ΔZ) of scanning the lateral surface of the nanowells of the diagnostic object 15 and the maximum distance of removal of the sphere 3 with radiating elements from the substrate 14 along the Z coordinate.

Минимальный диаметр магнитопрозрачной полимерной сферы 3 определяется минимальным количеством легированных в нее сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка и сферических магнитных наночастич 7 структуры ядро-оболочка, образующих в совокупности нанокомпозитный излучающий элемент, параметры электромагнитного излучения которого определяются классом диагностируемого объекта 15. Стрелками указываются направления входящего λ₁ и преобразованного λ₂ по длине волны излучения, где λ₁ - длина волны внешнего электромагнитного излучения для возбуждения квантовых точек, вызывающего их люминесценцию, λ₂ - длина волны люминесценции квантовой точки, смещенной на стоксовый сдвиг относительно длины волны λ₁. Стрелками с символом

(вектор магнитной индукции) показано направление магнитных силовых линий внешнего магнитного поля создаваемого плоской 12 микрокатушкой. Внешнее магнитное поле осуществляет притяжение или отталкивание магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка закрепленных в корпусе сферы 3, которая в свою очередь перемещает закрепленные в ней квантовые точки 6 при взаимодействии разнополярных или однополярных магнитных полей. Двунаправленной стрелкой с символом ΔZ показан примерный диапазон сканирования боковых стенок наноколодцев по координате Z объекта диагностирования 15.The minimum diameter of the magnetically transparent polymer sphere 3 is determined by the minimum number of spherical quantum dots in it 6 of the core-shell structure and spherical magnetic nanoparticles 7 of the core-shell structure, which together form a nanocomposite emitting element, the electromagnetic radiation parameters of which are determined by the class of the diagnosed object 15. The arrows indicate the directions incoming λ ₁ and λ ₂ of the converted wavelength of the radiation, where ₁ λ - wavelength of the external electromagnetic radia eniya for exciting quantum dots, causing their luminescence, ₂ λ - wavelength of the luminescence quantum dot shifted by Stokes shift relative to the wavelength λ _1. Arrows with a symbol

(magnetic induction vector) shows the direction of the magnetic lines of force of the external magnetic field generated by the flat 12 microcoil. An external magnetic field attracts or repels magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure fixed in the body of the sphere 3, which in turn moves the quantum dots 6 fixed in it during the interaction of unipolar or unipolar magnetic fields. The bidirectional arrow with the symbol ΔZ shows the approximate scanning range of the side walls of the nanowells along the Z coordinate of the diagnostic object 15.

В зависимости от видов объектов диагностирования, методов диагностирования (например, диагностирование магнито-оптоэлектронных наноструктур или магнито-термо-светочувствительных наноструктур биологических объектов), используемые для легирования сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка могут быть как со стоксовым, так и антистоксовым сдвигом длины волны электромагнитного излучения относительно внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 (т.е. длина волны λ₁ больше λ₂ или λ₁ меньше λ₂). Это условие обусловлено требованием помехозащищенности, тем, чтобы λ₁ находилась вне диапазона длин волн, на которые реагируют все исследуемые участки диагностируемого объекта 15, а стимулирование диагностируемого объекта 15 осуществлялось только излучением сферических квантовых точек 6 структуры ядро-оболочка с длиной волны λ₂, которая вызывает появление электрических сигналов откликов в точке соприкосновения вершины магнотопрозрачной электропроводящей иглы 2 с участком диагностируемого объекта 15.Depending on the types of objects to be diagnosed, diagnostic methods (for example, the diagnosis of magneto-optoelectronic nanostructures or magneto-thermo-photosensitive nanostructures of biological objects), spherical quantum dots 6 of the core-shell structure used for doping can be either Stokes or anti-Stokes length shifts waves of electromagnetic radiation relative to an external source of excitation of quantum dots 11 (i.e., the wavelength λ _{1 is} greater than λ ₂ or λ _{1 is} less than λ ₂ ). This condition is due to the requirement of noise immunity, so that λ ₁ is outside the wavelength range to which all the studied sections of the diagnosed object 15 respond, and the diagnosed object 15 is stimulated only by radiation of spherical quantum dots 6 of the core-shell structure with a wavelength of λ ₂ , which causes the appearance of electrical response signals at the point of contact of the top of the magnetically transparent electrically conductive needle 2 with the plot of the diagnosed object 15.

