BR102021024519A2

BR102021024519A2 - PROBE SCAN SYSTEM

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Publication number: BR102021024519A2
Application number: BR102021024519-0A
Authority: BR
Inventors: Ado JORIO DE VASCONCELOS; Cassiano RABELO E SILVA; Hudson Luiz Silva De Miranda; Liliane Dos Reis Gade; Luiz Gustavo De Oliveira Lopes Cançado; Mário Guimarães Buratto; Roberto Magalhães Paniago; Vítor Pena Monken; Bianca Kurihara Yoshii; Erivalter Ferreira De Matos Reis; Jovelino Torres Dos Santos; Daniel Gonçalves De Souza Neto; Valéria Loureiro Da Silva; Valter Estevão Beal
Original assignee: Universidade Federal De Minas Gerais; Serviço Nacional De Aprendizagem Industrial, Departamento Regional Da Bahia - Senai/Dr/Ba; Ivision Sistemas De Imagem E Visão S.A.
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-06-20

Abstract

Apresenta-se um sistema de varredura de amostras por sonda formado por uma cabeça de varredura, sistemas de posicionamento, um portaamostras, um sistema de microscopia óptica e uma base maciça que integra todos os componentes. A tecnologia utiliza as técnicas de acoplamento cinemático (Ex.: “Kelvin Coupling”) e construção monolítica para propiciar a movimentação de sondas dotadas de ápice nanométrico com resolução subnanométrica, controlando sua posição e orientação com relação à amostra, bem como, simultaneamente, mantendo seu alinhamento a uma possível fonte luminosa externa. O sistema permite de forma satisfatória o acoplamento elétrico e a compatibilidade eletromagnética entre suas partes constituintes. A tecnologia apresenta atributos para versatilidade do acoplamento da sonda com a cabeça de varredura facilitando a substituição e a manutenção destes elementos e a alternância entre os modos de interação da sonda com a amostra. A tecnologia aplica-se à microscopia de varredura por sonda (SPM – do inglês “Scanning probe microscopy”), por exemplo: Microscopia óptica de varredura de campo próximo (SNOM – “Scanning near field optical microscopy”), Espectroscopia Raman amplificada por sonda (TERS – “tip enhanced Raman spectroscopy”) e outras técnicas. A probe sample scanning system consisting of a scanning head, positioning systems, a sample holder, an optical microscopy system and a massive base that integrates all components is presented. The technology uses kinematic coupling techniques (eg "Kelvin Coupling") and monolithic construction to provide the movement of probes with a nanometric apex with subnanometric resolution, controlling their position and orientation in relation to the sample, as well as, simultaneously, maintaining its alignment to a possible external light source. The system satisfactorily allows electrical coupling and electromagnetic compatibility between its constituent parts. The technology presents attributes for the versatility of coupling the probe with the scanning head, facilitating the replacement and maintenance of these elements and the alternation between the modes of interaction between the probe and the sample. The technology applies to Scanning probe microscopy (SPM), e.g. Scanning near field optical microscopy (SNOM), Probe amplified Raman spectroscopy (TERS – “tip enhanced Raman spectroscopy”) and other techniques.

Description

PROBE SCAN SYSTEM

[01] Apresenta-se um sistema de varredura de amostras por sonda formado por uma cabeça de varredura, sistemas de posicionamento, um porta-amostras, um sistema de microscopia óptica e uma base maciça que integra todos os componentes. A tecnologia utiliza as técnicas de acoplamento cinemático (Ex.: “Kelvin Coupling”) e construção monolítica para propiciar a movimentação de sondas dotadas de ápice nanométrico com resolução subnanométrica, controlando sua posição e orientação com relação à amostra, bem como, simultaneamente, mantendo seu alinhamento a uma possível fonte luminosa externa. O sistema permite de forma satisfatória o acoplamento elétrico e a compatibilidade eletromagnética entre suas partes constituintes. A tecnologia apresenta atributos para versatilidade do acoplamento da sonda com a cabeça de varredura facilitando a substituição e a manutenção desses elementos e a alternância entre os modos de interação da sonda com a amostra. A tecnologia aplica-se à microscopia de varredura por sonda (SPM – do inglês “Scanning probe microscopy”), por exemplo: Microscopia óptica de varredura de campo próximo (SNOM – “Scanning near field optical microscopy”), Espectroscopia Raman amplificada por sonda (TERS – “tipenhanced Raman spectroscopy”) e outras técnicas.[01] A probe sample scanning system consisting of a scanning head, positioning systems, a sample holder, an optical microscopy system and a massive base that integrates all components is presented. The technology uses kinematic coupling techniques (eg "Kelvin Coupling") and monolithic construction to provide the movement of probes with a nanometric apex with subnanometric resolution, controlling their position and orientation in relation to the sample, as well as, simultaneously, maintaining its alignment to a possible external light source. The system satisfactorily allows electrical coupling and electromagnetic compatibility between its constituent parts. The technology presents attributes for the versatility of coupling the probe with the scanning head, facilitating the replacement and maintenance of these elements and the alternation between the modes of interaction between the probe and the sample. The technology applies to Scanning probe microscopy (SPM), e.g. Scanning near field optical microscopy (SNOM), Probe amplified Raman spectroscopy (TERS – tipenhanced Raman spectroscopy) and other techniques.

[02] Os principais componentes de um sistema de SPM, independentemente do modo de interação, são um sistema de varredura de alta precisão com sonda acoplada, sistema para controle de posicionamento, retroalimentação e aquisição de dados, sistema para processamento dos dados e geração de imagens.[02] The main components of an SPM system, regardless of the mode of interaction, are a high-precision scanning system with coupled probe, system for positioning control, feedback and data acquisition, system for data processing and generation of images.

[03] O sistema SPM precisa prover meios de aproximar a sonda de forma controlada à amostra e, no caso de sistema dotado de uma fonte laser de excitação, alinhar a mesma com o laser, bem como manter esse alinhamento durante o período de aquisição dos dados. Além disso, é desejável que a cabeça de varredura possa ser removida e reacoplada com um mínimo de realinhamento.[03] The SPM system needs to provide means to approach the probe in a controlled manner to the sample and, in the case of a system equipped with a laser source of excitation, align it with the laser, as well as maintain this alignment during the acquisition period of the data. Furthermore, it is desirable that the scan head can be removed and reattached with a minimum of realignment.

[04] Como o tempo de aquisição de dados pode chegar a horas, a cabeça de varredura precisa apresentar estabilidade mecânica e térmica, uma vez que variações posicionais prejudicam ou impedem a obtenção dos dados. Além disso, como o sinal de retroalimentação do circuito de controle da varredura pode ser fraco e, portanto, vulnerável a interferências externas, é necessário que haja uma blindagem eletromagnética do sinal de retroalimentação contra ruídos externos e/ou gerados pelos circuitos de excitação. Da mesma forma, além de proteger contra interferências externas, os conectores e cabos elétricos utilizados não podem interferir com a movimentação da cabeça de varredura (e consequentemente da sonda), seja induzindo uma movimentação indesejada ou causando resistência mecânica à movimentação da mesma. Por fim, é desejável acesso às partes que requeiram manutenção e que os elementos da cabeça de varredura possam ser facilmente montados.[04] As the data acquisition time can reach hours, the scanning head needs to have mechanical and thermal stability, since positional variations impair or prevent data acquisition. Furthermore, as the feedback signal from the sweep control circuit can be weak and therefore vulnerable to external interference, it is necessary that there is an electromagnetic shielding of the feedback signal against external noise and/or noise generated by the excitation circuits. Likewise, in addition to protecting against external interference, the connectors and electrical cables used must not interfere with the movement of the scanning head (and consequently the probe), either inducing unwanted movement or causing mechanical resistance to its movement. Finally, access to parts that require maintenance is desirable and the scan head elements can be easily assembled.

[05] Além dos cuidados mecânicos, os elementos eletrônicos, seu acoplamento elétrico e a compatibilidade eletromagnética devem ser concebidos de forma a garantir o funcionamento estável do sistema completo.[05] In addition to mechanical care, the electronic elements, their electrical coupling and electromagnetic compatibility must be designed to ensure the stable operation of the complete system.

[06] Há no estado da técnica algumas tecnologias dedicadas à apresentação de sistemas SPM robustos tanto do ponto de vista elétrico/magnético quanto do ponto de vista mecânico e também sistemas SPM aperfeiçoados para permitir a facilidade de substituição e manutenção de seus componentes. Alguns documentos mais representativos do estado da técnica são apresentados adiante.[06] There are in the state of the art some technologies dedicated to the presentation of robust SPM systems both from the electrical/magnetic point of view and from the mechanical point of view and also improved SPM systems to allow the ease of replacement and maintenance of its components. Some more representative documents of the state of the art are presented below.

[07] O documento de patente US2009009033A1, com data de prioridade de 09/10/2004, intitulado "Nanomanipulator Used for Analyzing or Machining Objects", apresenta uma estrutura de varredura em que a sonda de varredura se integra ao sistema de microscopia SPM/STM por dois acoplamentos cinemáticos consecutivos do tipo simples com três pontos de contato cada um para promover o desacoplamento da movimentação nos eixos X e Y com relação ao eixo Z. Entretanto, US2009009033A1 apresenta a desvantagem de não utilizar um acoplamento do tipo Kelvin, o qual apresenta uma restrição de movimentação mais seletiva e propicia menor suscetibilidade a desalinhamentos mecânicos.[07] Patent document US2009009033A1, with priority date of 10/09/2004, entitled "Nanomanipulator Used for Analyzing or Machining Objects", presents a scanning structure in which the scanning probe integrates with the SPM/ STM by two consecutive kinematic couplings of the simple type with three points of contact each one to promote the decoupling of the movement in the X and Y axes with respect to the Z axis. However, US2009009033A1 has the disadvantage of not using a Kelvin type coupling, which presents a more selective movement restriction and provides less susceptibility to mechanical misalignments.

