Учебно-образовательный комплекс NanoTutor

NanoTutor — это комплекс приборов и методик для тех, кто делает первые шаги в наномир. Основой его является сканирующий зондовый микроскоп, который дает возможность получить изображения того, что невозможно увидеть даже в оптический микроскоп. Он прост в обращении, и с ним может работать даже школьник.

NanoTutor предназначен для обучения основам нанотехнологий, но может быть использован и при выполнении научных работ.

Главные особенности прибора:

• Простота в работе, отсутствие сложных настроек и юстировок
• Дружественный интерфейс
• Пошаговая настройка СЗМ методик
• Вольфрамовый зонд, который можно изготовить самостоятельно и восстановить
• Работа с кремниевым кантилевером
• Не требует замены измерительных гловок при смене типа зонда
• Наличие учебных пособий и дополнительного оборудования
• Программное обеспечение, включающее «виртуальный прибор»- ДЕМО- версию, позволяющую пройти все этапы работы без включения прибора
• Комплектация прибора необходимыми для учебного процесса тест-объектами
• Хорошая защита от поломок
• Наглядность, анимационное обучение
• Простая смена образца
• Недорогие расходные материалы

Образовательный процесс с использованием NanoTutor направлен на освоение основ работы в режимах Сканирующей Зондовой Микроскопии, приобретение навыков исследования нанообъектов и наноструктур, проведение зондовой нанолитографии и наноманипуляций.

: Силовая литография, 10×10 мкм×мкм

: Bacillus subtilis (Сенная палочка), 20×20 мкм×мкм

: Эритроцит, 8.5×8.5 мкм×мкм

: DVD диск, 10×10 мкм×мкм

Научно-Учебный Комплекс NanoTutor поставляется в следующей комплектации:

Базовый сканирующий зондовый микроскоп NanoTutor, включающий измерительную головку, электронный блок управления, РС и специализированное ПО “NanoTutor”;
Комплект зондовых датчиков (7шт) в виде картриджей со сменными зондами;
Устройство автоматического электрохимического травления для изготовления зондов из вольфрамовой проволоки проволоки с технологическими приспособлениями и набором расходных материалов;
Приспособление для полуавтоматической замены зондов;
Набор тестовых образцов для калибровки прибора;
Учебное пособие по основам СЗМ;
Подробное руководство пользователя;
Виртуальная Demo-версия программы, проводящая пользователя последовательно через все этапы получения качественного СЗМ изображения;
Развитый контекстный Help;
Сборник ЧАВО (ЧАсто задаваемые ВОпросы);
Апробированный лабораторный практикум с набором учебных образцов для исследований.

Новое дружественное программное обеспечение учебно-научного комплекса совместимо с операционными системами Windows Vista/7/8/10.

Основные СЗМ методики

АСМ, «Полуконтактный» метод

Отображение рельефа
Отображение дифференциального контраста
Отображение фазового контраста
Силовая спектроскопия
Динамическая силовая литография

СТМ

Отображение рельефа
Отображение тока (метод постоянной высоты)
I(Z) спектроскопия
I(V) спектроскопия

Наличие АСМ и СТМ методик позволяет проводить исследования как проводящих, так и диэлектрических образцов. В качестве примеров можно привести:

Биологические объекты, вплоть до ДНК
Накопители информации (CD, DVD и матрицы для их изготовления)
Микро и наноструктуры
Оптоэлектронные элементы и т.д.

