CN105004886A - 用于呈现微粒立体形貌的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于呈现微粒立体形貌的装置，属于呈像仪器技术领域，主要特点是在底座中部的中间载物工作台两侧的底座上分别固定左边电极工作台、右边电极工作台，本发明利用隧道效应,针对传统式显微镜只能观测探头所正对样品的端面的形貌这一局限，通过中间载物工作台两侧的底座上分别固定的左边电极工作台、右边电极工作台控制左右电极工作台上的左右两个电极之间及中间被测物体的相对位置，突破性对所固定在中间载物台上的原子或近似原子级大小的微粒进行360°全方位立体扫描，扫面样品的各个平面并有利于呈现出来其真正的三维立体的结构形貌，本发明结构相对简单，适用性很强，具有很高的经济效益和社会效益。

Description

用于呈现微粒立体形貌的装置

技术领域

本发明涉及一种用于呈现微粒立体形貌的装置，本发明利用两电极间隧道效应，对中间载物结构上所附着的微粒进行三维立体扫描，有利于得到该微粒的立体表面形貌，属于呈像仪器技术领域。

背景技术

自有人类文明以来,人们就一直为探索微观世界的奥秘而努力不懈。1674年,荷兰人列文虎克发明了世界上第一台光学显微镜,并利用这台显微镜首次观察到了血红细胞,从而开始了人类使用仪器来研究微观世界的新纪元。但是由于受到光波波长的限制,光学显微镜的分辨率只局限在细胞的水平上,即大约1μm至0.1μm的水平上。

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。

二十世纪七十年代初期,美国的Young等人制作“形貌仪”,当时他们所使用的偏压高达数千伏特,针尖—样品距离约100Å，此仪器的垂直分辨率(即:方向)约为30Å，横向分辨率（x，y方向)约为4000Å。

二十世纪七十年代末德裔物理学家GerdBinning和HeinrihcRohrer受到有

关文章的启发,对整个系统做了很大改进:扫描时将探针—样品距离拉至10Å (远低于Young当时所设置的100Å),及使用很低的偏压有效隔离了振动；在超高真空(torr或更低压)中制备出表面干净的样品。在此基础上,他们发明了扫描隧道显微镜并获得了原子图像。STM利用量子力学中的隧道效应,将纳米尺度的二维测量与一维位移测量相结合,首次实现了纳米尺度的三维观测(横向0.1nm,纵向0.01nm)。扫描隧道显微镜被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。STM自被发明以来，先后被用于大气、低温、蒸馏水和电解液环境下研究不同物质的表面结构,成为纳米科学技术的主要工具。

至今，我们所有应用于观测细小微粒的显微镜都是只能将微粒固定正对观测探针头，因此只能观测到正对观测探针头部的局部区域而无法观测到整个微粒或者样品的立体形貌。

有鉴于此，我们利用隧道效应发明一种用于探测微粒立体形貌的显微镜，扫面样品的各个平面并有利于呈现出来其真正的三维立体的结构形貌。

发明内容

本发明针对传统式显微镜只能观测探头所正对样品的端面的形貌这一局限，突破性对所固定在中间载物台上的原子或近似原子级大小的微粒进行360°全方位立体扫描有利于呈现真正的立体形貌。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种用于呈现微粒立体形貌的装置，在装置的底座左右两端及中间部位分别装有电动或者手动的微位移工作台，左右两端的电动或者手动的微位移工作台前端安装有三维压电微位移工作台，保证两端电极尖端能实现接触并远离，测量开始前使左右两电极分开一定距离，以上设计为了充分保证两电极尖端能精确对准；两电极尖端对准之后，在可视的极小范围内，通过三维压电微位移工作台精确缩短两金属电极尖端的距离，距离的控制主要通过给三维压电微位移工作台提供给定电压使其伸长或者缩短微小定距离来实现，控制范围在0.01nm—100nm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，电流束的宽度肯定小于尖端纵向直径的大小，尖端纵向直径越小，那么得到的电流束也越细，电流也就越小从而测得的数据越精确，此时在两电极之间固定放置一微粒，微粒大小等同于原子大小甚至更小，当微粒的某一部分挡住电流束时，电流的大小会受到影响，我们就是要采集隧道电流变化的数据，由于装置比较灵活，可以多角度不同方向测量此微粒，便得到一系列的电流变化数据，通过控制与采集电路把变化的电流数据传输给控制与成像系统，最后呈现微粒的表面形貌。