Длина волны поглощения λ₁ каждой сферической квантовой точкой 6 структуры ядро-оболочка и длина волны излучения λ₂ каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка определяется ее диаметром (в основном от 2 до 20 нанометров), сочетанием материала ядра и материала оболочки, их составом, спектром пропускания защитной прозрачной полимерной пленки и технологией изготовления самой квантовой точки структуры ядро-оболочка. Длина волны электромагнитного излучения квантовых точек, направленная на объект диагностирования, может находиться как в оптическом диапазоне, так и за его пределами, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения.The absorption wavelength λ _{1 of} each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure and the radiation wavelength λ _{2 of} each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure is determined by its diameter (mainly from 2 to 20 nanometers), a combination of core material and shell material, their composition, transmission spectrum of a protective transparent polymer film and manufacturing technology of the quantum dot of the core-shell structure. The wavelength of electromagnetic radiation of quantum dots, aimed at the object of diagnosis, can be both in the optical range and beyond, from ultraviolet to near infrared radiation.

Ядро каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может, например, включать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, и ZnO, но не ограничивается ими. Оболочка каждой сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка может включать в себя, по крайней мере, один материал, выбранный из группы, состоящей из CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, и HgSe, но этими вариантами не ограничивается.The core of each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, and ZnO, but not limited to them. The shell of each spherical quantum dot 6 of the core-shell structure may include at least one material selected from the group consisting of CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, and HgSe, but with these options not limited to.

Ферромагнитное ядро сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может, например, включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe, Со, Ni, FeOFe₂O₃, NiOFe₂O₃, CuOFe₂O₃, MgOFe₂O₃, MnBi, MnSb, MnOFe₂O₃, CrO₂, MnAs, SmCo, FePt, или их комбинации но не ограничивается ими. Размер ядра одной сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка может варьироваться от 3 нм до 20 нм. Внешняя оболочка (окружающая магнитный сердечник) сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка сформирована из магнитомягкого или суперпарамагнитного материала, например, может включать по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из Fe₃O₄, FeO, CoFe₂O₄, MnFe₂O₄, NiFe₂O₄, ZnMnFe₂О₄, или их комбинации, но не ограничивается ими. Внешняя оболочка может иметь толщину в диапазоне от 0,5 нм до 3 нм. Внешняя оболочка защищает ядро от окисления и повышает магнитные свойства сферической магнитной наночастицы 7 структуры ядро-оболочка и может покрываться дополнительной биосовместимой оболочкой, что в свою очередь защищает исследуемый биологический диагностируемый объект 15, при частичном повреждении общей защитной оболочки магнитопрозрачной полимерной сферы 3.The ferromagnetic core of a spherical magnetic nanoparticle 7 of a core-shell structure may, for example, include at least one material selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, FeOFe ₂ O ₃ , NiOFe ₂ O ₃ , CuOFe ₂ O ₃ , MgOFe ₂ O ₃ , MnBi, MnSb, MnOFe ₂ O ₃ , CrO ₂ , MnAs, SmCo, FePt, or a combination thereof, but is not limited to. The core size of one spherical magnetic nanoparticle 7 of the structure of the core-shell can vary from 3 nm to 20 nm. The outer shell (surrounding the magnetic core) of the spherical magnetic nanoparticle 7 of the core-shell structure is formed of a soft or superparamagnetic material, for example, may include at least one material selected from the group consisting of Fe ₃ O ₄ , FeO, CoFe ₂ O ₄ , MnFe ₂ O ₄ , NiFe ₂ O ₄ , ZnMnFe ₂ O ₄ , or combinations thereof, but not limited to. The outer shell may have a thickness in the range from 0.5 nm to 3 nm. The outer shell protects the core from oxidation and increases the magnetic properties of the spherical magnetic nanoparticle 7 of the core-shell structure and can be covered by an additional biocompatible shell, which in turn protects the biologically diagnosed object under investigation 15, with partial damage to the general protective shell of the magnetically transparent polymer sphere 3.

Для осуществления изобретения могут быть использованы, например известные технологии изготовления магнитных наночастиц структуры ядро-оболочка (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES; Patent Application Publication Pub. No.: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORE_SHELL STRUCTURED NANOPARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOPARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF; Patent Application Publication Pub. No.: US 20130342297 A1 Pub. Date: Dec. 26, 2013 MAGNETIC EXCHANGE COUPLED CORE-SHELL NANOMAGNETS).For the implementation of the invention can be used, for example, well-known technologies for the manufacture of magnetic nanoparticles of a core-shell structure (Patent Application Publication Pub. No .: US 20130195767 A1 Pub. Date: Aug. 1, 2013, MAGNETIC NANOPARTICLES; Patent Application Publication Pub. No .: US 20140225024 A1 Pub. Date: Aug. 14, 2014 CORE_SHELL STRUCTURED NANOPARTICLE HAVING HARD-SOFT, MAGNETIC HETEROSTRUCTURE, MAGNET PREPARED WITH SAID NANOPARTICLE, AND PREPARING METHOD THEREOF; Patent Application Publication Pub22. .26, 2013 MAGNETIC EXCHANGE COUPLED CORE-SHELL NANOMAGNETS).