[08] O documento de patente WO1993018525A1, com data de prioridade de 11/04/1986, intitulado "Scanning probe microscope", apresenta uma cabeça de varredura de um sistema SPM em que a escolha do modo de interação é facilitada porque não demanda a troca da sonda de varredura, pois numa mesma cabeça de varredura há uma haste de varredura (do inglês cantilever) condutiva para captura do sinal STM e um sistema de detecção de deflexão deste cantilever para propiciar o sinal do modo AFM. Apesar de utilizar acoplamento cinemático do tipo Kelvin na cabeça de varredura, para aperfeiçoar o alinhamento mecânico, esta tecnologia apresenta a desvantagem de basear-se em cantilever e necessitar sistemas complexos para detecção de sua deflexão.[08] The patent document WO1993018525A1, with priority date of 04/11/1986, entitled "Scanning probe microscope", presents a scanning head of an SPM system in which the choice of interaction mode is facilitated because it does not demand the replacement of the scanning probe, as the same scanning head has a conductive scanning rod (cantilever) to capture the STM signal and a deflection detection system for this cantilever to provide the AFM mode signal. Despite using Kelvin-type kinematic coupling in the scanning head, to improve the mechanical alignment, this technology has the disadvantage of being based on a cantilever and requiring complex systems to detect its deflection.

[09] No estado da técnica não foram encontradas tecnologias com características semelhantes à tecnologia proposta neste pedido de patente, a saber: um sistema de varredura de amostras por sonda formado por uma cabeça de varredura, sistemas de posicionamento, um portaamostras, um sistema de microscopia óptica e uma base maciça que integra todos os componentes que utilize técnicas de acoplamento cinemático (Ex.: acoplamento do tipo Kelvin - em inglês Kelvin Coupling) e construção monolítica para propiciar a movimentação de sondas dotadas de ápice nanométrico com resolução subnanométrica, controlando sua posição e orientação com relação à amostra, bem como, simultaneamente, mantendo seu alinhamento a uma possível fonte luminosa externa. Também não foi encontrada nenhuma tecnologia que permite o acoplamento elétrico e a compatibilidade eletromagnética entre suas partes constituintes, a versatilidade do acoplamento da sonda com a cabeça de varredura facilitando a substituição e a manutenção desses elementos e a alternância entre os modos de interação da sonda com a amostra.[09] In the state of the art, technologies with characteristics similar to the technology proposed in this patent application were not found, namely: a probe sample scanning system formed by a scanning head, positioning systems, a sample holder, a optical microscopy and a massive base that integrates all the components that use kinematic coupling techniques (eg: Kelvin coupling - in English Kelvin Coupling) and monolithic construction to provide the movement of probes with a nanometric apex with subnanometric resolution, controlling their position and orientation with respect to the sample, as well as, simultaneously, maintaining its alignment to a possible external light source. Also, no technology was found that allows electrical coupling and electromagnetic compatibility between its constituent parts, the versatility of coupling the probe with the scanning head, facilitating the replacement and maintenance of these elements and the alternation between the modes of interaction between the probe and the scan head. the sample.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[010] A figura 1 ilustra uma possibilidade de concretização da cabeça de varredura (1), de forma não limitante. Em 1(a) tem-se cabeça de varredura (1), o corpo da cabeça de varredura (1.1), a sonda de varredura (3), protuberâncias hemisféricas (7.3), furo (7.4), peça de blindagem (8), tampa (10), “módulo de troca de sonda” (25), “dither” (34). Em 1(b) estão representados o corpo da cabeça de varredura (1.1), um atuador (2), a peça intermediária (4), o acoplamento cinemático (4.1), os sulcos em formato de “V” (4.3), parafusos passantes (5), molas (6), costelas estruturais (7), torre central (7.1), parede externa da peça (7.2), pinos (9), cavidades (11), atuador linear (12), parafuso (12.1), “dither” (34). Em 1(c) tem-se a peça intermediária (4), o acoplamento cinemático (4.1), os sulcos em formato de “V” (4.3), parafusos passantes (5), molas (6), costelas estruturais (7), torre central (7.1), “dither” (34).[010] Figure 1 illustrates a possibility of implementing the scanning head (1), in a non-limiting way. In 1(a) you have the scan head (1), the body of the scan head (1.1), the scan probe (3), hemispherical protuberances (7.3), hole (7.4), shield piece (8) , cover (10), “probe exchange module” (25), “dither” (34). In 1(b) are represented the body of the scanning head (1.1), an actuator (2), the intermediate piece (4), the kinematic coupling (4.1), the grooves in the shape of a “V” (4.3), screws through-passes (5), springs (6), structural ribs (7), central tower (7.1), outer wall of the part (7.2), pins (9), cavities (11), linear actuator (12), screw (12.1) , “dither” (34). In 1(c) there is the intermediate piece (4), the kinematic coupling (4.1), the “V”-shaped grooves (4.3), through bolts (5), springs (6), structural ribs (7) , central tower (7.1), “dither” (34).

[011] A figura 2 ilustra uma possibilidade de concretização da cabeça de varredura (1), de forma não limitante, identificando cabeça de varredura (1), corpo da cabeça de varredura (1.1), os sulcos em formato de “V” (4.3), costelas estruturais (7), torre central (7.1), parede externa da peça (7.2), protuberâncias hemisféricas (7.3), furo (7.4), peça de blindagem (8), pinos (9), tampa (10), cavidades (11).[011] Figure 2 illustrates a possibility of implementing the scanning head (1), in a non-limiting way, identifying the scanning head (1), body of the scanning head (1.1), the "V"-shaped grooves ( 4.3), structural ribs (7), center tower (7.1), part outer wall (7.2), hemispherical protrusions (7.3), hole (7.4), armor part (8), pins (9), cover (10) , cavities (11).

[012] A figura 3 ilustra uma possibilidade de concretização da invenção, de forma não limitante, identificando a base (13), um plano (14), um sulco em formato de "v" formado por 2 pinos cilíndricos (15), um ponto de contato (16), um posicionador linear (17), posicionador com resolução nanométrica (18), uma placa (18.1), o porta-amostras (19), uma abertura central (19.1), os imãs incrustados (19.2), um braço manipulador (20), um sistema de posicionamento X/Y (21), a placa de circuito (22), um imã com revestimento condutor (22.1), um fio fino (22.2), o conector (22.3).[012] Figure 3 illustrates a possibility of implementing the invention, in a non-limiting way, identifying the base (13), a plane (14), a "v"-shaped groove formed by 2 cylindrical pins (15), a contact point (16), a linear positioner (17), positioner with nanometric resolution (18), a plate (18.1), the sample holder (19), a central opening (19.1), the inlaid magnets (19.2), a manipulator arm (20), an X/Y positioning system (21), the circuit board (22), a magnet with conductive coating (22.1), a thin wire (22.2), the connector (22.3).

[013] A figura 4 ilustra uma possibilidade de concretização da invenção, de forma não limitante, onde tem-se a base (13), um plano (14), um sulco em formato de "v" formado por 2 pinos cilíndricos (15), um posicionador linear (17), posicionador com resolução nanométrica (18), uma placa (18.1), o porta-amostras (19), uma abertura central (19.1), os imãs incrustados (19.2), um braço manipulador (20), as protuberâncias curvas (20.1), um sistema de posicionamento X/Y (21), a placa de circuito (22), um imã com revestimento condutor (22.1), um fio fino (22.2), o conector (22.3).[013] Figure 4 illustrates a possibility of implementing the invention, in a non-limiting way, where there is a base (13), a plane (14), a groove in the shape of a "v" formed by 2 cylindrical pins (15 ), a linear positioner (17), a nanometer resolution positioner (18), a plate (18.1), the sample holder (19), a central opening (19.1), the embedded magnets (19.2), a manipulator arm (20 ), the curved protrusions (20.1), an X/Y positioning system (21), the circuit board (22), a magnet with conductive coating (22.1), a thin wire (22.2), the connector (22.3).

[014] A figura 5 ilustra uma possibilidade de concretização da invenção, de forma não limitante, onde tem-se a sonda de varredura (3), acoplamento cinemático de troca de sonda (23), superfícies esféricas (24), módulo de troca de sonda (25), as cavidades (25.1), a base do sistema de troca de sonda (26), roletes cilíndricos ferromagnéticos (27), orifícios (28), fios (29), placa de circuito eletrônico (30), furos (31), protuberância (32).[014] Figure 5 illustrates a possibility of implementing the invention, in a non-limiting way, where there is the scanning probe (3), kinematic probe exchange coupling (23), spherical surfaces (24), exchange module (25), cavities (25.1), base of probe exchange system (26), ferromagnetic cylindrical rollers (27), holes (28), wires (29), electronic circuit board (30), holes (31), bulge (32).