Технические характеристики

1.1 Режимы работы микроскопа:
1.1.1 резонансная полуконтактная силовая микроскопия	✓
1.1.1.1 режим постоянной амплитуды колебаний	✓
1.1.1.2 режим фазового контраста	✓
1.1.1.3 измерение кривой подвода	✓
1.1.2 сканирующая туннельная микроскопия	✓
1.1.2.1 режим постоянного тока	✓
1.1.2.2. режим постоянной высоты	✓
1.1.2.3. режим туннельной спектроскопии	✓
1.1.2. 4 диапазон туннельного напряжения	(-7,5 … +7,5)	В
1.1.2.5. диапазон туннельного тока	(0.1 – 40)	нА
1.1.3 зондовая литография	✓
1.1.3.1 динамическая силовая литография	✓
1.1.3.2 токовая литография	✓
1.2 Типы зондовых датчиков:
— зондовый датчик с Si зондом	✓
— зондовый датчик с W зондом	✓
не требуется оптической юстировки после установки или замены зондовых датчиков; W зонд обеспечивает работу в жидкости без применения жидкостных ячеек	соответствие
1.3. Система автоматического сближения нанозонда с образцом	✓
1.3.1. Минимальный шаг сближения	100	нм
1.4. Максимальный диапазон сканирования по осям X,Y	20	мкм
1.4.1 Максимальный диапазон сканирования по осям X,Y при пониженном напряжении	4	мкм
1.5 Максимальный диапазон сканирования по оси Z	6	мкм
1.5.1 Максимальный диапазон сканирования по оси Z при пониженном напряжении	1,2	мкм
1.6. Алгоритм сканирования
1.6.1 По координатам Х,Y	образцом
1.6.2 По координате Z	образцом
1.8. Пространственное разрешение по осям X, Y с W зондом	50	нм
1.9. Пространственное разрешение по осям X, Y с Si зондом	15	нм
1.10. Пространственное разрешение по оси Z для обоих зондов	1	нм
1.11. Резонансная частота зондового датчика с W зондом в полуконтактном режиме	в диапазоне от 6 до 12	кГц
1.12. Добротность зондового датчика с W зондом	в диапазоне от 18 до 25
1.13. Резонансная частота зондового датчика с Si зондом в полуконтактном режиме	в диапазоне от 40 до 100	кГц
1.14. Добротность зондового датчика с Si зондом	в диапазоне от 80 до 120
1.15 Автоматизированное позиционирование зонда по осям X,Y	✓
1.15.1Минимальный шаг позиционирования по осям X,Y	0,1	мкм
1.16. Цифровой оптический микроскоп для контроля зонда и образца	✓
1.17 Максимальный размер образца	20х20х5	мм
1.1.18 Габариты физического узла	160х150х110	мм
1.1.19 Вес физического узла	2	кг
1.2. Цифровой контроллер управления
1.2.1. Диапазон управляющих напряжений	0 — 250	В
1.2.2. Разрядность ЦАП, АЦП	16
1.2.3. Цифровая обратная связь	✓
1.2.4. Габариты контроллера	280 х 200 х 80	мм
1.2.5. Вес	1,5	кг
1.3. Вычислительный комплекс (персональный компьютер с ОС Windows 10)	✓
1.3.1. Частота процессора	2 ,7	ГГц
1.3.2. Количество ядер процессора	4
1.3.3. Объем кэш-памяти процессора L3	6	мБ
1.3.4. Объем оперативной памяти	8	Гб
1.3.5. Объем жестких дисков	1000	Гб
1.3.6. Видеокарта дискретная, внешняя	✓
1.3.7. Объем памяти видеокарты	2	Гб
1.3.8. Видео интерфейсы HDMI, DVI	✓
1.3.9. Количество USB-портов	6
1.3.10. Операционная система Windows 10	✓
1.3.11. Диагональ монитора	21	дюйм
1.3.12. Программное обеспечение для управления сканирующим зондовым микроскопом совместимое с Windows 10	✓
1.3.12.1 Функции программного обеспечения:
— визуализация микро- и нанорельефа на поверхности образцов в режиме СТМ при постоянном токе и постоянной высоте и в режиме резонансной полуконтактной ССМ, в том числе с фазовым контрастом;	✓
— силовая и туннельная спектроскопия	✓
— динамическая силовая и токовая литография	✓
— программный блок осциллографа для отображения сигналов в реальном времени;	✓
— поиск резонансной частоты колебаний зонда и задание определенной частоты колебаний зонда;	✓
— автоматический подвод нанозонда к образцу;	✓
— автоматическое позиционирование зонда	✓
— обработка данных и изображений: • удаление поверхности 1, 2 порядков • выполнение медианной и однородной фильтрации • отображение результатов в 2D и 3D представлении в представлении GEO раскраски • изменения положения источника света • изменение контрастности изображений • вырезание фрагмента изображений • экспортирование изображений в ACSII и bmp, jpg, mdt форматы • изменение масштаба изображений • распечатывание изображений на принтере • измерение расстояний между объектами на изображениях и измерение углов между направлениями	✓
— управление цифровым оптическим микроскопом для контроля зонда и образца;	✓
— генерирование отчетов о проделанной работе в текстовом формате;	✓
— система защиты от ошибок оператора и вывода сообщений об ошибках	✓
1.3.13 Программное обеспечение для дистанционного обучения работе с микроскопом на персональном компьютере без использования микроскопа (программный тренажер)	✓
1.3.13.1 Функции программного тренажера:
— виртуальные режимы работы: • измерение резонансных характеристик зондового датчика • сканирующая туннельная микроскопия при постоянном токе и постоянной высоте • резонансная полуконтактная силовая микроскопия с фазовым контрастом • силовая и токовая литография	✓
— обработки результатов измерений, полученных на сканирующем зондовом микроскопе;	✓
— 3D модель сканирующего зондового микроскопа	✓
1.4. Набор лабораторных и исследовательских образцов	✓
1.5. Набор зондовых датчиков с вольфрамовыми зондами	7	шт
1.6. Набор кремниевых зондов	3	шт
1.7. Комплект учебных и методических пособий, включающий 3 учебных и 1 методическое пособие	1	комплект

