CN102243253A - 成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，包括XYZ压电定位器、X压电定位器、XYZ压电定位器架、X压电定位器座、样品架，其特征是X压电定位器固定于样品架与X压电定位器座之间，XYZ压电定位器固定于XYZ压电定位器架上，所述X压电定位器的定位方向与重力方向垂直，所述XYZ压电定位器架以重力压在所述样品架上且在X压电定位器的定位方向上是自由的。本发明可解决扫描探针显微镜中粗逼近定位器的不稳定导致探针与样品间相对位置不稳定的问题，并利于实现全低电压（低于工业标准的15V供电电压）控制的扫描探针显微镜，从而降低电路的噪音、漂移和漏电流，提高测量精度和分辨率，同时也大大降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及扫描探针显微镜技术领域，尤其是扫描探针显微镜，具体为一种成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体。
背景技术
扫描探针显微镜（scanning probe microscope，简称SPM）因具有极高的空间分辨率而成为纳米科技、量子调控、分子生物、材料科学和表面化学等重大战略科技领域的关键工具，特别是它的一些重要成员，如扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，简称STM）和原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）更是具有原子、甚至亚原子分辨率。其发展至今，稳定性和分辨率依然不是十分令人满意，因为以宏观大小的镜体去控制原子级别的定位是很难得到长时间的稳定和精确的。如何通过更合理的设计来进一步提高，甚至是突破性的改进分辨率和稳定性，依然是研究人员所期待和重点关注的。
扫描探针显微镜镜体通常由把探针与样品从宏观间隔逼近到微观间隔的粗逼近（coarse approach）器和使探针相对于样品表面做微观成像扫描的压电扫描器（piezoelectric scanner）构成的。在通常的设计中，这两者是相互关联或耦合的，例如：英国的《测量科学与技术》杂志（Measurement Science and Technology，Vol. 20，2009，P065503）报道了一种将同一个XYZ压电定位器既用于扫描成像，又用于把探针或样品以惯性步进（inertial stepping）的方式一步步地甩向对方，实现粗逼近的扫描隧道显微镜。再比如，美国《科学仪器评论》杂志（Review of Scientific Instruments，Vol. 79，2008，P113707）报道了一种将两个一样的XYZ压电定位器并排地固立于基座上，一个用于惯性步进粗逼近（把样品甩向探针），另一个用于扫描成像（扫描成像也可由这两个XYZ压电定位器分别进行一个一维的扫描，实现两维的表面扫描）。
这些设计都有一个重大的缺点：粗逼近定位器的热漂移和位置涨落（由电极信号的电子学噪声引起粗逼近定位器的不规则压电移动，或由其不规则的热运动产生）会引起探针-样品相对位置的非受控变化。而且这种探针-样品相对位置的不稳定不会很小，因为粗逼近一般要求用尺寸较大的压电定位器制作，否则不能产生足够的推力实现粗逼近。但大尺寸压电定位器的定位精度不高（其热漂移和位置涨落因尺寸大而增加），使探针-样品的相对位置在扫描成像过程中严重不稳定，导致分辨率下降，特别是难以达到高质量原子分辨率要求，得到的图像通常也是畸变的。很多人为了刻意减小压电定位器的尺寸并保持其足够的推力，就不得不使用高电压（简称高压）信号来驱动粗逼近。这就不得不使用高压的电子元器件来制作控制系统。这不仅大大提高了成本，而且高压电子元器件的噪声、精度、稳定性、漏电流等几乎所有重要指标都比相应的低压电子元器件差得多。这也大大降低了扫描探针显微镜的成像质量。
虽然粗逼近定位需要使用大尺寸压电定位器或高压，但成像扫描用的扫描定位器通常只需产生原子级别扫描范围即可，也不要求推力大，所以仅需使用小尺寸压电定位器和低电压（简称低压）就能工作，故其漂移小、位置涨落小、定位精度高。所以，如果能把粗逼近定位与成像扫描定位分开，使成像扫描与粗逼近隔离，不受其低精度高涨落的影响，是一个解决上述问题的好方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，以解决现有技术中扫描探针显微镜中粗逼近定位器的不稳定会导致探针与样品间相对位置不稳定的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，包括XYZ压电定位器、X压电定位器、XYZ压电定位器架、X压电定位器座、样品架，其特征在于：所述X压电定位器固定于样品架与X压电定位器座之间，X压电定位器的定位方向与重力方向垂直，所述XYZ压电定位器固定于XYZ压电定位器架上，所述XYZ压电定位器架以重力压在所述样品架上且在X压电定位器的定位方向上是自由的。
所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述的X压电定位器是切向压电堆栈。
所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述XYZ压电定位器架与所述样品架之间设有沿X压电定位器定位方向的导轨，所述XYZ压电定位器架在导轨上沿X压电定位器定位方向滑移。
成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，包括XYZ压电定位器、X压电定位器、XYZ压电定位器架、X压电定位器座、样品架，其特征在于：所述X压电定位器固定于样品架与X压电定位器座之间，所述XYZ压电定位器固定于XYZ压电定位器架上，所述XYZ压电定位器架以弹力压在所述样品架中且在X压电定位器的定位方向上是自由的。