[015] A figura 6 ilustra o sistema de aquisição de sinal da sonda de varredura (3) projetado para operar em três modos distintos, sendo estes o AFM com excitação mecânica, AFM com excitação eletrônica e STM, onde são utilizados um atuador (2), a sonda de varredura (3), a peça intermediária (4), protuberâncias em formato hemisférico (4.2), parafusos passantes (5), molas (6), o porta-amostras (19), uma abertura central (19.1), os imãs incrustados (19.2), placa de circuito (22), um imã com revestimento condutor (22.1), um fio fino (22.2), módulo de troca de sonda (25), a base do sistema de troca de sonda (26), placa de circuito eletrônico (30), placa (33), “dither” (34), fios de conexão (35) e (36).[015] Figure 6 illustrates the scanning probe signal acquisition system (3) designed to operate in three different modes, which are AFM with mechanical excitation, AFM with electronic excitation and STM, where an actuator (2 ), the scanning probe (3), the intermediate piece (4), hemispherical protrusions (4.2), through screws (5), springs (6), the sample holder (19), a central opening (19.1) , the embedded magnets (19.2), circuit board (22), a magnet with conductive coating (22.1), a thin wire (22.2), probe exchange module (25), the base of the probe exchange system (26 ), electronic circuit board (30), board (33), dither (34), connecting wires (35) and (36).

[016] A figura 7 ilustra o circuito do sistema com uma ênfase na visualização correspondente ao modo de interação AFM com excitação mecânica, identificando as placas (30) e (33), as chaves (37), o módulo de troca (25), o “dither” (34) e o atuador (2), também representa as posições P1 e P2 das chaves (37).[016] Figure 7 illustrates the system circuit with an emphasis on the visualization corresponding to the AFM interaction mode with mechanical excitation, identifying the boards (30) and (33), the keys (37), the exchange module (25) , the “dither” (34) and the actuator (2), also represents the P1 and P2 positions of the switches (37).

[017] A figura 8 ilustra possíveis formas de posicionamento do “dither” (34) na cabeça de varredura (1). Em 8(a) o “dither” (34) está posicionado na superfície superior do anel cerâmico da peça intermediária (4) e alternativamente posicionado na parte superior ao atuador (2), as setas indicam a direção e sentido de vibração. A Figura 8 (b) vê-se uma ênfase no elemento (3) que é a sonda de varredura. Os elementos presentes incluem: um atuador (2), a sonda de varredura (3), a peça intermediária (4), protuberâncias em formato hemisférico (4.2), parafusos passantes (5), molas (6), superfícies esféricas (24), módulo de troca de sonda (25), as cavidades (25.1), placa de circuito eletrônico (30), “dither” (34).[017] Figure 8 illustrates possible ways of positioning the "dither" (34) in the scanning head (1). In 8(a) the “dither” (34) is positioned on the upper surface of the ceramic ring of the intermediate piece (4) and alternatively positioned on the upper part of the actuator (2), the arrows indicate the direction and direction of vibration. Figure 8 (b) shows an emphasis on element (3) which is the scanning probe. Elements present include: an actuator (2), the scan probe (3), the intermediate piece (4), hemispherical shaped protrusions (4.2), through screws (5), springs (6), spherical surfaces (24) , probe exchange module (25), cavities (25.1), electronic circuit board (30), dither (34).

[018] A figura 9 ilustra o circuito do sistema com uma ênfase na visualização correspondente ao modo de interação STM, identificando as placas (30) e (33), o módulo de troca (25), a abertura central (19.1) para conter a amostra e o atuador (2), também representa as posições P1 e P2 das chaves.[018] Figure 9 illustrates the system circuit with an emphasis on the visualization corresponding to the STM interaction mode, identifying the boards (30) and (33), the exchange module (25), the central opening (19.1) to contain the sample and the actuator (2), also represents the positions P1 and P2 of the switches.

[019] A Figura 10 apresenta as configurações do sistema de troca de sonda com três chaves (37) para a excitação eletrônica. Neste caso, ao contrário da excitação mecânica, um dos terminais do diapasão deve ser conectado ao sinal de excitação e não a referência GND. As conexões realizadas são: o módulo de troca em P1, os relés 1 e 2 em P1 e o relé 3 deve estar fechado. O relé 1 tem a função de conectar o sinal da placa (30) ao amplificado AFM da placa (33), além de ligar o circuito de compensação. A chave (37), indicada como relé 2 liga o sinal de controle ao atuador (2) via o filtro “notch” e a chave (37) indicada como relé 3 conecta o capacitor da realimentação do circuito de transimpedância, também representa as posições P1 e P2 das chaves.[019] Figure 10 shows the configurations of the probe exchange system with three switches (37) for electronic excitation. In this case, contrary to mechanical excitation, one of the tuning fork terminals must be connected to the excitation signal and not the GND reference. The connections made are: the exchange module in P1, relays 1 and 2 in P1 and relay 3 must be closed. Relay 1 connects the signal from the board (30) to the AFM amplifier on the board (33), in addition to turning on the compensation circuit. The switch (37), indicated as relay 2, connects the control signal to the actuator (2) via the “notch” filter and the switch (37), indicated as relay 3, connects the feedback capacitor of the transimpedance circuit, also represents the positions P1 and P2 of the keys.

[020] A Figura 11 apresenta uma câmera (38) e o plano (39). Os elementos mencionados incluem: cabeça de varredura (1), a base (13), a base do sistema de troca de sonda (26).[020] Figure 11 shows a camera (38) and the plane (39). Elements mentioned include: scan head (1), base (13), probe exchange system base (26).

DETAILED DESCRIPTION OF THE TECHNOLOGY

[021] A presente tecnologia se refere a um sistema de varredura de amostras por sonda formado por uma cabeça de varredura (1), sistema de posicionamento (20, 21), um porta-amostras (19), um sistema de microscopia óptica e uma base maciça que integra todos os componentes. A tecnologia utiliza as técnicas de acoplamento cinemático e construção monolítica para propiciar a movimentação de sondas dotadas de ápice nanométrico com resolução subnanométrica, controlando sua posição e orientação com relação à amostra, bem como, simultaneamente, mantendo seu alinhamento a uma possível fonte luminosa externa; o sistema permite o acoplamento elétrico e a compatibilidade eletromagnética entre suas partes constituintes. A invenção propicia também a versatilidade do acoplamento da sonda com a cabeça de varredura facilitando a substituição e a manutenção desses elementos e a alternância entre os modos de interação da sonda com a amostra.[021] This technology refers to a probe sample scanning system consisting of a scanning head (1), positioning system (20, 21), a sample holder (19), an optical microscopy system and a massive base that integrates all the components. The technology uses kinematic coupling techniques and monolithic construction to facilitate the movement of probes with a nanometric apex with subnanometric resolution, controlling their position and orientation in relation to the sample, as well as, simultaneously, maintaining their alignment to a possible external light source; the system allows electrical coupling and electromagnetic compatibility between its constituent parts. The invention also provides the versatility of coupling the probe with the scanning head, facilitating the replacement and maintenance of these elements and the alternation between the modes of interaction between the probe and the sample.

1. System Description

[022] O sistema apresentado compreende as seguintes partes principais: uma cabeça de varredura (1), um posicionador com resolução nanométrica (18), um acoplamento cinemático de troca de sonda (23) e uma câmera (38). Adiante serão apresentados detalhamentos técnicos sobre essas partes que formam o sistema.[022] The presented system comprises the following main parts: a scanning head (1), a positioner with nanometric resolution (18), a kinematic probe exchange coupling (23) and a camera (38). Below, technical details on these parts that make up the system will be presented.

2. The scan head

[023] A cabeça de varredura (1) e seus componentes principais são mostrados nas Figuras 1 e 2. Ela contém um atuador (2) fino capaz de posicionar uma sonda de varredura (3) em três dimensões, XY e Z, colado a uma peça intermediária (4) que por sua vez é fixada ao corpo (1.1) da cabeça de varredura. Este atuador (2), pode ser feito de um ou mais tubos piezoelétricos. A peça intermediária (4) pode ser feita de um material isolante de alta rigidez para isolar eletricamente o atuador (2) do corpo (1.1) da cabeça de varredura, preferencialmente uma cerâmica técnica, usinável, como a MACOR®. Esta peça intermediária (4) se acopla à cabeça de varredura por meio de um acoplamento cinemático (4.1) para facilitar instalação e manutenção do atuador (2), que poderá ser removido e/ou trocado e reposicionado com precisão, sem perda do alinhamento do mesmo e da sonda. A geometria do par cinemático pode ser usinada diretamente no corpo da base da cabeça de varredura e na peça intermediária.[023] The scanning head (1) and its main components are shown in Figures 1 and 2. It contains a thin actuator (2) capable of positioning a scanning probe (3) in three dimensions, XY and Z, glued to an intermediate piece (4) which in turn is fixed to the body (1.1) of the scanning head. This actuator (2) can be made of one or more piezoelectric tubes. The intermediate piece (4) can be made of a highly rigid insulating material to electrically isolate the actuator (2) from the body (1.1) of the scanning head, preferably a machinable technical ceramic, such as MACOR®. This intermediary piece (4) is coupled to the scanning head by means of a kinematic coupling (4.1) to facilitate installation and maintenance of the actuator (2), which can be removed and/or exchanged and precisely repositioned, without losing the alignment of the actuator. same and the probe. The geometry of the kinematic couple can be machined directly into the body of the base of the scan head and the intermediate part.