NanoTutor является полноценным СЗМ, специально разработанным для обучения основным методикам СЗМ. Прибор позволяет проводить АСМ и СТМ измерения без замены зонда.

В состав прибора входит головка СЗМ в пластиковом корпусе, компактный, полностью цифровой электронный блок, устройство автоматического изготовления зондов из вольфрама, набор образцов и учебных пособий. Программное обеспечение включает в себя демо-тренажер, позволяющий обучаться работе на СЗМ без включения прибора.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА СЗМ

Измерительная головка NanoTutor позволяет работать в полуконтактной силовой и туннельной модах СЗМ, имеет съемный оптический видеомикроскоп. В головку встроен цифро- аналоговый адаптер, имеющий связь с основным контроллером по высокоскоростному цифровому каналу, что позволяет уменьшить уровень шумов.

Измерительная головка NanoTutor

Цифровая видеокамера

Легко устанавливаемая на измерительную головку цифровая видеокамера оснащена автономным источником освещения. Возможность перемещения видеокамеры позволяет выбрать интересующий участок на поверхности образца. Положение источника света также можно менять, что позволяет подчеркивать особенности рельефа поверхности образца за счет изменения угла подсветки.

ЗОНДОВЫЙ ДАТЧИК

Универсальный зондовый датчик выполнен восстанавливаемым –
при износе или повреждении кончика зонда, изготавливаемого из вольфрамовой проволоки, он может быть снова заострен путем травления.

Зондовый датчик

КОНТРОЛЛЕР NanoTutor

Имеет цифровой контур обратной связи, позволяет работать с различными адаптерами, встроенными в СЗМ головки разных типов.

Электронный блок

Основные параметры контроллера

Состав	Контроллер состоит из двух частей- блока основного вычислителя и адаптера СЗМ головки.
Структура	Состав и взаимосвязь функциональных узлов определяется программируемой схемной топологией
Разрядность процессора	32 бит
АЦП	18 бит, 1 MSPS — 2шт
ЦАП	16 бит, 1 MSPS — 5шт
Буфер	64Мб
ПЛИС	FPGA 200MHz
Генераторы	Цифровые генераторы сигнала 32бита Форма сигнала произвольная периодическая, до 512 точек на период, 1мкс на точку
Синхродетектор	Цифровой детектор заданной частоты, вычисление фазы и амплитуды
Контур обратной связи	Цифровой 32 бит. Частный случай БИХ-фильтра
Коммутация сигналов	Свободная, определяется топологией
Фильтры	Цифровые фильтры (БИХ- и КИХ-), размер окна до 128 элементов
Возможность захвата данных	До 16 каналов 32-битных данных одновременно, 1MSPS по каждому каналу
Расширяемость	Изменение параметров фильтров, генераторов и обратной связи в реальном времени; изменение топологии обработки данных
Интерфейс	USB2.0
Драйверы моторов	Три шаговых или пьезоинерциальных двигателя
Диапазон выходных напряжений	±150 В
Напряжение на образце	±10 В
Диапазон измеряемых токов	0.1-100 нА

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ
Устройство автоматического травления (УАТ) предназначено для изготовления игл из вольфрамовой проволоки различной формы методом электрохимического травления в растворе щелочи (мыльный раствор) с радиусом закругления острия на уровне 0.1-0.2 мкм для использования в СЗМ.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ЗОНДА

Для изготовления заготовки зонда из вольфрамовой проволоки используется специальное устройство, позволяющее создать зонд необходимых геометрических параметров.