所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述X压电定位器的定位方向与重力方向相同。
所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述XYZ压电定位器架与所述样品架之间设有沿X压电定位器定位方向的导轨，所述XYZ压电定位器架在导轨上沿X压电定位器定位方向滑移。
所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述X压电定位器是压电片堆栈。
所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述XYZ压电定位器架与所述X压电定位器座之间增设弹簧，所述弹簧的弹性力抵消XYZ压电定位器与XYZ压电定位器架所受总重力。
所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述扫描探针显微镜镜体在水平方向是对称的。
本发明的工作原理为：XYZ压电定位器架以重力压在样品架上，或者以弹力压在所述样品架中，但XYZ压电定位器架在所述样品架上沿X压电定位器的定位方向上是自由的，而样品架是固定在X压电定位器上的，所以当X压电定位器在其定位方向（X方向）上进行惯性甩动时，可将XYZ压电定位器架连同固定于其上的XYZ压电定位器一起惯性步进地甩向固定在样品架上的样品，实现粗逼近。在该结构中，X压电定位器是粗逼近定位器，其热漂移或位置涨落（定位涨落）将带动样品架、XYZ压电定位器架连同固定于XYZ压电定位器架上的XYZ压电定位器一起做同样的漂移或涨落运动，但XYZ压电定位器架和固定于其上的XYZ压电定位器却相对于样品架是不受该漂移或涨落的影响的。这样，固定于XYZ压电定位器上的探针和固定于样品架上的样品（探针与样品的位置可互换）之间就不受该漂移或涨落的影响，实现了本发明的目的。
根据上述原理可以看出，本发明的有益效果体现在：
（1）因为X压电定位器（即粗逼近定位器）自身的热漂移或位置涨落（定位涨落）不会导致样品与探针间相对位置的不稳定，而能够导致样品与探针间相对位置不稳定的XYZ压电定位器（成像扫描的扫描器）又允许做得很小以减少该XYZ压电定位器导致的这种不稳定，所以最终得到的本发明镜体是高度稳定的。
（2）X压电定位器可以做成大尺寸的（在低压下就能实现粗逼近）而不会增加成像的不稳定性，所以可以制成高稳定全低压的扫描探针显微镜。由于全低压的使用，进一步降低了噪音、漂移和漏电流，提高了精度和分辨率，同时也大大降低了成本。
附图说明
图1是本发明重力下粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体结构示意图。
图2是本发明弹力下粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体结构示意图。
图3是本发明弹力抵消重力的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体结构示意图。
具体实施方式
实施例1：重力下粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
参见附图1，本实施例重力下粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，包括XYZ压电定位器5、X压电定位器2、XYZ压电定位器架4、X压电定位器座1、样品架3，X压电定位器2固定于样品架3与X压电定位器座1之间，XYZ压电定位器5固定于XYZ压电定位器架4上，X压电定位器2的定位方向与重力方向垂直，XYZ压电定位器架4以重力压在样品架3上且在X压电定位器2的定位方向上是自由的。
本实施例的工作原理为：XYZ压电定位器架4以重力压在样品架3上，但XYZ压电定位器架4在样品架3上沿X压电定位器2的定位方向上是自由的，而样品架3是固定在X压电定位器2上的，所以当X压电定位器2在其定位方向（X方向）上进行惯性甩动时，可将XYZ压电定位器架4连同固定于其上的XYZ压电定位器5一起惯性步进地甩向固定在样品架3上的样品7，实现粗逼近。在该结构中，X压电定位器2是粗逼近定位器，其热漂移或位置涨落（定位涨落）将带动样品架3、XYZ压电定位器架4连同固定于XYZ压电定位器架4上的XYZ压电定位器5一起做同样的漂移或涨落运动，但XYZ压电定位器架4和固定于其上的XYZ压电定位器5却相对于样品架3是不受该漂移或涨落的影响的。这样，固定于XYZ压电定位器5上的探针6和固定于样品架3上的样品7（探针6与样品7的位置可互换）之间就不受该漂移或涨落的影响，实现了本发明的目的。
实施例2：切向压电堆栈驱动的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
上述实施例1中，X压电定位器2可以是切向压电堆栈（shear piezo stack），这样，该切向压电堆栈以其各切向压电片（shear piezo plate）竖直堆放的方式固定于X压电定位器座1上时，其顶部的定位方向是水平的，即垂直于重力方向，从而可以在水平方向驱动XYZ压电定位器架4连同固定于其上的XYZ压电定位器5一起惯性步进地一步步甩向固定在样品架3上的样品7，实现粗逼近。这里使用切向压电堆栈的目的是增加推力，减少驱动低压。
实施例3：有导轨的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