[024] Este acoplamento cinemático pode ser feito por via de protuberâncias (4.2) com superfície curva na peça intermediária que se encaixam a sulcos (4.3) no corpo (1.1) da cabeça de varredura de forma a restringir exatamente seis graus de liberdade por via de 6 pontos de contato independentes. Este acoplamento é feito pela chamada configuração de Maxwell, na qual a peça intermediária contém 3 protuberâncias em formato hemisférico (4.2). Cada uma das protuberâncias hemisféricas se acopla a um sulco em formato de V (4.3) usinado na cabeça de varredura. Estes sulcos em formato de v na cabeça de varredura são dispostos nos vértices de um triângulo equilátero imaginário que tem seu eixo apontando para o centroide deste triângulo.[024] This kinematic coupling can be done via protrusions (4.2) with a curved surface on the intermediate piece that fit into grooves (4.3) on the body (1.1) of the scan head in order to restrict exactly six degrees of freedom per way 6 independent contact points. This coupling is done by the so-called Maxwell configuration, in which the intermediate piece contains 3 hemispherical protuberances (4.2). Each of the hemispherical protrusions mates with a V-shaped groove (4.3) machined into the scan head. These v-shaped grooves in the scan head are placed at the vertices of an imaginary equilateral triangle that has its axis pointing toward the triangle's centroid.

[025] O acoplamento entre a peça intermediária (4) e a cabeça de varredura é pré-tensionado por meio de parafusos passantes (5) que se rosqueiam na cabeça de varredura e transmitem a força de travamento por meio de molas (6) que são pressionadas entre a cabeça do parafuso e a peça intermediária. Este pré-tensionamento é importante e precisa ser ajustado adequadamente para boa transmissão da excitação mecânica da sonda, como será explicado mais abaixo.[025] The coupling between the intermediate part (4) and the sweeping head is pre-tensioned by means of through screws (5) that thread into the sweeping head and transmit the locking force through springs (6) that are pressed between the screw head and the intermediate piece. This pre-tensioning is important and needs to be properly adjusted for good transmission of the probe's mechanical excitation, as will be explained below.

[026] O uso de molas permite equalizar os apertos dos parafusos e evitar apertos excessivos, por parte do operador, que podem gerar trincas e inutilizar a peça intermediária (4), que é mais frágil que o material do corpo da cabeça de varredura.[026] The use of springs makes it possible to equalize the tightening of the screws and avoid excessive tightening by the operator, which can cause cracks and render the intermediate part (4) unusable, which is more fragile than the material of the body of the scanning head.

[027] O corpo (1.1) da cabeça de varredura é construído de forma monolítica (Figura 1 (b) e 2) de material rígido e condutor como o aço inoxidável e preferencialmente com baixo coeficiente de expansão térmico, como invar. A forma monolítica permite reduzir o número de interfaces e aumentar a rigidez da peça para atingir a estabilidade mecânica necessária para um sistema SPM. Com uma geometria estruturada (Figura 3), contando com 3 costelas estruturais (7) ligando a torre central (7.1) à parede externa da peça (7.2), é possível reduzir a massa total da cabeça de varredura sem prejuízo para a rigidez da peça.[027] The body (1.1) of the scanning head is constructed in a monolithic way (Figure 1 (b) and 2) of rigid and conductive material such as stainless steel and preferably with a low coefficient of thermal expansion, such as invar. The monolithic shape allows reducing the number of interfaces and increasing the rigidity of the part to achieve the mechanical stability necessary for an SPM system. With a structured geometry (Figure 3), with 3 structural ribs (7) connecting the central tower (7.1) to the external wall of the part (7.2), it is possible to reduce the total mass of the sweeping head without compromising the rigidity of the part .

[028] O acoplamento entre a cabeça de varredura (1) e à base (13) mostrada na Figura 3 é feito por meio de um acoplamento cinemático. Para este acoplamento, a cabeça de varredura conta com protuberâncias hemisféricas (7.3), em sua própria estrutura (Figura2) que se acoplam a sulcos na base (13) da Figura 3. Para garantir a blindagem completa do atuador (2) fino, a cabeça de varredura conta com uma extensão da torre central na sua face inferior, que é a peça de blindagem(8).[028] The coupling between the scanning head (1) and the base (13) shown in Figure 3 is done by means of a kinematic coupling. For this coupling, the scanning head has hemispherical protuberances (7.3), in its own structure (Figure 2) that couple to grooves in the base (13) of Figure 3. To ensure complete shielding of the fine actuator (2), the scanning head has an extension of the central turret on its lower face, which is the armor piece(8).

[029] Esta peça de blindagem (8) conta com um acoplamento rosqueado através do qual ela pode ser removida para um melhor acesso à placa de circuito eletrônico. O corpo da cabeça de varredura (1.1) conta também com duas protuberâncias cilíndricas que se estendem da sua face traseira. Estes pinos (9) são inseridos em cavidades correspondentes na estrutura do equipamento de forma a proporcionar uma posição segura para a cabeça de varredura após a sua remoção do sistema.[029] This shield piece (8) has a threaded coupling through which it can be removed for better access to the electronic circuit board. The body of the scanning head (1.1) also has two cylindrical protuberances that extend from its rear face. These pins (9) are inserted in corresponding cavities in the equipment structure in order to provide a safe position for the scanning head after its removal from the system.

[030] A cabeça de varredura conta com uma tampa metálica (10) para a blindagem das placas de circuito eletrônico embarcadas. Como não integra a estrutura principal, este componente pode ser fabricado em um material menos rígido e mais leve do que a cabeça de varredura, como o alumínio por exemplo. Entre a tampa parafusada e a cabeça de varredura, os cabos elétricos são prensados quando elas são unidas por meio de cavidades (11) cortadas nas peças.[030] The scanning head has a metal cover (10) for shielding the electronic circuit boards on board. As it is not part of the main structure, this component can be manufactured in a less rigid and lighter material than the scanning head, such as aluminum for example. Between the screwed cover and the scanning head, the electrical cables are pressed when they are joined by means of cavities (11) cut into the pieces.

[031] O posicionamento micrométrico vertical da cabeça de varredura é feito por meio de um atuador linear (12) capaz de realizar deslocamentos micrométricos ou nanométricos com uma estabilidade em repouso suficiente para garantir que a cabeça de varredura será capaz de medir acuradamente a amostra. Para isto, é realizada uma movimentação do tipo “inchworm”, fruto da atuação sincronizada entre o atuador (2) e o atuador aqui descrito. Para isto, no sistema é empregado um atuador linear (12) que gira um parafuso (12.1), conforme indicado na Figura 1 (b). O parafuso (12.1) passa pelo furo (7.4) mostrado na Figura 2 e tem uma ponta hemisférica. Essas movimentações são combinadas com expansões e contrações do atuador (2) em busca de contato com a superfície da amostra.[031] The vertical micrometric positioning of the scanning head is done by means of a linear actuator (12) capable of performing micrometric or nanometric displacements with sufficient stability at rest to ensure that the scanning head will be able to accurately measure the sample. For this, an inchworm type movement is carried out, resulting from the synchronized action between the actuator (2) and the actuator described here. For this, the system employs a linear actuator (12) that turns a screw (12.1), as shown in Figure 1 (b). The screw (12.1) passes through the hole (7.4) shown in Figure 2 and has a hemispherical tip. These movements are combined with expansions and contractions of the actuator (2) in search of contact with the surface of the sample.

[032] O acoplamento entre a cabeça de varredura (1) e a base (13) é feito por meio do contato entre duas protuberâncias hemisféricas (7.3) na cabeça de varredura (1.1) e no parafuso (12.1) com os seguintes elementos que estão fixos na base (13) e que estão indicados na Figura 3: um plano (14), um sulco em formato de v formado por dois pinos cilíndricos (15) que formam uma guia linearmente determinada e um ponto de contato (16) que restringe 3 graus de liberdade, que consiste em uma cavidade cônica. O acoplamento entre estes seis pontos de contato descritos é denominado em inglês de "Kelvin clamp” e confere ao sistema uma restrição exata dos graus de liberdade.[032] The coupling between the scan head (1) and the base (13) is made through contact between two hemispherical protrusions (7.3) on the scan head (1.1) and the screw (12.1) with the following elements that are fixed to the base (13) and which are indicated in Figure 3: a plane (14), a v-shaped groove formed by two cylindrical pins (15) that form a linearly determined guide and a contact point (16) that constrains 3 degrees of freedom, which consists of a conical cavity. The coupling between these six described contact points is called "Kelvin clamp" and gives the system an exact restriction of the degrees of freedom.

[033] O posicionamento da cabeça de varredura (1.1) com relação à amostra é feito por meio do deslocamento em X/Y do ponto de contato (16) que restringe 3 graus de liberdade e recebe o parafuso (12.1) do atuador linear (12). Ao efetuar esta movimentação, os dois demais contatos com (14) e (15) se adequam a esta nova configuração efetuando assim um deslocamento definido da cabeça de varredura (1.1) e mantendo o determinismo característico de acoplamentos cinemáticos. Esta movimentação é feita através da fixação do ponto de contato (16) a um posicionador linear X/Y (17). 3. O Posicionador com Resolução Nanométrica[033] The positioning of the scanning head (1.1) in relation to the sample is done by means of the X/Y displacement of the contact point (16) that restricts 3 degrees of freedom and receives the screw (12.1) of the linear actuator ( 12). When carrying out this movement, the other two contacts with (14) and (15) adapt to this new configuration, thus effecting a defined displacement of the scanning head (1.1) and maintaining the characteristic determinism of kinematic couplings. This movement is performed by fixing the contact point (16) to an X/Y linear positioner (17). 3. The Positioner with Nanometric Resolution

[034] A varredura da amostra é feita por via de um posicionador com resolução nanométrica (18). Este posicionador (18), no caso do sistema desenvolvido, é dotado de uma abertura central (19.1) de forma a permitir a utilização de uma objetiva de microscopia para focalizar um laser na amostra presente na abertura central (19.1) e capturar a luz gerada para análise.[034] The sample scan is performed via a positioner with nanometric resolution (18). This positioner (18), in the case of the developed system, is equipped with a central opening (19.1) in order to allow the use of a microscopy objective to focus a laser on the sample present in the central opening (19.1) and capture the generated light. for analysis.