Устройство для изготовления заготовки зонда
1 – маркер, 2 – отверстие, 3 – мерная канавка, 4 – капилляры

Различные исследования:

• Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента

Лабораторная работа была разработана Санкт-Петербургским государственным университетом информационных технологий механики и оптики

Цели работы

Изучение основ сканирующей зондовой микроскопии
Изучение конструкции и принципов работы прибора NanoTutor
Получение первого СЗМ изображения
Получение навыков обработки и представления экспериментальных результатов

• Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии

Цели работы

Изучение основ сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии
Изучение принципов работы датчика туннельного тока в приборе NanoTutor и измерение его основных параметров
Получение топографии поверхности исследуемого образца в режиме постоянного туннельного тока

• Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме

Цели работы

Изучение принципов работы атомно-силового микроскопа в неконтактном режиме
Определение основных параметров датчика силового взаимодействия прибора NаnoTutor и параметров СЗМ эксперимента
Получение топографии поверхности и фазового контраста исследуемого образца

• Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии

Цели работы

Изучение источников артефактов в сканирующей зондовой микроскопии
Исследование основных характеристик пьезоэлектрической керамики и СЗМ сканера
Определение формы зонда и разрешения СЗМ

• Сканирующая зондовая литография

Лабораторная работа была разработана Санкт-Петербургским государственным университетом информационных технологий механики

Цели работы

Изучение физических основ зондовой нанотехнологии
Изучение различных видов литографии, выполняемых с помощью сканирующего зондового микроскопа
Получение практических навыков выполнения динамической силовой литографии

• Обработка и количественный анализ СЗМ изображений

Лабораторная работа была разработана Санкт-Петербургским государственным университетом информационных технологий механики и оптики.

Цель работы:
Получить практические навыки в области обработки и количественного анализа СЗМ изображений.

• Применение сканирующего зондового микроскопа для исследования биологических объектов

Лабораторная работа была разработана Лабораторная работа была разработана Санкт-Петербургским государственным университетом информационных технологий механики и оптики

Цели работы

Научиться готовить биологические препараты для исследований
Получить СЗМ изображение комплекса кисломолочных бактерий
Научиться основам обработки и представления результатов измерений

• Изучение микрофлоры воды с помощью сканирующей зондовой микроскопии

Лабораторная работа была разработана Нижегородским Государственным университетом им. Н.И. Лобачевского

Цели работы

Изготовить биологические препараты на основе проб воды из различных источников — дистиллированной, кипяченой, водопроводной, аквариумной и пр.
Получить СЗМ изображения с применением метода фазового контраста
Провести анализ и обработку результатов

Базовым образцом для ССМ измерений является фрагмент CD. Образцы поставляются вместе с прибором, однако их можно приготовить самому.
Для подготовки образца понадобятся:

CD (диск должен быть без пластикового защитного покрытия);
• ножницы;
• скальпель;
• пинцет.
• Для подготовки образца выполните следующие действия:

1. Ножницами вырежьте небольшой фрагмент диска (не более 12 мм в диаметре).

ПРИМЕЧАНИЕ: Если на фрагменте CD была сделана запись, на изображении скана будут видны питы, в противном случае на изображении скана будут только дорожки (треки).
Пользователь сам решает, с каким образцом он будет проводить эксперимент.

2. Подденьте скальпелем покрытие диска.

3. Аккуратно пинцетом снимите покрытие с вырезанного фрагмента.

ВНИМАНИЕ! Для исследований предназначена та часть диска, с которой было снято покрытие. Следите за тем, чтоб не коснуться поверхности при снятии покрытия.

4. После снятия покрытия образец готов для проведения исследований.

5. Образец приклеивается на держатель на двойной скотч.

Можно также в качестве ССМ образца использовать DVD диск. DVD диски нужно брать двухслойные. Ножницами отрезается полоска и расщепляется острым ножом. Питы находятся на верхней поверхности нижнего прозрачного слоя. Между слоями есть тонкая липкая пленка, ее нужно аккуратно снять, после этого можно нарезать полоску на квадратики и ставить их на двойной скотч.

Базовым образцом для СТМ измерений является фрагмент металлической матрицы для изготовления CD. Кроме того, компания выпускает дифракционные решетки с золотым покрытием. Можно также в качестве образцов для СТМ измерений использовать фрагменты компакт-дисков с золотым напылением.

Для литографии рекомендуется использовать фрагмент компакт-диска без записи информации со снятым защитным слоем. Полоски на СД используются в качестве репера.
Если полоски мешают, можно проводить процесс литографии на обратной стороне любого старого CD, отрезав кусочек ножницами.
Кроме базовых образцов компанией НТ-СПб поставляются различные калибровочные решетки и различные тестовые образцы.

