CN104880578A - 一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置及其使用方法和该装置中驱动器运动距离的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置及其使用方法和该装置中驱动器运动距离的测量方法，基座通过导轨安装在底座上，支梁置于基座上方；模板安装在基座上，其中部搭在支梁上；横梁置于支梁正上方，侧梁一端与横梁的支撑腿连接，另一端设有驱动器；电极一端安装在侧梁上，另一端置于模板上方，电极指向模板的一端与模板表面的距离为0.01-100nm。本发明通过产生的隧道电流效应来扫描被测物体的表面，通过电流大小的不一样得到被测物体表面的立体形态。

Description

一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置及其使用方法和该装置中驱动器运动距离的测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置及其使用方法和该装置中驱动器运动距离的测量方法.。

背景技术

纳米科学技术(Nano一ST)是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技,它的基本涵义是在纳米尺寸(10-10--10一7m)范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子,创造新物质。纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一,它是高度交叉的综合性学科,涉及到物理、化学、生物学、材料科学和电子学等多个学科的相关知识。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科,同时还有以纳米工程与微机械为主线的技术科学,所以纳米科学与技术也是一个融科学前沿和高技术于一体的完整体系,正在逐渐成为本世纪的主导技术。

1924年,德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的概念,于是,人们在物质领域找到了一种波长更短的媒质—电子(λ=0.001nm)。1931年德国科学家恩斯特·鲁斯卡利用电子透镜可以使电子束聚焦的原理和技术,成功地发明了电子显微镜。电子显微镜的放大倍数提高到上万倍,分辨率达到了0.01μm。其后的几十年里,许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世,如透射电子显微镜、扫描电子显微镜、场电子显微镜、场离子显微镜、低能电子衍射、俄歇谱仪、光电子能谱、电子探针等。这些技术在表面科学各领域的研究中起着重要的作用,但任何一种技术在应用中都存在着这样或那样的局限性,例如低能电子衍射和X射线衍射等衍射方法要求样品具备周期性结构,光学显微镜和扫描电子显微镜的分辨率不足以分辨出表面原子,高分辨透射电子显微镜主要用于薄层样品的体相和界面研究,场电子显微镜和场离子显微镜只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质,且制样技术复杂,可用来作为样品的研究对象十分有限；还有一些表面分析技术,如X射线光电子能谱、紫外光电子能谱和能量损失谱等只能提供空间平均的电子结构信息。此外,上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求,例如真空条件等。

自80年代中期以来,STM作为一种仪器被商品化,不仅扫描范围已可达到100um×100um,还与原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)、场离子显微镜、低能电子衍射等其它表面分析手段联用,大大扩展了仪器的应用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置及其使用方法和该装置中驱动器运动距离的测量方法，通过产生的隧道电流效应来扫描被测物体的表面，通过电流大小的不一样得到被测物体表面的立体形态。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，包括底座、横梁、模板、基座、支梁以及电极；

所述基座通过导轨安装在底座上，所述支梁两端分别通过支架安装在底座上，且支梁置于基座上方；所述模板一端安装在基座一侧，其中部搭在支梁上，另一端通过弹性元件连接在基座另一侧；

所述横梁置于支梁正上方，其一端通过支撑腿与底座连接；所述横梁与支梁之间设有侧梁，侧梁一端与横梁的支撑腿连接，另一端设有两个驱动器，侧梁另一端搭在其中一个驱动器顶部，另一个驱动器的一端与横梁连接，另一端顶住侧梁端部；所述侧梁与横梁之间设有弹性元件，该弹性元件一端与横梁连接，另一端拉紧侧梁；

所述电极一端安装在侧梁上，另一端置于模板上方，并指向模板表面，电极指向模板的一端与模板表面的距离为0.01-100nm。

所述电极为导体，指向模板表面的一端为针尖状，针尖顶端直径为0.01nm-100nm。

所述电极指向模板表面的一端，其针尖用导电的单程碳纳米管制成。

所述侧梁为柔性的铜片材料制成。

所述驱动器材料为压电陶瓷、压电单晶或者压电复合材料。

还设有用于拉紧电极的弹性元件，该弹性元件一端固定在横梁的支撑腿上，另一端拉紧电极。

所述模板为导电柔性体或半导体，形状为纤维状或带状，其朝向电极的两端设有凹槽或凸起。

测量微纳金属纤维表面形貌的装置的使用方法，其特征是，首先利用导轨实现基座在X、Y两个方向的位置调节，使模板表面能与电极的尖端做到完全对准；

对准完后，通过对驱动器提供限定直流电压来逐步缩短电极尖端和模板表面之间的距离，对驱动器供电，驱动器会产生形变，通过这个变化来驱动电极尖端的高度，电压由小到大逐步递增，直至电极尖端到模板表面的距离为0.01-20nm，此时才会产生隧道效应，电极与模板表面之间才会有隧道电流的产生；

