CN111289777A - 一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体 - Google Patents
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Abstract
本发明一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,包括基座、滑杆、套管及弹簧片,其特征在于还包括第一压电管、第二压电管及探针支架,所述第一压电管一端固定在基座,另一端与第二压电管沿轴向串联固定,套管同心共轴固定于第二压电管形变自由端,弹簧片施加沿套管径向压力夹持滑杆于导轨内壁,滑杆滑动方向沿套管轴向,探针支架与第二压电管同心共轴设置,其一端固定在第一压电管与第二压电管串联连接位置。该发明镜体径向和轴向结构均高紧凑,第二压电管兼用于逼近可实现针样逼近步骤的低启动电压,同时保证扫描单元高刚性,主体采用绝缘材料制成,结构横断面无导电回路,特别适用于极低温、强/快变磁场、强震动的极端物理条件。
Description
技术领域
本发明一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,属于扫描探针显微镜技术领域,具体涉及扫描隧道显微镜。
背景技术
扫描隧道显微镜(STM)能够提供原子尺度的材料表面的电子态分布以及能带结构信息,是凝聚态物理、材料等领域功能强大的表征手段(Rev.Mod.Phys.79(2007)353-419)。STM最核心的部件是镜体,它直接决定了STM***的微观表征的分辨率性能,同时也决定了STM可以集成的***复杂程度。最为常见的STM***集成条件包括室温超高真空、溶液以及低温强磁场版本,其中低温强磁场版本难度最高,却是在凝聚态物理中拥有最为重要应用的版本,因为大的温度范围和磁场范围可以有效的调节强关联电子体系的电荷序、铁磁反铁磁序等以探究其机理。
目前,常规的低温强磁场版本的STM多是工作在安静的液氦型超导磁体(通常小于23T)中获得磁场调控,在配合不同类型的制冷机获得低温条件。随着科研人员对更加极端测试条件的需求,适用于新的极端条件下的STM镜体则需要因地制宜的设计。例如利用水冷磁体甚至混合磁体获得40T以上磁场,但是其磁体提供的室温孔径不超过50毫米,为了获得低温测试条件,需要将低温恒温器植入其中,这使得样品腔的可用空间进一步缩小。另外,水冷磁体(包括混合磁体)的振动强度大,磁场纹波远高于传统超导磁体,增加了STM的设计难度。目前国际上报道的仅两项做了尝试(Nano Research 8,3898(2015);Rev.Sci.Instrum.88,093706(2017)),但都有不足之处:例如Meng等人的工作虽然实现了27T的原子级别成像,但是并没有引入低温条件;Tao等人的工作虽然提供了低温测试条件,但是磁场升高到5T左右就失去了原子级别成像。所以全新的适用于宅空间并且能够有效抗磁场纹波干扰的STM镜体是解决这个难题的根本办法。
发明专利《多区驱动的惯性压电马达装置及扫描探针显微镜和控制法》(专利号:201410209747.8)提出了一种径向宅空间兼容的惯性压电马达装置及扫描探针显微镜,为了保证马达在低温条件下的步进稳定性,压电体集团的长度要求足够大,该设计的优势是实现几十微米的大范围扫描,但是由于探针样品回路不够紧凑,难以实现原子级别的成像。
本发明则提出了一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,可以实现镜体径向窄尺寸以及轴向紧凑,可实现无金属设计,适用于磁场快变条件。利用本发明结构制作的扫描隧道显微镜,发明人成功的实现了在混合磁体(由外超导磁体和内水冷磁体构成,是目前可以获得最高稳态磁场强度的装置)中30T的原子分辨率图像,是原子分辨率成像的最高磁场记录,同时也属于国际首个成功工作于混合磁体中的扫描隧道显微镜。
发明内容
本发明的目的是针对现有扫描探针显微镜镜体在紧凑性以及抗强磁场干扰上的进一步优化,提出一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体。
本发明实现上述目的的技术方案是:
所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,包括基座、滑杆、套管及弹簧片,其特征在于还包括第一压电管、第二压电管及探针支架,所述第一压电管一端固定在基座,另一端为形变自由端,所述第二压电管一端与第一压电管自由端共轴固定,所述第二压电管另一端为形变自由端,所述第二压电管为四象限分割XYZ压电管,所述套管同心共轴固定于第二压电管形变自由端,所述弹簧片施加沿所述套管径向压力弹性夹持所述滑杆于套管内壁,所述滑杆滑动方向沿所述套管轴向,所述探针支架与第二压电管同心共轴设置,其一端固定在所述第一压电管形变自由端,另一端对着滑杆前进方向。