[035] A abertura central (19.1) é fixada a um porta-amostras (19) por meio de ímãs de neodímio não representados na figura. O porta-amostras (19) por sua vez é fixado a uma placa (18.1) parafusada no posicionador (18) por meio de imãs incrustados (19.2) no porta-amostras (19).[035] The central opening (19.1) is attached to a sample holder (19) by means of neodymium magnets not shown in the figure. The sample holder (19) in turn is fixed to a plate (18.1) screwed onto the positioner (18) by means of embedded magnets (19.2) in the sample holder (19).

[036] O posicionamento micrométrico do porta-amostras (19) é feito por meio de um braço manipulador (20) que envolve o porta-amostras (19). Esta peça faz contato com o posicionador (18) por meio de protuberâncias curvas (20.1). Este contato é feito em no máximo duas faces ao mesmo tempo. Quando em modo de medição, o braço manipulador (20) é retraído de maneira a não tocar no porta-amostras (19) visando evitar interferência na medição. Uma vez acionado, ele vence a folga até a superfície do portaamostras (19) e o desloca para a posição desejada.[036] The micrometric positioning of the sample holder (19) is done by means of a manipulator arm (20) that surrounds the sample holder (19). This part makes contact with the positioner (18) by means of curved protrusions (20.1). This contact is made on a maximum of two faces at the same time. When in measurement mode, the manipulator arm (20) is retracted so as not to touch the sample holder (19) in order to avoid interference in the measurement. Once activated, it bridges the gap to the surface of the sample holder (19) and moves it to the desired position.

[037] A movimentação deste braço (20) é feita fixando a sua extremidade oposta a um sistema de posicionamento X/Y (21). Além da funcionalidade de posicionamento grosseiro da amostra, esse sistema também possibilita a aplicação de uma diferença de potencial por meio de placa de circuito (22), a partir da qual um sinal aplicado no conector (22.3) é transmitido para a amostra na abertura central (19.1) por meio de um imã com revestimento condutor (22.1), eletricamente conectado à placa por um fio fino (22.2) para que não haja resistência à movimentação da amostra durante as medições. Preferencialmente, o imã (22.1) deve ser recoberto por uma fina camada de ouro para melhorar a condutividade elétrica e evitar oxidação do mesmo.[037] The movement of this arm (20) is done by fixing its opposite end to an X/Y positioning system (21). In addition to the functionality of coarse positioning of the sample, this system also allows the application of a potential difference through the circuit board (22), from which a signal applied to the connector (22.3) is transmitted to the sample in the central opening. (19.1) by means of a magnet with a conductive coating (22.1), electrically connected to the plate by a thin wire (22.2) so that there is no resistance to the movement of the sample during measurements. Preferably, the magnet (22.1) should be covered with a thin layer of gold to improve electrical conductivity and prevent oxidation.

[038] No sistema, o braço manipulador (20) para posicionamento micrométrico da amostra é de material metálico usinado com a opção de acoplar uma placa de circuito (22) para excitação da amostra no modo STM de operação. Uma opção para redução de custo é combinar as duas funcionalidades numa mesma garra, utilizando uma placa de circuito impresso no formato da garra. 4. O Acoplamento Cinemático de Troca de Sonda[038] In the system, the manipulator arm (20) for micrometric positioning of the sample is made of machined metallic material with the option of coupling a circuit board (22) for excitation of the sample in the STM mode of operation. One option for cost reduction is to combine the two functionalities in the same claw, using a printed circuit board in the shape of the claw. 4. The Probe Exchange Kinematic Coupling

[039] A cabeça de varredura conta com um acoplamento de troca de sonda (23) ilustrado na Figura 5. Por ser um procedimento regularmente executado, a troca da sonda de varredura (3) deve ser o mais simples e segura o possível. Para isso, foi empregado um sistema de acoplamento cinemático.[039] The scan head has a probe exchange coupling (23) shown in Figure 5. As it is a regularly performed procedure, changing the scan probe (3) should be as simple and safe as possible. For this, a kinematic coupling system was employed.

[040] O acoplamento é realizado pelo contato entre superfícies esféricas (24) e um par de roletes cilíndricos ferromagnéticos (27). No sistema de troca de sonda desenvolvido, as superfícies esféricas (24) de contato com os roletes cilíndricos ferromagnéticos (27) são esferas de neodímio coladas a uma peça denominada “módulo de troca de sonda” (25). Nesta peça é fixada a sonda de varredura (3) que consiste de uma antena nanométrica fixada em um diapasão. Os conectores da sonda de varredura (3) passam por dois orifícios (28) na peça e são conectados eletricamente à superfície esférica (24) dos imãs de neodímio, usando uma cola condutiva, preferencialmente de prata, ou por solda.[040] The coupling is performed by contact between spherical surfaces (24) and a pair of cylindrical ferromagnetic rollers (27). In the developed probe exchange system, the spherical surfaces (24) in contact with the cylindrical ferromagnetic rollers (27) are neodymium spheres glued to a piece called “probe exchange module” (25). In this part the scanning probe (3) is fixed, which consists of a nanometric antenna fixed on a tuning fork. The scan probe connectors (3) pass through two holes (28) in the part and are electrically connected to the spherical surface (24) of the neodymium magnets, using a conductive glue, preferably silver, or by soldering.

[041] Outra variação possível da tecnologia proposta, alternativa à utilização de cola ou solda direta sobre as superfícies esféricas (24), é a modificação do módulo de troca de sonda (25), originalmente fabricado em cerâmica usinável e dotado de contatos elétricos diretos entre as esferas de neodímio e os terminais do diapasão, que pode ser melhorado por meio da utilização de uma placa de circuito, especialmente construída, a qual substitui e reduz o custo de fabricação do módulo de troca. Além disso, facilita todo o processo de montagem, uma vez que o contato elétrico entre os terminais do diapasão e as esferas de neodímio se dá por meio de terminais na placa de circuito. Desta forma, o processo de montagem se torna menos agressivo aos imãs de neodímio, aumentando a repetibilidade do funcionamento do componente quando tiver a sua fabricação serializada.[041] Another possible variation of the proposed technology, alternative to the use of glue or direct soldering on the spherical surfaces (24), is the modification of the probe exchange module (25), originally manufactured in machinable ceramic and equipped with direct electrical contacts between the neodymium spheres and the tuning fork terminals, which can be improved by using a specially constructed circuit board, which replaces and reduces the manufacturing cost of the exchange module. In addition, it facilitates the entire assembly process, since the electrical contact between the tuning fork terminals and the neodymium spheres takes place through terminals on the circuit board. In this way, the assembly process becomes less aggressive to neodymium magnets, increasing the repeatability of the component's operation when its manufacturing is serialized.

[042] A base do sistema de troca de sonda (26) conta, por sua vez, com três pares de roletes cilíndricos ferromagnéticos (27) com superfície condutora. Esses cilindros são colados à peça de forma a seguir a configuração de Maxwell e conectados eletricamente à placa de circuitos eletrônicos (30) de forma que efetivamente funcionam como um conector mecânico e elétrico simultaneamente.[042] The base of the probe exchange system (26) has, in turn, three pairs of cylindrical ferromagnetic rollers (27) with a conductive surface. These cylinders are glued to the part in order to follow the Maxwell configuration and electrically connected to the electronic circuit board (30) so that they effectively function as a mechanical and electrical connector simultaneously.

[043] A conexão elétrica entre os roletes cilíndricos ferromagnéticos (27) e a placa (30) é feita por fios (29) que são soldados ou colados aos roletes cilíndricos ferromagnéticos (27) com cola condutiva (Figura 5). Os fios (29) podem ser passados pelos furos (31) ou ser trazidos externamente ao módulo de troca da sonda (25). Ao unir os dois componentes desse sistema, tem-se a conexão elétrica estabelecida entre o diapasão e a eletrônica do sistema. Tanto a base (26) quanto o módulo de troca (25) devem ser fabricados em material isolante com boa rigidez, como a cerâmica usinável. Para o módulo de troca, materiais como fenolite, celeron e polímeros usináveis são alternativas aceitáveis que reduzem o custo suficientemente para que o módulo seja descartável.[043] The electrical connection between the cylindrical ferromagnetic rollers (27) and the plate (30) is made by wires (29) that are welded or glued to the cylindrical ferromagnetic rollers (27) with conductive glue (Figure 5). The wires (29) can be passed through the holes (31) or be brought externally to the probe exchange module (25). By uniting the two components of this system, an electrical connection is established between the tuning fork and the electronics of the system. Both the base (26) and the exchange module (25) must be made of insulating material with good rigidity, such as machinable ceramic. For the exchange module, materials such as phenolite, celeron, and machinable polymers are acceptable alternatives that reduce the cost sufficiently for the module to be disposable.