隧道电流产生后，断开供给驱动器的直流电压，进行电流数据采集；然后调节基座在X方向的位置，让电极尖端对模板表面进行扫描；

由于电极尖端与模板表面相对高度的不同，产生的隧道电流值也不一样，此时便得到一系列的电流变化数据，再将这些电流数据处理转换为利于采集的电压数据，将电压数据转换为图像的形式来呈现微纳金属纤维的表面形貌。

测量微纳金属纤维表面形貌的装置中驱动器运动距离的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：在测量样品上标注测量开始和测量结束的标志，测量样品由宽度为0.01nm-10nm的直线段或曲线段组成，标定测量样品上每个测量点到测量开始标志的长度值；

步骤二：以标定的测量点的长度值为一个坐标，以测量到的测量点的表面高度值作为另一个坐标，画出测量点的表面高度曲线，形成测量样品表面直线段或曲线段已标定的高度曲线；

步骤三：将测量微纳金属纤维表面形貌的装置中的驱动器连接上，该装置可以测量已标定高度曲线的测量样品的表面高度；

步骤四：驱动器移动时，带动该装置同步移动；

步骤五：利用该装置测量已标定高度曲线的测量样品的表面高度值，把连续测量到的表面高度值连成曲线，和测量样品已标定的高度曲线比较，判定该装置所测量部分在测量样品已标定高度曲线中的位置，并据此定位该装置所测量部分在测量样品直线段或曲线段中的位置；

步骤六：根据驱动器和该装置的位置和运动关系，定位驱动器在测量样品直线段或曲线段中的位置，或直接计算驱动器的运动距离。

本发明中，在装置的底座上安装一个悬臂梁（横梁）和一个双自由度的微工作台（由导轨和基座构成，基座可以沿导轨作X、Y两个方向移动），工作台在规定的方向上能实现自动或手动微进给的功能。该装置分别夹持两个金属电极，可单独具有规定的自由度操作性，两电极之间留有距离。在悬臂梁上固定一个柔性的铜片材料（侧梁），将金属探针（电极）固定在此柔性铜片上作为一个电极，另一端电极就是所要测试的物体（模板）。被测物体表面与探针尖端之间的高度是通过压电叠堆（驱动器）实现，将压电叠堆放置在铜片与悬臂梁之间，通过对压电叠堆材料进行供电，它会产生形变，通过这个变化来驱动探针的高度，一般控制两电极之间的高度为0.01-20nm之间，此时才有所谓的隧道效应，两金属电极之间才有隧道电流的产生。

当两电极距离在10nm左右及其以下但不接触时（0.01-20nm之间），两金属电极便会有隧道电流的产生，再通过控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动从而得出被测物体表面的形貌（驱动器22可控制探针的上下高度，控制探针与被测物体表面的距离；还设有一伸缩装置12，即驱动器25，作用是调节探针左右位置，对被测物体表面进行横向扫描。）。利用这种电流对被测物体表面进行扫描得到电流数据，再将电流数据转换为电压数据，并对数据进行分析处理便可得到被测物体的表面形貌。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果和特点：

第一，操作更为简单方便。本发明装置设计较新颖，此装置采用的是恒高模式，保证探针与被测物体表面高度在产生隧道电流的高度范围内，并且保持探针的高度不变，只要移动被测物体的位置就可以了。

第二，呈像更清晰明了。STM的另一个缺陷是其针尖的选择问题，普通STM装置所选择的电极针尖的制取方式无非两种：一种是用剪刀剪切，另一种是通过电化学腐蚀的方式制取。这两种方式皆存在弊端，剪刀剪切的方式制取的针尖截面断层不规整，是否有尖端完全是一种概率问题，而且我们前期实验也做过相关的工作，截面类似于抛物线形状，尖端也不是足够的尖，从而扫描之后呈像比较模糊不清；较之第二种方式电化学腐蚀的方法获得的针尖效果要好的多，但传统的腐蚀思路一直一承不变，最细的针尖尖端大约在10nm左右，要想得到更细的针尖很难做到，我们对电化学腐蚀的方法也做了进一步改进，可以得到更细的针尖，比以往的针尖更细，但还是远远不够，因此我们开创性的引用导电的单程碳纳米管作为针尖使用，单层碳纳米管外径为2nm左右，经过我们处理之后，尖端肯定小于1nm，尖端更细，则扫描所呈像肯定更清晰更准确。

第三，稳定性更好。在距离控制上，只需要采用手动调节一个模板的X、Y方向的位置来保证他们的对准就可以了，而垂直放的的距离是通过压电叠堆（驱动器）来控制的，并且距离固定不变。所以相对STM而言，这个装置的稳定性高更好。