所述的所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述第一压电管为沿轴向四象限分割XYZ压电管。
所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述第一压电管与所述第二压电管一体设置。
所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:增设独立探针支架,独立探针支架与所述第一压电管形变方向共轴设置,独立探针支架一端固定于基座,另一端对着滑杆前进方向。
所述的所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述基座或套管或滑杆或探针支架或独立探针支架采用绝缘材料。
所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述基座或套管或滑杆或探针支架或独立探针支架采用蓝宝石或者氧化锆材料。
本发明一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其工作原理是:探针支架一端固定在第一压电管形变自由端,另一端对着滑杆前进方向并设置指向滑杆的探针,在指向探针的滑杆端面上设置样品,以此构成的探针样品回路紧凑,同时回路内的第二压电管也可用来连同第一压电管共同产生Z轴向形变从而带动滑杆实现高效步进。
所述的所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述第一压电管外电极为沿轴向四象限分割设置,所述基座、套筒、滑杆、探针支架及独立探针支架均采用绝缘材料制成,同时第一压电管和第二压电管均采用外电极四象限分割,实现横截面无导电回路,综上可有效避免磁场纹波在镜体中产生涡旋电流,从而避免了由磁场纹波或者是磁场迅速变化带来的镜体加热效应以振动的引入。
所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,通过替换探针,可以执行有源自分辨率要求的其他扫描探针显微镜,如原子力显微镜。
所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:增设独立探针支架,独立探针支架与所述第一压电管形变方向共轴设置,独立探针支架一端固定于基座,另一端指向滑杆远离基座的端面并增设附属探针,附属探针指向所述滑杆。由于独立探针支架固定端固定于基座,可以执行较大范围的扫描,特别适用于非原子分辨要求的扫描力显微镜,如磁力显微镜(主要用于观测磁畴结构,磁畴结构往往在微米量级),所述双探针框架设计可实现扫描隧道显微镜和扫描力显微镜的组合显微成像功能。
根据上述原理,本发明具有如下优秀性能(所以实现了本发明的目的):
(1)实现了轴向和径向的紧凑性,刚性强,抗震动,适用超窄样品空间。
(2)结构简洁,可实现主体全绝缘材料制作,横断面无导电回路,适用磁场快速变化的恶劣测试条件。
(3)第二压电管对粗逼近贡献,有限的轴向空间内实现了较低的启动电压和较大马达推力,同时兼顾了探针与样品隧道结回路的高刚性,特别适合强震动、低温、强磁场恶劣条件测试条件中使用。
附图说明
图1是本发明一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体结构示意图。
图2是本发明一种管型逼近和成像单元机械串联式且第一压电管四象限分割的扫描隧道显微镜镜体结构示意图。
图3是本发明一种管型逼近和成像单元机械串联式且第一压电管与第二压电管一体化的扫描隧道显微镜镜体结构示意图
图4是本发明一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体双探针框架结构示意图。
图中标号:1基座,2A第一压电管,2B四象限分割第一压电管,2C一体化第一压电管,3第二压电管,4滑杆,5套管,6弹簧片,7探针支架,8A探针支架与第一压电管固定点,8B套管与扫描压电管固定点,9样品台,10A探针,10B辅助探针,11独立探针支架。
以下通过具体实施方式和结构附图对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