[044] O sistema de troca de sonda tem como intuito promover um acoplamento simples, por se consistir em apenas uma etapa repetível, por empregar um acoplamento cinemático com restrição exata dos graus de liberdade. Nesse processo, a troca de sonda pode ser efetuada rapidamente por um módulo previamente preparado, sem a necessidade de solda do diapasão diretamente na cabeça de varredura (1), uma vez que o contato elétrico não necessita de nada além do contato mecânico entre os elementos eletricamente ativos.[044] The probe exchange system is intended to promote a simple coupling, as it consists of only one repeatable step, by employing a kinematic coupling with exact restriction of the degrees of freedom. In this process, the probe can be changed quickly using a previously prepared module, without the need to solder the tuning fork directly to the scanning head (1), since the electrical contact requires nothing more than mechanical contact between the elements electrically active.

[045] Esse acoplamento (23) traz ainda a vantagem de permitir duas posições de acoplamento mecânico e elétrico do módulo de troca (25), rodadas de 120°, que são utilizadas para conexão com os circuitos eletrônicos dedicados para operação em modos SPM diferentes, como o AFM e STM. Dessa forma o acoplamento de troca de sonda (23) também funciona como uma chave eletromecânica manual. As cavidades (25.1) do módulo de troca de sonda (25) juntamente com a protuberância (32) da base do sistema de troca de sonda (26) guiam o módulo de troca (25) para as duas posições desejadas. O sistema de aquisição de sinal da sonda de varredura (3) projetado para operar em três modos distintos, sendo estes o AFM com excitação mecânica, AFM com excitação eletrônica e STM. Para isto, são utilizadas três placas (22, 30 e 33), que organizam o circuito conforme indicado esquematicamente na Figura 6. As três placas são:

• A placa (30), que contém um amplificador de transimpedância para transformar o sinal de corrente da sonda em um sinal de tensão;
• A placa (33), que contém um amplificador de tensão com um filtro integrado, um circuito para excitar o “dither” (34), a sonda (3) ou a amostra presente na abertura central (19.1), seja em AFM ou em STM, e um circuito para controlar a movimentação do atuador (2) em X, Y e Z, que é preferencialmente um ou mais tubos piezo conectados;
• A placa de circuito (22), que permite a interconexão entre o sinal de excitação da placa (33) e a amostra na abertura central (19.1), quando o sistema opera no modo STM.

[045] This coupling (23) also has the advantage of allowing two mechanical and electrical coupling positions of the exchange module (25), rotated by 120°, which are used for connection with the dedicated electronic circuits for operation in different SPM modes , such as AFM and STM. In this way the probe exchange coupling (23) also functions as a manual electromechanical switch. The cavities (25.1) of the probe exchange module (25) together with the protrusion (32) of the base of the probe exchange system (26) guide the exchange module (25) to the two desired positions. The scanning probe signal acquisition system (3) is designed to operate in three different modes, namely AFM with mechanical excitation, AFM with electronic excitation and STM. For this, three boards (22, 30 and 33) are used, which organize the circuit as shown schematically in Figure 6. The three boards are:

• The board (30), which contains a transimpedance amplifier to transform the current signal from the probe into a voltage signal;
• The board (33), which contains a voltage amplifier with an integrated filter, a circuit to excite the “dither” (34), the probe (3) or the sample present in the central opening (19.1), either in AFM or in STM, and a circuit to control the movement of the actuator (2) in X, Y and Z, which is preferably one or more connected piezo tubes;
• The circuit board (22), which allows the interconnection between the excitation signal from the board (33) and the sample in the central opening (19.1), when the system operates in STM mode.

[046] O sistema foi projetado para operar no modo STM ou no modo AFM com excitação mecânica ou eletrônica. O que possibilita a troca entre STM e AFM é o acoplamento de troca de sonda (23) juntamente com três chaves (37) que devem operar em conjunto. Essas chaves (37) são preferencialmente relés, cuja impedância quando abertos seja alta.[046] The system is designed to operate in STM mode or in AFM mode with mechanical or electronic excitation. What makes the exchange between STM and AFM possible is the probe exchange coupling (23) along with three switches (37) that must operate together. These switches (37) are preferably relays, whose impedance when open is high.

[047] Quando no modo AFM com excitação mecânica, uma tensão senoidal é aplicada aos terminais de um cristal piezoelétrico, denominado de “dither” (34), que está colado na peça intermediária (4) que suporta o atuador (2), conforme indicado na Figura 1 (b) e na Figura 6. Essa tensão causa uma vibração no cristal de “dither” que é transferida mecanicamente para o diapasão da sonda de varredura (3). Quando essa excitação mecânica da sonda é usada, as chaves (37) devem estar configuradas de acordo com o esquema da Figura 7. Nesse caso, o acoplamento de troca de sonda (23) liga um dos terminais do diapasão da sonda de varredura (3) à referência GND, indicada pela posição P1 da Figura 7; as chaves (37), indicadas como relés 1 e 2, são configuradas na posição P1, direcionando o sinal da sonda para os filtros da placa (33); e o sinal de controle do atuador (2) passa pelo filtro “notch”. Já a chave (37), indicada como relé 3, conecta o capacitor C1, fazendo com que o circuito da placa (30) opere como um filtro passa-baixas e como um amplificador de transimpedância.[047] When in AFM mode with mechanical excitation, a sinusoidal voltage is applied to the terminals of a piezoelectric crystal, called a "dither" (34), which is glued to the intermediate part (4) that supports the actuator (2), as indicated in Figure 1 (b) and Figure 6. This voltage causes a vibration in the dither crystal that is mechanically transferred to the tuning fork of the scanning probe (3). When this mechanical excitation of the probe is used, the switches (37) must be configured according to the scheme in Figure 7. In this case, the probe exchange coupling (23) connects one of the tuning fork terminals of the scanning probe (3 ) to the GND reference, indicated by position P1 in Figure 7; the switches (37), indicated as relays 1 and 2, are configured in the P1 position, directing the probe signal to the plate filters (33); and the actuator control signal (2) passes through the “notch” filter. The switch (37), indicated as relay 3, connects the capacitor C1, making the board circuit (30) operate as a low-pass filter and as a transimpedance amplifier.

[048] O “dither” (34) pode ser colado em diversos locais da cabeça de varredura (1) mas, preferencialmente, deve ser colado à superfície superior do anel cerâmico da peça intermediária (4), onde a transmissão da vibração mecânica é mais eficiente. A transmissão depende também da orientação relativa entre a direção da vibração mecânica gerada pelo cristal de “dither” (34) e as hastes do diapasão da sonda de varredura (3). Preferencialmente, a vibração do “dither” deve ser paralela à linha que passa pelo centro das duas hastes, conforme indicado na Figura 8.[048] The "dither" (34) can be glued in different places of the sweeping head (1) but, preferably, it must be glued to the upper surface of the ceramic ring of the intermediate piece (4), where the transmission of mechanical vibration is more efficient. The transmission also depends on the relative orientation between the direction of the mechanical vibration generated by the dither crystal (34) and the tuning fork rods of the scanning probe (3). Preferably, the dither vibration should be parallel to the line passing through the center of the two rods, as shown in Figure 8.

[049] Há uma variação possível desse mecanismo de excitação do diapasão da sonda de varredura (3) pela transmissão da vibração mecânica gerada pelo “dither” (34), que é a aplicação direta de tensão em um dos terminais do diapasão da sonda de varredura (3). Dessa forma, o funcionamento do diapasão da sonda de varredura (3) se torna, praticamente, independente da configuração estrutural da cabeça de varredura. Isto possibilita uma operação fácil e repetível do sistema SPM, não exigindo que o usuário tenha experiência e reduzindo significativamente a necessidade de manutenção no sistema. As placas (30) e (33) já contemplam essa possibilidade, que poderá ser implementada utilizando a configuração apresentada na Figura 10.[049] There is a possible variation of this mechanism of excitation of the tuning fork of the scanning probe (3) by the transmission of the mechanical vibration generated by the "dither" (34), which is the direct application of voltage to one of the terminals of the tuning fork of the scanning probe. sweep (3). In this way, the operation of the tuning fork of the scanning probe (3) becomes practically independent of the structural configuration of the scanning head. This enables easy, repeatable operation of the SPM system, requiring no user experience and significantly reducing the need for system maintenance. Plates (30) and (33) already contemplate this possibility, which can be implemented using the configuration shown in Figure 10.

[050] No modo de operação STM, o acoplamento de troca de sonda (23) deve ser colocado na posição P2, curto-circuitando os dois terminais do diapasão da sonda de varredura (3), conforme indicado na Figura 9. Concomitantemente, as chaves (37) indicadas como relés 1 e 2 devem ser colocados na posição P2, direcionando o sinal da sonda para o amplificador apropriado ao sinal de STM e retirando o filtro “notch” no sinal de controle do atuador (2). Já a chave (37) indicada como relé 3 deve ser aberta, retirando o capacitor C1 da realimentação do amplificador de transimpedância. A Figura 9 indica as conexões necessárias para a operação em STM.[050] In the STM operating mode, the probe exchange coupling (23) must be placed in the P2 position, short-circuiting the two tuning fork terminals of the scanning probe (3), as shown in Figure 9. At the same time, the switches (37) indicated as relays 1 and 2 must be placed in the P2 position, directing the probe signal to the appropriate amplifier for the STM signal and removing the “notch” filter in the actuator control signal (2). The switch (37) indicated as relay 3 must be opened, removing the capacitor C1 from the feedback of the transimpedance amplifier. Figure 9 indicates the necessary connections for STM operation.