第四，测量范围广。STM只能扫描100um*100um范围内的微金属纤维的表面形态，而此装置它能够在STM装置的基础上扫描更长更宽纤维的表面形态。

全球扫描隧道显微镜相关的市场每年为1000亿美元，本发明将拓宽扫描隧道显微镜的使用场合，带来较大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明测量微纳金属纤维表面形貌的装置的结构示意图；

图中：1底座、2横梁、3导轨、4横梁、5基座、6支撑腿、7支架、11支梁、21侧梁、22驱动器、23弹性元件、24弹性元件、25驱动器、211电极。

具体实施方式

1. 一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，包括底座1、横梁2、模板4、基座5、支梁11以及电极211。

基座通过导轨3安装在底座上，底座上还设有伸缩装置12，即驱动器25，导轨可实现基座沿X或Y方向移动。

支梁两端分别通过支架7安装在底座上，且支梁置于基座上方。模板（待测物体）一端安装在基座一侧，其中部搭在支梁上，另一端通过弹性元件连接在基座另一侧，模板通过导轨3调节它X与Y方向的位置。

横梁置于支梁正上方，其一端通过支撑腿6与底座连接。横梁与支梁之间设有侧梁21，侧梁为柔性的铜片材料制成。侧梁一端与横梁的支撑腿连接，另一端搭在驱动器25顶部，还设有驱动器22，驱动器22一端与横梁连接，另一端顶住侧梁端部。侧梁与横梁之间设有弹性元件23，该弹性元件一端与横梁连接，另一端拉紧侧梁，用弹性元件23可保持一定的高度。

横梁2与侧梁21是固定金属电极211的结构，电极211一端安装在侧梁上，另一端置于模板上方，并指向模板表面，电极指向模板的一端与模板表面的距离为0.01-100nm。

电极211为导体，指向模板表面的一端为针尖状，针尖顶端直径为0.01nm-100nm。电极指向模板表面的一端，其针尖用导电的单程碳纳米管制成。还设有用于拉紧电极的弹性元件24，该弹性元件一端固定在横梁的支撑腿上，另一端拉紧电极。

驱动器材料为压电陶瓷、压电单晶或者压电复合材料（或为压电叠堆装置或压电双晶片装置）。

模板即是待测物体，为导电柔性体或半导体，形状为纤维状或带状，其朝向电极的两端设有凹槽或凸起，中间部分为不规则形状表面或规则形状表面，规则形状表面为有规律的沟、槽、坑或凸起。

2. 测量微纳金属纤维表面形貌的装置的使用方法

首先利用导轨实现基座在X、Y两个方向的位置调节，尽量使模板表面能与电极的尖端对准，使它们最大可能的在一条直线上，在可视范围内没接触即可，此时若有偏差，两电极没有对准则可通过调节导轨3的X方向来尽量使它们对准，但不接触，则第一步完成。

对准完后，由于可视范围内的距离太大，不足以产生隧道效应，因此不会有隧道电流的产生，那么接下来的工作则是要进一步缩短两电极之间的距离。通过对驱动器提供限定直流电压来逐步缩短电极尖端和模板表面之间的距离，对驱动器供电，驱动器会产生形变，通过这个变化来驱动电极尖端的高度，电压由小到大逐步递增，直至电极尖端到模板表面的距离为0.01-20nm，此时才会产生隧道效应，电极与模板表面之间才会有隧道电流的产生；

隧道电流产生后，断开供给驱动器的直流电压，进行电流数据采集；然后调节基座在X方向的位置，让电极尖端对模板表面进行扫描；

由于电极尖端与模板表面相对高度的不同，产生的隧道电流值也不一样，此时便得到一系列的电流变化数据，再将这些电流数据处理转换为利于采集的电压数据，将电压数据转换为图像的形式来呈现微纳金属纤维的表面形貌。

驱动器22是控制探针上下高度的，控制探针与被测物体表面的距离；另一个驱动器25是调节探针左右位置的，来对被测物体表面进行横向扫描的。

3. 测量微纳金属纤维表面形貌的装置中驱动器运动距离的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：在测量样品上标注测量开始和测量结束的标志，测量样品由宽度为0.01nm-10nm的直线段或曲线段组成，标定测量样品上每个测量点到测量开始标志的长度值；

步骤二：以标定的测量点的长度值为一个坐标，以测量到的测量点的表面高度值作为另一个坐标，画出测量点的表面高度曲线，形成测量样品表面直线段或曲线段已标定的高度曲线；

步骤三：将测量微纳金属纤维表面形貌的装置中的驱动器连接上，该装置可以测量已标定高度曲线的测量样品的表面高度；

步骤四：驱动器移动时，带动该装置同步移动；

步骤五：利用该装置测量已标定高度曲线的测量样品的表面高度值，把连续测量到的表面高度值连成曲线，和测量样品已标定的高度曲线比较，判定该装置所测量部分在测量样品已标定高度曲线中的位置，并据此定位该装置所测量部分在测量样品直线段或曲线段中的位置；

