CN104142410A - 一种扫描隧道显微镜扫描头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扫描隧道显微镜扫描头，包括：用于固定针尖的针尖托、包括支撑结构的针尖托底座，其中针尖托与针尖托底座通过可分离的结合力结合。根据本发明的扫描隧道显微镜扫描头可以实现真空环境下扫描头针尖的安全快速更换，并且不会破坏现有获得的真空环境。

Description

一种扫描隧道显微镜扫描头

技术领域

本发明涉及扫描隧道显微镜领域，特别涉及一种扫描隧道显微镜扫描头。

背景技术

扫描隧道显微镜（STM）是一种能利用隧穿电流测量表面形貌的重要仪器，其中的扫描头是扫描隧道显微镜能够采集数据、操纵原子的核心部分。其中扫描头的针尖在实验中经常会损坏，因此更换针尖是STM实验中经常需要面对的问题。在大气环境中更换针尖可以通过镊子简单实现，然而在超真空实验中，取出针尖更换会破环好不容易获得的真空环境。因此在超高真空环境中一般利用机械手实现扫描头针尖的更换。然而现在广泛使用的Besocke Type的STM扫描头的设计使得其在真空环境下利用机械手臂更换不方便、而且经常损坏扫描头的压电陶瓷管。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的扫描头。根据本发明的扫描隧道显微镜扫描头，其特征在于包括：用于固定针尖的针尖托、包括支撑结构的针尖托底座，其中针尖托与针尖托底座通过可分离的结合力结合。

其中，所述针尖托是工字型。

其中，所述针尖托底座的支撑结构具有用于安放针尖托的向上的开口。

其中，所述针尖托下部采用锥形圆台结构。

其中，所述针尖托的工字型下部的半径至少大于针尖托底座的向上的开口的半径。

其中，针尖托与针尖托底座通过磁力结合。

其中，针尖托的构成材料为铁，以及所述针尖托底座包括磁铁。

其中，针尖托使用的针尖托叉进行操作，所述针尖托叉特征在于包括：适于针尖托的脖颈部分滑入其中的滑槽、固定所述针尖托的固定元件、把手。

其中，针尖托叉的固定元件为磁铁。

其中，针尖托的工字型的上部至少大于所述滑槽的宽度。

与现有技术相比，根据本发明的扫描头在真空条件下更换探针时可以更加方便、快捷，而且不会破坏真空环境。

附图说明

以下结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明一个实施例的扫描隧道显微镜扫描头的立体图。

图2是根据图1实施例的放大的针尖托和针尖托底座拆分的示意图。

图3是针尖托叉的立体图。

具体实施方式

如图1所示的实施例示出了根据本发明的Besocke Type扫描隧道显微镜扫描头。扫描头包括：针尖1、针尖托2、针尖托底座3、Z压电陶瓷管4、X-Y压电陶瓷管5（图中只对三根中的一根进行了标号）、钨球6（图中只对三个中的一个进行了标号）、厚蓝宝石7（图中只对三个中的一个进行了标号），扫描头底座8，减震装置9。

针尖1是电化学刻蚀的钨针尖或银针尖。

针尖托2用于固定针尖1。在本实施例中通过导电胶或焊锡将针尖1固定于针尖托2的中间的圆柱形通孔2a（参考图2）中。针尖托2与针尖托底座3是可分离的。针尖托底座3用绝缘胶粘在Z压电陶瓷管4之上。

Z压电陶瓷管4控制竖直方向移动，其两端通过绝缘胶和两片薄的蓝宝石（未示出）相接，从而使Z压电陶瓷管4的电极和采集数据的针尖1以及扫描头底座8隔离开来。三根XY压电陶瓷管5用于控制水平方向移动和进针，其上端用绝缘胶粘有厚蓝宝石7，下端粘有薄的蓝宝石（粘在扫描头底座里，未被示出）。Z压电陶瓷管4、三根XY压电陶瓷管5具有相同尺寸。厚蓝宝石7上通过绝缘胶与钨球6相接。三个厚蓝宝石7用铝帽包裹（未被示出），避免了光谱实验中蓝宝石荧光产生的信号干扰。

Z压电陶瓷管4、三根XY压电陶瓷管5下部的薄蓝宝石（未示出）通过绝缘胶和扫描头底座8相接。三根XY压电陶瓷管5粘在扫描头底座8上呈正三角形对称排列，正三角形的尺寸需与样品托（未示出）匹配从而使三个钨球6正好能够支撑样品托。Z压电陶瓷管4位于扫描头底座8的中心，扫描头底座8的中心略微下沉。

减震装置9包括三个无氧铜圆柱形凹槽，其内部固定有钐钴磁铁（未被示出）。三个凹槽分别固定在十字支架的两端和底部。这样当系统振动时，悬挂扫描头的弹簧就会遵循楞次定律振动减小，从而起到减震效果。

图2示出了根据本发明图1实施例中针尖托2和针尖托底座3的放大拆解图。针尖托2使用高纯铁材料制作且大体为工字型结构，其中央具有固定针尖1于其中的圆柱形通孔2a，且针尖托用高纯铁制造。工字型结构的下部的半径至少需大于针尖托底座3通孔3c的半径，而工字型结构的上部的直径至少需大于针尖托叉滑槽10a（参见图10）的宽度。针尖托2下部采用锥形圆台结构2b，从而方便其通过针尖托底座3的向上的开口与针尖托底座3的定位。出于光学兼容性的考虑，针尖托的工字型外侧被削成45度斜面2c。