Для осуществления изобретения кроме классических квантовых точек структуры ядро-оболочка могут быть использованы и ядро-многооболочные квантовые точки. (Patent Application Publication Pub. No.: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).To implement the invention, in addition to classical quantum dots of the core-shell structure, core-multi-shell quantum dots can also be used. (Patent Application Publication Pub. No .: US 20120315391 A1 Pub. Date: Dec. 13, 2012, QUANTUM DOTS HAVING COMPOSITION GRADIENT SHELL STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Изготовление излучающего элемента осуществляется легированием магнитопрозрачной полимерной сферы 3 сферическими магнитными 7 наночастицами структуры ядро-оболочка и сферическими квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка и выполняется за счет проникновения сферических магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка в нанометровые поры 5 большого диаметра и, затем, за счет проникновения сферических квантовых 6 точек структуры ядро-оболочка в оставшиеся не заполненными нанометровые поры малого 4 диаметра магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Например, процесс легирования может осуществляться по технологии известного метода за счет погружения элемента из стекла с нанометровыми порами в раствор из двух или более квантовых точек с последующей сушкой на воздухе и заполнением оставшихся между квантовыми точками пустот смолой (Patent Application Publication Pub. No.: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).The manufacture of the emitting element is carried out by doping a magnetically transparent polymer sphere with 3 spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure and spherical quantum dots 6 of the core-shell structure and is performed due to the penetration of spherical magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure into nanometer pores 5 of large diameter and, then, due to the penetration of spherical quantum 6 points of the core-shell structure into the remaining unfilled nanometer pores of small 4 diameter magnetically transparent polymer spheres 3. For example, the doping process can be carried out according to the technology of the known method by immersing an element of glass with nanometer pores in a solution of two or more quantum dots, followed by drying in air and filling the voids between the quantum dots with resin (Patent Application Publication Pub. No .: US 20130011551 A1 Pub. Date: Jan. 10, 2013, QUANTUM DOT-GLASS COMPOSITE LUMINESCENT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF).

Вершина электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглы 2 может быть реализована, например, по известной технологии выращивания металлических зондов для атомно-силовых микроскопов из нанопроволки (Patent №.: US 8168251 В2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS).The top of the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 can be implemented, for example, by the known technology of growing metal probes for atomic force microscopes from nanowires (Patent No .: US 8168251 B2 date of Patent: May 1, 2012 METHOD FOR PRODUCING TAPERED METALLIC NANOWIRE TIPS ON ATOMIC FORCE MICROSCOPE CANTILEVERS).

Многослойная углеродная нанотрубка состоящая из однослойной нанотрубки 9 малого диаметра вложенной в однослойную нанотрубку большего диаметра 10 (в совокупности используемые в качестве наноподшипника скольжения) может быть соединена с иглой при помощи атомно-силового микроскопа или изготовлена выращиванием на электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 при помощи известной технологии выращивания многослойной углеродной нанотрубки (используемой в качестве наноподшипника), непосредственно на оси вращения ротора НЭМС (нано электромеханической системы) электродвигателя или гироскопа с наружным диаметром внешней углеродной нанотрубки от 10 нм (Patent №.: US 8771525 В2, Date of Patent: Jul. 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING).A multilayer carbon nanotube consisting of a single-walled nanotube of 9 small diameters embedded in a single-walled nanotube with a larger diameter of 10 (collectively used as a slide nanoparticle) can be connected to the needle using an atomic force microscope or made by growing on an electrically conductive magnetically transparent probe 2 using known technology growing a multilayer carbon nanotube (used as a nanoship), directly on the axis of rotation of the rotor NEMS (nan electromechanical system) or a gyroscope motor with an outer diameter of the outer carbon nanotubes 10 nm (Patent № .: US 8,771,525 B2, Date of Patent: Jul 8, 2014, ROTARY NANOTUBE BEARING STRUCTURE AND METHODS FOR MANUFACTURING)..