步骤六：根据驱动器和该装置的位置和运动关系，定位驱动器在测量样品直线段或曲线段中的位置，或直接计算驱动器的运动距离。

该测量方法中，利用压电叠堆作为驱动器；将被测物体放在底板上，将探针通过压电叠堆驱动器初步调整为正确位置；通过计算机得到相应的高度为设定的标定值；用测量装置测量已标定高度曲线的测量样品的表面高度值时，测量样品放在模板的位置。

Claims (9)

1. 一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，包括底座（1）、横梁（2）、模板（4）、基座（5）、支梁（11）以及电极（211）；

所述基座通过导轨（3）安装在底座上，所述支梁两端分别通过支架（7）安装在底座上，且支梁置于基座上方；所述模板一端安装在基座一侧，其中部搭在支梁上，另一端通过弹性元件连接在基座另一侧；

所述横梁置于支梁正上方，其一端通过支撑腿（6）与底座连接；所述横梁与支梁之间设有侧梁（21），侧梁一端与横梁的支撑腿连接，另一端设有两个驱动器，侧梁另一端搭在其中一个驱动器（25）顶部，另一个驱动器（22）的一端与横梁连接，另一端顶住侧梁端部；所述侧梁与横梁之间设有弹性元件（23），该弹性元件一端与横梁连接，另一端拉紧侧梁；

所述电极（211）一端安装在侧梁上，另一端置于模板上方，并指向模板表面，电极指向模板的一端与模板表面的距离为0.01-100nm。

2. 根据权利要求1所述的一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，所述电极（211）为导体，指向模板表面的一端为针尖状，针尖顶端直径为0.01nm-100nm。

3. 根据权利要求2所述的一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，所述电极指向模板表面的一端，其针尖用导电的单程碳纳米管制成。

4. 根据权利要求1所述的一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，所述侧梁为柔性的铜片材料制成。

5. 根据权利要求1所述的一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，所述驱动器材料为压电陶瓷、压电单晶或者压电复合材料。

6. 根据权利要求1所述的一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，还设有用于拉紧电极的弹性元件（24），该弹性元件一端固定在横梁的支撑腿上，另一端拉紧电极。

7. 根据权利要求1所述的一种测量微纳金属纤维表面形貌的装置，其特征是，所述模板为导电柔性体或半导体，形状为纤维状或带状，其朝向电极的两端设有凹槽或凸起。

8. 权利要求1-7中任一项所述的测量微纳金属纤维表面形貌的装置的使用方法，其特征是，首先利用导轨实现基座在X、Y两个方向的位置调节，使模板表面能与电极的尖端做到完全对准；

对准完后，通过对驱动器提供限定直流电压来逐步缩短电极尖端和模板表面之间的距离，对驱动器供电，驱动器会产生形变，通过这个变化来驱动电极尖端的高度，电压由小到大逐步递增，直至电极尖端到模板表面的距离为0.01-20nm，此时才会产生隧道效应，电极与模板表面之间才会有隧道电流的产生；

隧道电流产生后，断开供给驱动器的直流电压，进行电流数据采集；然后调节基座在X方向的位置，让电极尖端对模板表面进行扫描；

由于电极尖端与模板表面相对高度的不同，产生的隧道电流值也不一样，此时便得到一系列的电流变化数据，再将这些电流数据处理转换为利于采集的电压数据，将电压数据转换为图像的形式来呈现微纳金属纤维的表面形貌。

9. 权利要求1-7中任一项所述的测量微纳金属纤维表面形貌的装置中驱动器运动距离的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：在测量样品上标注测量开始和测量结束的标志，测量样品由宽度为0.01nm-10nm的直线段或曲线段组成，标定测量样品上每个测量点到测量开始标志的长度值；

步骤二：以标定的测量点的长度值为一个坐标，以测量到的测量点的表面高度值作为另一个坐标，画出测量点的表面高度曲线，形成测量样品表面直线段或曲线段已标定的高度曲线；

步骤三：将测量微纳金属纤维表面形貌的装置中的驱动器连接上，该装置可以测量已标定高度曲线的测量样品的表面高度；

步骤四：驱动器移动时，带动该装置同步移动；

步骤五：利用该装置测量已标定高度曲线的测量样品的表面高度值，把连续测量到的表面高度值连成曲线，和测量样品已标定的高度曲线比较，判定该装置所测量部分在测量样品已标定高度曲线中的位置，并据此定位该装置所测量部分在测量样品直线段或曲线段中的位置；

步骤六：根据驱动器和该装置的位置和运动关系，定位驱动器在测量样品直线段或曲线段中的位置，或直接计算驱动器的运动距离。