针尖托底座3包括大体呈圆柱形且中间具有通孔3c的用钛制作的支撑结构3a。支撑结构3a用于支撑针尖托2。支撑结构3a上端具有三个凸起的互相间隔120度分布的支撑点。针尖托底座3还包括圆盘形状钐钴磁铁3b，圆盘形状钐钴磁铁3b通过导电胶固定于针尖托底座3的下部，从而使得结合后的针尖托底座的孔只有向上的开口,从而方便圆盘形状钐钴磁铁3b与针尖托2之间的磁力接合。

根据本发明的扫描头，还提供了针尖托叉10（见图3）。针尖托叉10用于传输本发明的扫描头的针尖托2。针尖托叉10具有使针尖托的工字型脖颈部分滑入其中的滑槽10a。滑槽的宽度与针尖托2的工字型脖颈部分匹配。针尖托叉10前端为两个圆弧形10d，便于针尖托滑入滑槽10a。针尖托叉10在其滑槽10a后方用绝缘胶固定有用于固定针尖托2的固定元件10b。在本实施例中，固定元件10b是一小块立方钐钴磁铁,用于磁力吸附针尖托2从而方便在针尖托叉中固定针尖托2。针尖托叉10的最后端具有把手10c。

可替代地，上述所有部件，即针尖1、Z压电陶瓷管4、三根X-Y压电陶瓷管5、三个钨球6、三个厚蓝宝石7、扫描头底座8、减震装置9，可以是任何现有STM扫描头的其他结构、或结合方式、或数量、或材料，甚至其中的一些可以并不包含在扫描头中、或在扫描头中缺失、或在扫描头中还有上述部件之外的部件。事实上，任何可以想到能应用如本发明所述的针尖托与针尖托底座的STM扫描头或其部件都应该包含在本发明的精神与范围之内。

可替代地，上述限定了材料的部件可以采用其他合适材料，例如支撑结构3a可以使用铁制作。

可替代地，上述限定了连接关系的部件可以替代地使用其他本领域技术人员想到的其他合适方式结合，例如上述的粘胶固定也可以用焊接等方式。

可替代地，上述针尖托2不是一种材料制成，而是由不同材料结合而成，例如像针尖托底座3那样分为主体结构与铁磁部分。例如针尖托2由钛制成，而下部的锥形圆台结构2b为铁。

可替代地，上述的圆盘形状钐钴磁铁3b可以以其他方式，从而与支撑结构3a结合。例如缩小其圆盘形状的半径从而可以将圆盘形状钐钴磁铁3b通过合适的方式结合在支撑结构的内部，例如通过导电胶或焊接。

可替代地，上述的圆盘形状钐钴磁铁3b可以是其他形状和/或其他磁铁。

可替代地，上述的圆盘形状钐钴磁铁3b可以就是支撑结构3a本身。

可替代地，在本发明的精神内显而易见，针尖托2的材料是磁铁而圆盘形状钐钴磁铁3b用铁替代制作也是可以的。

更进一步地，替换用其他材料、位置与结构的上述的圆盘形状钐钴磁铁3b可以为无需限定针尖托2的材料，其本身就具有结合力。如果这样实施，那么针尖托2与针尖托底座3就可以使用铁磁材料或非铁磁材料，例如钛。例如上述的圆盘形状钐钴磁铁3b可以为在支撑结构3a端部或内部用于固定针尖托2的夹子，并且在施加某种影响后夹子会打开从而能使针尖托2与针尖托底座3分离。这样的夹子实施时需要、或者不需要配合针尖托2的结构。本领域技术人员可以容易地想到的实施例包括卡扣等等。

可替代地，针尖托2下部的锥形圆台结构2b为其他结构，例如锥形、四面体、凸起面、凹面或甚至平面。

可替代地，支撑结构3a上端的三个凸起可以是其他数量的，例如四个、五个甚至没有。支撑结构3a上端也可以是阻尼的面、粗糙的面、锯齿的面或没有任何结构。

可替代地，支撑结构3a上端的三个凸起可以是其他形状的，例如圆盘、球形。

可替代地，圆柱形通孔2a可以设计成非通孔的。

可替代地，针尖托2的工字型结构并不限定上部比下部小。所谓的工字型结构指其任一个截面为工字型。

可替代地，针尖托叉10的固定元件10b可以是卡扣或别的结构。

尽管以上对本发明的具体实施例的结构、特征和位置作出了详细描述，但是这些描述仅能够起解释说明本发明的作用，不得被解释为限制本发明。本领域普通技术人员在本发明的精神下对本发明做出的任何显而易见的改进和变化都是可能的，并且这些改进和变化都没有超出本发明的保护范围。本发明的保护范围仅由所附权利要求书确定。

Claims (10)

1.一种扫描隧道显微镜扫描头，其特征在于，包括：

用于固定针尖的针尖托；

包括支撑结构的针尖托底座；其中

针尖托与针尖托底座通过可分离的结合力结合。

2.根据权利要求1所述的扫描头，其中所述针尖托下部采用锥形圆台结构。

3.根据权利要求1所述的扫描头，其中所述针尖托是工字型。

4.根据权利要求3所述的扫描头，其中所述针尖托底座的支撑结构具有用于安放针尖托的向上的开口。

5.根据权利要求4所述的扫描头，其中所述针尖托的工字型下部的半径至少大于针尖托底座的向上的开口的半径。

6.根据权利要求1所述的扫描头，所述针尖托与针尖托底座通过磁力结合。

7.根据权利要求6所述的扫描头，所述针尖托的构成材料为铁，以及所述针尖托底座包括磁铁。

8.一种用于权利要求1－6之一所述的扫描头的针尖托叉，其特征在于包括：

适于针尖托的脖颈部分滑入其中的滑槽；

固定所述针尖托的固定元件；以及

把手。

9.根据权利要求8所述的针尖托叉，其中固定元件为磁铁。

10.根据权利要求8所述的针尖托叉，其中所述针尖托的工字型的上部至少大于所述滑槽的宽度。