[051] Na operação no modo AFM com excitação eletrônica, o sinal de excitação é levado a um dos terminais do diapasão da sonda de varredura (3), eliminando o “dither”. Um circuito de compensação da capacitância do diapasão da sonda de varredura (3) é incluso ao circuito. A Figura 10 apresenta as configurações do acoplamento de troca de sonda (23) e das três chaves (37) para a excitação eletrônica (indicadas como relé 1, 2 e 3). Neste caso, ao contrário da excitação mecânica, um dos terminais do diapasão da sonda de varredura (3) deve ser conectado ao sinal de excitação e não a referência GND. As conexões realizadas são: o módulo de troca (25) conectado em P1; os relés 1 e 2 conectados em P1 e o relé 3 deve estar fechado. O relé 1 tem a função de conectar o sinal da placa (30) ao amplificador AFM da placa (33), além de ligar o circuito de compensação. O relé 2 liga o sinal de controle ao atuador (2) via o filtro “notch” e o relé 3 conecta o capacitor da realimentação do circuito de transimpedância.[051] In operation in AFM mode with electronic excitation, the excitation signal is taken to one of the tuning fork terminals of the scanning probe (3), eliminating the dither. A capacitance compensation circuit for the tuning fork of the scanning probe (3) is included in the circuit. Figure 10 shows the configurations of the probe exchange coupling (23) and of the three switches (37) for the electronic excitation (indicated as relay 1, 2 and 3). In this case, contrary to mechanical excitation, one of the tuning fork terminals of the sweep probe (3) must be connected to the excitation signal and not the GND reference. The connections made are: the exchange module (25) connected to P1; relays 1 and 2 connected to P1 and relay 3 must be closed. Relay 1 has the function of connecting the signal from the board (30) to the AFM amplifier on the board (33), in addition to turning on the compensation circuit. Relay 2 connects the control signal to the actuator (2) via the “notch” filter and relay 3 connects the feedback capacitor of the transimpedance circuit.

5. The Camera and its Spatial Configuration

[052] O sistema desenvolvido pode fazer uso de uma câmera (38) posicionada lateralmente para visualização da sonda de varredura (3), do laser e da amostra (19), permitindo um alinhamento grosso do posicionamento relativo dos mesmos. Nesse sistema, a câmera está inclinada a aproximadamente 16° em relação ao plano horizontal. Como a alternância entre os modos AFM e STM é realizada através da rotação de 120° do módulo de troca de sonda (25) que contém o diapasão da sonda de varredura (3), é necessário otimizar o posicionamento relativo entre a câmera (38) e o diapasão da sonda de varredura (3) para boa visualização nas duas posições permitidas pelo acoplamento de troca de sonda (23).[052] The developed system can make use of a camera (38) positioned laterally to view the scanning probe (3), the laser and the sample (19), allowing a rough alignment of their relative positioning. In this system, the camera is tilted at approximately 16° from the horizontal plane. As switching between AFM and STM modes is performed by rotating the probe changer module (25) 120° which contains the scanning probe tuning fork (3), it is necessary to optimize the relative positioning between the camera (38) and the tuning fork of the scanning probe (3) for good visualization in the two positions allowed by the probe exchange coupling (23).

[053] Conforme indicado esquematicamente na Figura 11, na orientação preferencial, o plano (39) que contém as hastes do diapasão da sonda de varredura (3), estará a 30° ou 150° do eixo formado pelo atuador (2) fino e o atuador linear (12). Adicionalmente, a haste do diapasão da sonda de varredura (3) que contém a nanoantena deverá estar centralizada com o centro do acoplamento de troca de sonda (23), de tal forma que o sistema de visualização fixo posicionado a 90° desse eixo é sempre capaz de imagear a sonda sem necessidade de ajustes quando houver a alternância entre os modos de microscopia.[053] As indicated schematically in Figure 11, in the preferred orientation, the plane (39) that contains the tuning fork rods of the scanning probe (3), will be at 30° or 150° from the axis formed by the actuator (2) thin and the linear actuator (12). Additionally, the tuning fork rod of the scanning probe (3) that contains the nanoantenna must be centered with the center of the probe exchange coupling (23), in such a way that the fixed visualization system positioned at 90° from that axis is always capable of imaging the probe without the need for adjustments when switching between microscopy modes.

Claims

PROBE SCAN SYSTEM comprising a scanning head (1) characterized by comprising an actuator (2) of nanometric precision to position a scanning probe (3) in the X, Y and Z dimensions, the actuator (2) is fixed to an intermediate piece (4) which in turn is fixed to the body (1.1) of the scanning head (1), the intermediate piece (4) is coupled to the scanning head (1) by means of a kinematic coupling (4.1) to enable the installation, replacement and maintenance of the actuator (2), and the coupling (4.1) occurs by protuberances (4.2) with curved surface in the intermediate part (4) that fit the grooves (4.3) in the body (1.1) of the head (1) in order to restrict exactly six degrees of freedom via six independent contact points, the grooves (4.3) are arranged at the vertices of an imaginary equilateral triangle that has its axis pointing to the centroid of this triangle, the coupling between the intermediate piece (4) and the sweeping head (1) is pre-tensioned by means of through screws (5) that thread into the sweeping head (1) and transmit the locking force by means of springs (6) which are pressed between the screw head and the intermediate piece (4), the body (1.1) of the scan head (1) is constructed in a monolithic way of rigid and conductive material in which the scan head (1) has a turret center (7.1) and has an extension on its lower face called shielding piece (8) that provides electromagnetic shielding for the fine actuator and electronic circuit boards, the scanning head (1) has a metallic cover (10) for shielding of the on-board electronic circuit boards, the vertical micrometric positioning of the scanning head (1) is done by means of a linear actuator (12) with a hemispherical tip (12.1), the coupling between the scanning head (1) and the base ( 13) is done by means of hemispherical protuberances (7.3) that provide contact between three curved protuberant terminations capable of determining tangential contact points located at the end, at least one consisting of the linear actuator (12.1) and the remaining two (7.3) being able to be fixed on the scanning head (1), with the following elements that are fixed on the base (13): a plane (14), cylindrical pins (15) that form a linearly determined kinematic guide and a contact point (16) that restricts 3 degrees of freedom, the positioning of the scanning head (1) in relation to the sample is done by means of the X/Y displacement of the contact point (16) that restricts 3 degrees of freedom and receives the end (12.1) of the linear actuator (12) which, when carrying out this movement, makes the two other contacts with (14) and (15) adapt to this new configuration, thus effecting a defined and deterministic displacement of the scanning head (1) resulting from this coupling kinematic, this movement is performed by fixing the contact point (16) to a linear X/Y positioner (17).

PROBE SCAN SYSTEM including a scanning head (1), according to claim 1, characterized in that the actuator (2) is made of one or more piezoelectric tubes.

SCANNING SYSTEM BY PROBE including a scanning head (1), according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the intermediate part (4) is made of a high rigidity insulating material to electrically isolate the actuator (2) of the body (1.1) of the scanning head (1).

SCANNING SYSTEM BY PROBE including a scanning head (1), according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the body (1.1) of the scanning head (1) is constructed in a monolithic manner of rigid and conductive material such as stainless steel and low coefficient of thermal expansion, such as invar.

SCANNING SYSTEM BY PROBE including a scanning head (1), according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the body (1.1) of the scanning head (1) has structural ribs that allow to reduce the mass of the body and give it rigidity.

PROBE SCAN SYSTEM including a scanning head (1), according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the shielding part (8) is removable in order to facilitate access to elements at the lower end of the central tower (7.1), being coupled to the body (1.1) of the scanning head (1).

PROBE SCAN SYSTEM including a scanning head (1), according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the scanning head (1) has a container in the structure of the system in order to provide a safe position for the scanning head (1) after its removal from the system by two cylindrical protuberances that extend from its rear face, called pins (9), which are inserted into corresponding cavities in the system structure.

SCANNING SYSTEM BY PROBE including a scanning head (1), according to claim 1, characterized in that the metallic cover (10) for the shielding of the electronic circuit boards onboard is manufactured in a less rigid and lighter material than the scan head (1), such as aluminum.

PROBE SCAN SYSTEM including a scanning head (1), according to any one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises cavities (11) cut in the metal cover (10) and in the scanning head (1), for crimping of electrical cables when they are joined.

PROBE SCAN SYSTEM including a scanning head (1), according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the linear actuator (12) for vertical micrometric or nanometric movement of the scanning head (1) is an inertial actuator piezoelectric.

SCANNING SYSTEM BY PROBE including a scanning head (1), according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the shielding part (8) is a removable metal tube on the underside of the scanning head (1).

PROBE SCAN SYSTEM that includes a positioner with nanometric resolution (18) for moving the sample, characterized in that it comprises a central opening (19.1) to contain the sample, in order to allow the use in an inverted microscope configuration to focus a laser in the sample present in the central opening (19.1) and capture the light generated for analysis, the central opening (19.1) is fixed to a sample holder (19) which in turn is positioned on a plate (18.1) coupled to the positioner with resolution nanometer (18) so that it can slide over the plate (18.1) when a force oriented in the horizontal plane is applied, the micrometric positioning of the sample holder (19) is done by means of a manipulator arm (20) that surrounds the holder -samples and does not make contact with the positioner with nanometric resolution (18), and, when in measurement mode, the manipulator arm (20) is retracted forming a gap so as not to touch the sample holder (19) which reduces the susceptibility to interference of the movement of the sample by the positioner (18) and, when activated, the manipulator arm (20) projects itself in the clearance space until it contacts one of the sides of the sample holder (19) and moves it to the desired position , and the movement of the arm (20) is done by fixing its opposite end to an X/Y positioning system (21) that performs the rough positioning of the sample.