Галерея сканов

: Рис. 1 Эритроциты человека

: Рис. 2 Питы CD

: Рис. 3 ДНК плазмиды ПРС-316-2

: Рис. 4 ДНК плазмиды ПРС-316-2

: Рис. 5 Питы DVD

: Рис. 6 Решетка TGX-X

: Рис. 7 Решетка TGX-X

: Рис. 8 Решетка TG01

: Рис. 9 Лактобактерии

: Рис. 10 Литография силовая

: Рис. 11. Литография силовая и токовая

: Рис. 12 ССМ изображение зонда ССМ

: Рис. 13 ССМ изображение зонда ССМ

: Рис.14 Пленка Лэнгмюра-Блоджетта

: Рис. 15 Глаз мухи

: Рис. 16 Микросхема

: Рис. 17 Микросхема

Всего на сегодняшний день установлено более 70 учебно-научных комплексов в Российской Федерации.

Комплексы работают также более чем в 20 странах по всему миру.

Учебно-научные комплексы установлены в следующих высших учебных заведениях Российской Федерации:

Москва	Центр фотохимии РАН (The centre of photochemistry RAS), Лаборатория фотохимии супермолекулярных систем Московский государственный институт электронной техники (Moscow Institute of Electronic Technology — Technical University Московский инженерно-физический институт (МИФИ) Московский государственный университет приборостроения и информатики Московский Государственный Технически Университет Им. Баумана Московский институт стали и сплавов Московский физико-технический институт Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова Московский Авиационный институт Московский государственный строительный университет РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
Санкт-Петербург	Санкт-Петербургский государственный технологический институт, ЦКП Российский Государственный Педагогический Университет имени А. И. Герцена СПбГУ ИТМО (Технический Университет) Санкт-Петербургский государственный университет ОАО «РНИИ «Электронстандарт Центр лазерной технологии Балтийский государственный технический университет «Военмех»
Кабардино-Балкария	Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М.Бербекова
Тула	Тульский Государственный Университет
Ставрополь	Северо-Кавказский государственный технический университет Ставропольский Государственный Университет
Ульяновск	Ульяновский государственный технический университет Ульяновский государственный университет
Саратов	Саратовский государственный технический университет Саратовский Государственный Университет
Белгород	Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Киров	Вятский Государственный Университет Вятский гуманитарный государственный университет
Астрахань	Астраханский государственный технический университет
Якутск	Якутский государственный университет имени М.К.Аммосова» ГОУ ВПО «Якутский государственный университет
Хабаровск	Дальневосточный государственный гуманитарный университет
Томск	Томский государственный архитектурно-строительный университет Томский Государственный Университет Томский политехнический университет
Воронеж	Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Тверь	Тверской государственный технический университет
Волгоград	Волгоградский государственный университет Волгоградский государственный технический университет Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Тамбов	Тамбовский государственный технический университет
Владивосток	Дальневосточный государственный университет Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. Куйбышева)» Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, (The Institute of Automation and Control Processes RAS
Ростов-на-Дону	Донской государственный технический университет Южный Федеральный Университет (РГУ ЮФУ)
Иваново	Ивановский государственный университет
Красноярск	Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева
Орел	Орловский государственный университет
Красноярск	Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Сибирский федеральный университет
Рязань	Рязанский государственный радиотехнический университет Рязанский государственный университет имени С.А. Есенин
Череповец	Череповецкий государственный университет
Псков	Псковский Государственный Педагогический Институт им. С.М. Кирова
Хантымансийск	Югорский государственный университет Югорский НИИ ИТ
Нижний Новгород	Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (ННГУ), (Nizhni Novgorod State University
Казань	Казанский государственный университет Казанский государственный технологический университет
Новосибирск	Новосибирский государственный технический университет Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики Новосибирский Государственный Университет
Таганрог	Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет ЮФУ(Taganrog State University of Radioengineering)
Самара	Самарский Государственный Аэрокосмический Университет им. академика Королева Самарский Государственный Технический Университет
Екатеринбург	Уральский государственный университет им. А.М. Горького
Йошкар-Ола	Марийский государственный технический университет
Тюмень	Тюменский Государственный Университет
Калининград	Российский государственный университет им. И. Канта
Белгород	Белгородский Государственный Университет
Уфа	Уфимский Государственный Авиационно — Технический Университет
Иркутск	Иркутский государственный технический университет
Ставрополь	Ставропольский Государственный Университет
Омск	Омский государственный технический университет
Саранск	Мордовский Государственный Университет имени Н.П.Огарёва Мордовский государственный педагогический институт имени М.Е. Евсевьева
Махачкала	Дагестанский государственный университет