Сканирующий зонд атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом, легированным квантовыми точками и магнитными наночастицими структуры ядро-оболочка работает следующим образом: магнитопрозрачный кантилевер 1 с электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей иглой 2 подводится к объекту диагностирования 15, расположенному на подложке 14, и надавливает на дно наноколодца объекта диагностирования 15, получая данные об электрических характеристиках объекта диагностирования 15, до включения и после включения внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 с длиной волны λ₁. В результате сферические квантовые точки 6 структуры ядро-оболочка возбуждают поверхность диагностируемого объекта 15 излучением длинной волны λ₂, определенной в зависимости от выбранного материала сферической квантовой точки 6 структуры ядро-оболочка и соотношения диаметра ядра к толщине окружающей его оболочки. В зависимости от требуемых режимов, диагностирование может проходить как в непрерывном режиме люминесценции, так и в импульсном режиме флуоресценции (т.е. освещение локального участка объекта диагностирования только излучением λ₂ квантовых точек в интервале, равному времени их флуоресценции, после выключения внешнего источника возбуждения квантовых точек 11 с целью исключения посторонних засветок и помех).The scanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure operates as follows: a magnetically transparent cantilever 1 with an electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 is fed to the diagnostic object 15 located on the substrate 14 and presses the bottom of the nanowire diagnostic object 15, receiving data on the electrical characteristics of the diagnostic object 15, before and after the external regular enrollment excitation quantum dots 11 with a wavelength λ _1. As a result, spherical quantum dots 6 of the core-shell structure excite the surface of the diagnosed object 15 by long-wave radiation λ ₂ determined depending on the selected material of the spherical quantum dot 6 of the core-shell structure and the ratio of the diameter of the core to the thickness of its surrounding shell. Depending on the required modes, the diagnostics can take place both in the continuous luminescence mode and in the pulsed fluorescence mode (i.e., illumination of the local part of the diagnostic object only with radiation of λ ₂ quantum dots in an interval equal to the time of their fluorescence after turning off the external excitation source quantum dots 11 in order to eliminate extraneous light and interference).

Одновременно на вход ЦАП 13 подается двоичный код, который в зависимости от выбранной программы исследований, определяет форму и частоту повторения электрического сигнала поступающего на обмотку плоской 12 микрокатушки создающей внешнее управляющее магнитное поле, направленное на центр перемещаемой по координате Z магнитопрозрачной полимерной сферы 3. Магнитные полюса всех магнитных 7 наночастиц структуры ядро-оболочка постоянно ориентированы параллельно электропроводящей магнитопрозрачной зондирующей игле 2 в совокупности образуют структуру со свойствами постоянного магнита.At the same time, a binary code is supplied to the input of the DAC 13, which, depending on the chosen research program, determines the shape and frequency of the electric signal transmitted to the winding of the flat 12 microcoil creating an external control magnetic field directed to the center of the magnetically transparent polymer sphere moved along the Z coordinate. 3. Magnetic poles of all magnetic 7 nanoparticles of the core-shell structure are constantly oriented parallel to the electrically conductive magnetically transparent probe needle 2 in the aggregate form structure with the properties of a permanent magnet.

Под действием электрического управляющего сигнала, с выхода ЦАП 13 (например чередующихся импульсов с положительной и отрицательной полярностью, различной амплитудой и длительностью) плоская 12 микрокатушка создает внешнее магнитное поле, (в зависимости от полярности), с тем или иным направлением магнитных силовых линий в соответствии с направлением которых при взаимодействии постоянного магнитного поля магнитопрозрачной полимерной сферы 3 с переменным магнитным полем создаваемым плоской микрокатушкой 12 в диапазоне ΔZ происходит последовательное перемещение магнитопрозрачной полимерной сферы 3 с квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка вниз или вверх по координате Z, параллельно сканируемой боковой стенки наноколодца объекта диагностирования 15.Under the influence of the electric control signal, from the output of the DAC 13 (for example, alternating pulses with positive and negative polarity, different amplitude and duration), a flat 12 microcoil creates an external magnetic field (depending on the polarity), with one or another direction of magnetic field lines in accordance with the direction of which, in the interaction of a constant magnetic field of a magnetically transparent polymer sphere 3 with an alternating magnetic field created by a flat microcoil 12 in the ΔZ range, occurs after consistent movement of the magnetically transparent polymer sphere 3 with quantum dots 6 of the core-shell structure up or down along the Z coordinate parallel to the side wall of the nanoscale of the diagnostic object being scanned 15.