实施例1:详见图1,一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,包括基座1、滑杆4、套管5及弹簧片6,其特征在于还包括第一压电管2A、第二压电管3及探针支架7,所述第一压电管2A一端固定在基座1,另一端为形变自由端,所述第二压电管3一端与第一压电管2A自由端共轴固定,所述第二压电管3另一端为形变自由端,所述第二压电管3为四象限分割压电管,所述套管5同心共轴固定于第二压电管3形变自由端,所述弹簧片6施加沿所述套管5径向压力弹性夹持所述滑杆4于套管5内壁,所述滑杆4滑动方向沿所述套管5轴向,所述探针支架7与第二压电管3同心共轴设置,其一端固定在所述第一压电管2A形变自由端8A处,另一端指向滑杆4前进方向及增设指向滑杆4的探针10A,滑杆4指向探针10A的端面增设样品9,所述第一压电管2A直径大,压电体推力大,有助于提升滑杆4沿着套管5惯性滑动的推力,由于探针支架7根部固定于第一压电管形变自由端的8A处,小范围但是高精度扫描完全来自于紧凑的第二压电管3,故而可以兼顾了大推力、高效率的步进以及高精度、原子分辨的成像扫描。
实施例2:详见图2,一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述第一压电管2A外电极为沿轴向四象限分割设置XYZ压电管的2B,第二压电管3与第一压电管2B同样是外电极四象限分割设置,外电极可轴向一一对应短路,共享电极,从而有效减少控制信号和控制线路。
实施例3:详见图3,一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述第一压电管2B与所述第二压电管一体设置的2C,简化镜体结构。
实施例4:一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:增设独立探针支架11,独立探针支架11与所述第一压电管2C形变方向共轴设置,独立探针支架11一端固定于基座1,另一端指向滑杆4前进方向并增设辅助探针10B,辅助探针10B指向所述滑杆4,增设的独立探针支架11由于根部位于基座,故而马达压电管2C可完整用于探针扫描,实现大范围搜索或者成像,而由探针支架7构成的紧凑回路,依然可以进行高精度地原子分辨率成像。
实施例5:一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述基座1或套管5或滑杆4或探针支架7或独立探针支架11架采用绝缘材料,从而实现该扫描隧道显微镜镜体主体为非金属材料制成,特别适合高强磁场及磁场纹波大及快变磁场的恶劣测试条件中使用。
实施例6:种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述基座1或套管5或滑杆4或探针支架7或独立探针支架11架采用蓝宝石或者氧化锆材料。
Claims (6)
1.一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,包括基座、滑杆、套管及弹簧片,其特征在于还包括第一压电管、第二压电管及探针支架,所述第一压电管一端固定在基座,另一端为形变自由端,所述第二压电管一端与第一压电管自由端共轴固定,所述第二压电管另一端为形变自由端,所述第二压电管为四象限分割XYZ压电管,所述套管同心共轴固定于第二压电管形变自由端,所述弹簧片施加沿所述套管径向压力弹性夹持所述滑杆于套管内壁,所述滑杆滑动方向沿所述套管轴向,所述探针支架与第二压电管同心共轴设置,其一端固定在所述第一压电管形变自由端,另一端对着滑杆前进方向。
2.根据权利要求1所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述第一压电管为沿轴向四象限分割XYZ压电管。
3.根据权利要求2所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述第一压电管与所述第二压电管一体设置。
4.根据权利要求2、3所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:增设独立探针支架,独立探针支架与所述第一压电管形变方向共轴设置,独立探针支架一端固定于基座,另一端对着滑杆前进方向。
5.根据权利要求2、3、4所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述基座或套管或滑杆或探针支架或独立探针支架采用绝缘材料。
6.根据权利要求2、3、4、5所述的一种管型逼近和成像单元机械串联式扫描隧道显微镜镜体,其特征是:所述基座或套管或滑杆或探针支架或独立探针支架采用蓝宝石或氧化锆材料。
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