PROBE SCAN SYSTEM including a positioner with nanometric resolution (18) for moving the sample, according to claim 12, characterized by fixing the central opening (19.1) in the sample holder (19) by means of magnets or a claw , where the sample holder (19) is fixed to the plate (18.1), which is screwed onto the positioner (18), by means of embedded magnets (19.2) in the sample holder (19).

PROBE SCAN SYSTEM that has a manipulator arm (20) for micrometric movement of the sample holder (19), characterized by the presence of curved protuberances (20.1) on the inside so that the contact between the manipulator arm (20) and the sample holder (19) is made in two points preventing sample rotation.

PROBE SCAN SYSTEM that has a manipulator arm (20) for micrometric movement of the sample holder (19), according to claim 14, characterized by the application of a potential difference through a circuit board (22), to from which a signal applied to the connector (22.3) is transmitted to the sample present in the central opening (19.1) by means of a magnet with a conductive coating (22.1), electrically connected to the plate by a thin wire (22.2) which reduces the resistance mechanics to sample movement during measurements.

PROBE SCAN SYSTEM including a manipulator arm (20) for micrometric movement of the sample holder (19), according to any one of claims 14 and 15, characterized in that the magnet with a conductive coating (22.1) is covered by a thin layer gold to improve electrical conductivity and prevent oxidation and be made of neodymium.

PROBE SCAN SYSTEM having a manipulator arm (20) for micrometric movement of the sample holder (19), according to any one of claims 14 to 16, characterized in that the manipulator arm (20) is made of a printed circuit board in order to combine elements (20) and (22) into a single element.

PROBE SCAN SYSTEM including a kinematic probe exchange coupling (23) characterized in that it comprises a coupling made between a part called the “probe exchange module” (25) and another part called the “base of the probe exchange system” (26), due to the contact between the parts occurring between spherical surfaces (24) in the probe exchange module (25) and three pairs of cylindrical ferromagnetic rollers (27) at the base of the probe exchange system (26), so following the Maxwell kinematic coupling configuration, the spherical surfaces (24) of the module (25) are of magnetic material with a conductive surface and the ferromagnetic cylindrical rollers (27) of the part (26) are ferromagnetic with a conductive surface, the module of exchange (25) contains the scanning probe (3) consisting of a structure with dimensions in the nanometer scale fixed on a tuning fork of the scanning probe (3), electrically connected to the spherical surfaces (24) of the magnets using a fixation means, three Ferromagnetic cylindrical rollers (27) of the base of the probe exchange system (26) are electrically connected to the electronic circuit board (30) and function as a mechanical and electrical connector simultaneously, the union of the module (25) and the base (26 ) establishes an electrical connection between the tuning fork of the scanning probe (3) and the electronic circuit board (30), the coupling (23) allows two positions of mechanical and electrical coupling of the exchange module (25), rotated by 120° each other, for connection with the dedicated electronic circuits for operation in different SPM modes, such as AFM and STM, providing that the probe exchange coupling (23) also works as a manual electromechanical switch.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23), according to claim 18, characterized in that the surfaces of the spheres (24) of the kinematic coupling of magnetic material are neodymium magnets, coated with gold.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23) according to any one of claims 18 and 19, characterized by the scan probe (3) consisting of a nanometric antenna fixed to a tuning fork, the conductors and scan probe connectors (3) pass through two holes (28) in the part and are electrically connected to the spherical surfaces (24) of the magnets using a conductive glue, such as silver, or by soldering.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23) according to any one of claims 18 to 20, characterized by the scan probe (3) consisting of a structure with dimensions on the nanometric scale fixed on a tuning fork , the conductors and connectors of the scan probe (3) are soldered to terminals on a circuit board which in turn are electrically connected to the spherical surfaces (24) of the magnets.

PROBE SCAN SYSTEM including a kinematic probe exchange coupling (23) according to any one of claims 18 to 21, characterized by the wires (29) connecting the ferromagnetic cylindrical rollers (27) of the exchange module base (26) to the electronic circuit board (30) to be passed through the holes (31) or to be brought externally to the probe exchange base (26).

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23), according to any one of claims 18 to 22, characterized in that the base (26) and the exchange module (25) are manufactured in insulating material with rigidity , such as machinable ceramics.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23) according to any one of claims 18 to 23, characterized in that the exchange module (25) is made of materials such as phenolite, celeron or machinable polymers.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23) according to any one of claims 18 to 24, characterized in that the base of the exchange module (26) has a protuberance (32) that guides the probe module switch (25) to the two valid positions.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23) according to any one of claims 18 to 25, characterized in that it comprises plates (22), (30) and (33) for operating in three modes distinct, these being the AFM with mechanical excitation, AFM with electronic excitation and STM, the board (30) contains a transimpedance amplifier to transform the current signal from the probe into a voltage signal, the board (33) contains an amplifier of voltage with an integrated filter, a circuit to excite the dither (34), the probe (3) or the sample present in the central opening (19.1), either in AFM or in STM, and a circuit to control the movement of the actuator (2) in X, Y and Z, the circuit board (22) performs the interconnection between the excitation signal from the board (33) and the sample present in the central opening (19.1), when the system operates in STM mode, and the system includes three switches (37) to toggle between STM and AFM modes.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23) according to any one of claims 18 to 26, characterized in that the actuator (2) in X, Y and Z is one or more connected piezoelectric tubes.

PROBE SCAN SYSTEM including a kinematic probe exchange coupling (23) according to any one of claims 18 to 27, characterized by the switches (37) and complementary switches of the circuits (22), (30) and (33) ) are relays whose impedance when open is high.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23), according to any one of claims 18 to 28, characterized in that it comprises an AFM mode with mechanical excitation in which a piezoelectric crystal, called a "dither" ( 34), is glued to the intermediate piece (4) that supports the actuator (2), and the dither (34) vibrates when a sinusoidal voltage is applied to its terminals, which is mechanically transferred to the tuning fork of the probe. scan (3), and in this condition of mechanical excitation one of the tuning fork terminals of the scan probe (3) is connected to the GND reference, indicated by position P1, and allows directing the probe signal to the filters or to the board (33 ), the actuator control signal (2) passes through the “notch” filter and a switch connects capacitor C1, making the circuit on board 30 operate as a low-pass filter and as a transimpedance amplifier.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23), according to any one of claims 18 to 29, characterized in that the "dither" (34) is glued to the scan head (1) or to the upper surface of the intermediate piece's ceramic ring (4), and because the vibration of the "dither" is parallel to the line that passes through the center of the two rods of the scanning probe's tuning fork (3) or because it comprises an alternative to this probe's tuning fork excitation mechanism (3) by transmitting the mechanical vibration generated by the "dither" (34) which is the direct application of voltage to one of the tuning fork terminals of the scanning probe (3) so that the operation of the tuning fork of the scanning probe (3 ) is independent of the structural configuration of the scan head (1).

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23), according to any one of claims 18 to 30, characterized in that it comprises an STM operating mode in which the switches are in the P2 position, short-circuiting the two terminals of the tuning fork of the sweep probe (3) and, concomitantly, the switches must be placed in the P2 position, directing the probe signal to the STM signal amplifier and removing the “notch” filter in the actuator control signal (2) to switch in series with C1 must be opened, removing capacitor C1 from the transimpedance amplifier feedback.

PROBE SCAN SYSTEM including a probe exchange kinematic coupling (23), according to any one of claims 18 to 31, characterized in that it comprises an AFM mode with electronic excitation in which the excitation signal is brought to one of the terminals of the sweeping probe tuning fork (3), eliminating the dither (34), and this mode includes a compensation circuit for the capacitance of the scanning probe tuning fork (3) and one of the terminals of the scanning probe tuning fork (3 ) must be connected to the excitation signal and disconnected from the GND reference, the switches are positioned at P1, a switch connects the capacitor C1, the signal from the board (30) is directed to the AFM amplifier of the board (33), the compensation circuit is on and the control signal is directed to the actuator (2) via the “notch” filter, the feedback capacitor of the transimpedance circuit is connected to the circuit by the action of a switch.

SCANNING SYSTEM BY PROBE that includes a camera (38) for viewing the scanning probe (3), laser and sample present in the central opening (19.1) to provide the rough alignment of the relative positioning of these elements characterized by the camera (38) being positioned laterally in relation to (3) and be inclined in relation to the horizontal plane so that the angle between the optical axis and the sample plane is between 168° and 24°.

PROBE SCAN SYSTEM including a camera (38), according to claim 33, characterized in that the camera (38) is positioned laterally in relation to (3) and is inclined in relation to the horizontal plane so that the angle between the optical axis and the sample plane is 16°.

PROBE SCAN SYSTEM including a camera (38), according to any one of claims 33 and 34, characterized in that the tuning fork rod of the scanning probe (3) containing the nanoantenna is centralized with the center of the sensor exchange system probe (23), in such a way that the fixed visualization system positioned at 90° from the axis formed by (23) and the linear actuator (12) is able to image the probe when there is an alternation between the valid positions of the exchange module probe (25).

PROBE SCAN SYSTEM including a camera (38), according to any one of claims 33 to 35, characterized in that the plane (39) containing the tuning fork rods of the scanning probe (3) forms an angle of approximately 30° or 150° from the axis formed by the center of the probe exchange system (23) and the linear actuator (12).