Возможность осуществления управления изменением расстояния между излучателем (донором) энергии (квантовыми точками 6 структуры ядро-оболочка) и приемником энергии (акцептором) (диагностируемыми светочувствительными наноструктурами объекта диагностирования 15), позволяет обнаруживать безызлучательный перенос энергии при радиусе взаимодействия меньше чем длина волны излучаемого света. Это позволяет исследовать электрические характеристики наноструктур со спектральным перекрытием спектров излучения и поглощения, в которых на расстояниях от 1 до 10 нм возникает Форстер резонансный перерос энергии (FRET) (Forster (or fluorescence) resonance energy transfer) как в одношаговых, так и в многошаговых эстафетных переходах от донора к акцептору, например в биологии или наноэлектронике.The ability to control the change in the distance between the emitter (donor) of energy (quantum dots 6 of the core-shell structure) and the energy receiver (acceptor) (diagnosed by photosensitive nanostructures of the diagnostic object 15) makes it possible to detect non-radiative energy transfer with an interaction radius less than the wavelength of the emitted light. This allows us to study the electrical characteristics of nanostructures with spectral overlap of the radiation and absorption spectra, in which Forster resonance energy transfer (FRET) occurs at distances from 1 to 10 nm in both single-step and multi-step relay transitions from donor to acceptor, for example, in biology or nanoelectronics.

Предложенная конструкция сканирующего зонда атомно-силового микроскопа с нанокомпозитным излучающим элементом легированным квантовыми точками и магнитными наночастицами структуры ядро-оболочка, также обеспечивает при сканировании поверхности объекта диагностирования атомно-силовым микроскопом, возможность осуществления съема топологического распределения характеристик электрических сигналов на поверхности объекта диагностирования, в зависимости от стимулирующего воздействия определенной длины волны электромагнитного излучения и магнитного поля на каждую точку с координатами X, Y, непосредственно расположенную под вершиной электропроводящей магнотопрозрачной иглы и получить дополнительную информацию при сканировании наноколодцев по координате Z. Это позволяет обнаружить и исследовать отдельные точечные свето-магнито-термо чувствительные участки биологических объектов и наноструктур, изменяющих свои электрические свойства при одновременном точечном наноразмерном стимулирующем воздействии электромагнитного излучения оптического диапазона λ₂, в сочетании с воздействием постоянным или импульсным магнитным полем или точечным тепловым излучением (нагревом) при различных изменяющихся расстояниях по координате Z между излучающим элементом и приемной наноструктурой, что ранее невозможно было осуществить известными зондами.The proposed design of a scanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure also provides, when scanning the surface of a diagnostic object with an atomic force microscope, it is possible to take a topological distribution of the characteristics of electrical signals on the surface of a diagnostic object, depending from the stimulating effect of a certain wavelength of electromagnetic radiation X and Y coordinates, located directly under the top of the electrically conductive magnetically transparent needle and obtain additional information when scanning nanowells along the Z coordinate. This allows you to detect and study individual point light-magneto-thermosensitive areas of biological objects and nanostructures, altering its electrical properties while dotted nanoscale stimulating influence of electromagnetic radiation in the optical range λ _2, in cit Britain exposure to constant or pulsed magnetic field or thermal emission of a point (heating) at various distances varying coordinate Z between the radiating element and the receiving nanostructure, that previously could not be carried out by known probes.

Claims

Scanning probe of an atomic force microscope with a nanocomposite emitting element doped with quantum dots and magnetic nanoparticles of the core-shell structure, including a magnetically transparent cantilever with an electrically conductive probe needle connected to a magnetically transparent polymer sphere containing through nanometer pores of small and large diameters filled with quantum dots and respectively magnetic nanoparticles of the core-shell structure coated with a protective opto-magnetically transparent polymer layer; quantum dots excitation catalog, an external magnetic field source in the form of a flat microcoil connected to the DAC output, characterized in that it contains a two-layer carbon nanotube consisting of a moving single-walled carbon nanotube of a larger diameter, equal in length to the diameter of the magnetically transparent polymer sphere, and embedded in it with a gap approximately equal to the distance between the layers of crystalline graphite, a single-walled carbon nanotube of smaller diameter, with a length equal to the maximum depth of the scanned side walls nano-wells, and the inner surface of the embedded carbon nanotube of small diameter is rigidly connected to the outer surface of the electrically conductive magnetically transparent probe needle, and the outer surface of the outer movable carbon nanotube of larger diameter is threaded and rigidly fixed in one of the nanometer through pores of a small diameter magnetically transparent polymer sphere, with the same poles of all magnetic nanoparticles of the core-shell structure placed in it are oriented in one direction and are located parallel to the top of the electrically conductive magnetically transparent probe needle.