上述实施例1和2中，XYZ压电定位器架4与样品架3之间设有沿X压电定位器2定位方向的导轨。其目的是使得X压电定位器2在驱动XYZ压电定位器架4在样品架3上惯性步进时是在导轨上滑移的，这一方面可以使得滑移面之间的摩擦系数更小更稳定，滑移更容易更可靠，另一方面也使得惯性步进（粗逼近）是一个更定向的移动。
实施例4：弹力下粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
参见附图2，本实施例弹力下粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，包括XYZ压电定位器5、X压电定位器2、XYZ压电定位器架4、X压电定位器座1、样品架3，X压电定位器2固定于样品架3与X压电定位器座1之间，XYZ压电定位器5固定于XYZ压电定位器架4上，XYZ压电定位器架4通过弹性件8以弹力压在样品架3中且在X压电定位器2的定位方向上是自由的。
其工作原理同实施例1，只是在本实施例中惯性步进需要克服的是XYZ压电定位器架4与样品架3之间的弹夹力产生的摩擦力。使用弹力的目的是为了使本发明可以在任意角度下工作而不受限于重力，也可以使惯性步进需要克服的摩擦力更大，从而使本发明更牢固、抗震能力更强。
实施例5：重力加弹力的粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
在上述实施例4中，X压电定位器2的定位方向设置成与重力方向相同。这时，惯性步进需要克服弹力产生的摩擦力和重力的影响。
实施例6：弹力有导轨和堆栈驱动的粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
在上述实施例4和5中，XYZ压电定位器架4与样品架3之间可设有沿X压电定位器2定位方向的导轨。而X压电定位器2也可以是压电片堆栈（piezo stack）。
实施例7：弹力抵消重力的粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
如图3所示。在上述实施例5中，XYZ压电定位器架4与X压电定位器座1之间增设弹性力抵消XYZ压电定位器5与XYZ压电定位器架4所受总重力的弹簧9，即无论当XYZ压电定位器5与XYZ压电定位器架4所受总重力阻碍或是促进探针6逼近样品7时，该弹簧9施加与总重力方向相反的弹性力。目的是，X压电定位器2产生的惯性步进无论是往上还是往下行走都只需要克服XYZ压电定位器架4与样品架3之间的弹夹力产生的摩擦力即可，不会因往上和往下行走时需要克服不同大小的阻力产生不同的行走速度。
另外，在本实施例中，XYZ压电定位器架4与样品架3之间同样可设置沿X压电定位器2定位方向（竖直方向）的导轨。而X压电定位器2也可以是压电片堆栈（piezo stack）。
实施例8：对称的粗逼近的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体
在上述实施例5和7中，本发明的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体在水平方向是对称的。目的是对称结构有利于减少热漂移。
Claims (9)
1.成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，包括XYZ压电定位器、X压电定位器、XYZ压电定位器架、X压电定位器座、样品架，其特征在于：所述X压电定位器固定于样品架与X压电定位器座之间，X压电定位器的定位方向与重力方向垂直，所述XYZ压电定位器固定于XYZ压电定位器架上，所述XYZ压电定位器架以重力压在所述样品架上且在X压电定位器的定位方向上是自由的。
2.根据权利要求1所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述的X压电定位器是切向压电堆栈。
3.根据权利要求1或2所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述XYZ压电定位器架与所述样品架之间设有沿X压电定位器定位方向的导轨，所述XYZ压电定位器架在导轨上沿X压电定位器定位方向滑移。
4.成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，包括XYZ压电定位器、X压电定位器、XYZ压电定位器架、X压电定位器座、样品架，其特征在于：所述X压电定位器固定于样品架与X压电定位器座之间，所述XYZ压电定位器固定于XYZ压电定位器架上，所述XYZ压电定位器架以弹力压在所述样品架中且在X压电定位器的定位方向上是自由的。
5.根据权利要求4所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述X压电定位器的定位方向与重力方向相同。
6.根据权利要求4或5所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述XYZ压电定位器架与所述样品架之间设有沿X压电定位器定位方向的导轨，所述XYZ压电定位器架在导轨上沿X压电定位器定位方向滑移。
7.根据权利要求4或5所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述X压电定位器是压电片堆栈。
8.根据权利要求5所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述XYZ压电定位器架与所述X压电定位器座之间增设弹簧，所述弹簧的弹性力抵消XYZ压电定位器与XYZ压电定位器架所受总重力。
9.根据权利要求5或8所述的成像扫描与粗逼近隔离的扫描探针显微镜镜体，其特征在于：所述扫描探针显微镜镜体在水平方向是对称的。
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