选择地，所述装置控制左右两个电极之间及中间被测物体相对位置的装置；包括底座、左边电极工作台、中间载物工作台、右边电极工作台。

选择地，所述装置的左边电极工作台、右边电极工作台固定安装在底座上。

选择地，所述装置左边电极工作台和右边电极工作台都是三维位移工作台，电极夹持装置安装在三维位移工作台上；三维压电微位移工作台安装在手动或电动三维微工作台上，三维微型工作台通过支架安装在底座上。

选择地，所述中间载物工作台上的物体夹持装置安装可以旋转的微型工作台上，可以旋转的微型工作台安装在三维微位移工作台上，三维微位移工作台安装在底座上。

选择地，所述的三维微位移工作台是一个三维压电驱动的微位移工作台，安装在一个手动或电动的微位移工作台上。

选择地，所述电极是金属针头或导电的碳纳米管。

选择地，所述金属针头材料为钨、钼、铜、金、银、铱或其混合物。

选择地，所述中间载物工作台的顶端固定细小微米或纳米量级的待测物体。

本发明利用隧道效应,针对传统式显微镜只能观测探头所正对样品的端面的形貌这一局限，通过中间载物工作台两侧的底座上分别固定的左边电极工作台、右边电极工作台；控制左右电极工作台上的左右两个电极之间及中间被测物体的相对位置，突破性对所固定在中间载物台上的原子或近似原子级大小的微粒进行360°全方位立体扫描，扫面样品的各个平面并有利于呈现出来其真正的三维立体的结构形貌，本发明结构相对简单，适用性很强，具有很高的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图中，1是底座；2是X方向电动或手动微位移工作台；3与13是支架；4是YZ方向压电微位移工作台，5与7是夹持金属电极结构，6是两金属电极，8是YZ方向压电微位移工作台，9是YZ方向电动或者手动微位移工作台，10是中间载物工作台，11是XY方向压电微位移工作台，12是可以旋转的微型工作台，14是XYZ方向手动或者电动微位移工作台；

图2是本发明中针尖夹持构件示意图；

图中，5与图1中5标注的是同一部位的金属电极夹持结构；5-1是电极引出导线；5-2是柔性胶，6是与图1中6标注的是同一部位的金属电极。

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本发明，本发明结构如图1所示，包括底座1，底座中部的中间载物工作台8，中间载物工作台8两侧的底座1上分别固定的左边电极工作台、右边电极工作台；两电极工作台分别经其自动进给功能控制相应电极工作台上的电极6之间与中间被测物体的相对位置。所述左边电极工作台、右边电极工作台均为三维位移工作台，各电极夹持器5、7分别安装在相应边的三维压电微位移工作台上；各三维压电微位移工作台分别通过支架安装在相应边的三维位移工作台上，三维位移工作台安装在底座1上。

使用时，先目测来粗略对准5与7，使中间沟槽大致在一条直线上，再在其上分别夹持两个金属电极6针头，并分别引出来导线，通过手动或电动调整2来缩短两金属电极6针尖头部距离，在可视范围内没接触即可，此时若有微偏差使两电极6没有对准则通过调整8来尽量使之对准，但两尖端不接触，同时通过调节14使中间载物工作台10上的微粒大致处于两金属电极6尖端下面一些距离，但俯视看这三者大致在一条直线上，则第一步完成，以上操作流程皆是在可视范围内完成。

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6之间的距离，因为在左右两电极6前端以及中间部位端均装置有夹持金属电极结构5、YZ方向压电微位移工作台8与XY方向压电微位移工作台11三个压电微位移工作台，首先通过给左右两端的夹持金属电极结构5与YZ方向压电微位移工作台8三维压电微位移工作台提供限定直流微小电压来逐步缩短两针尖头部距离，直至使两针尖尖端距离控制在20nm以下方可，此时会有隧道电流产生，断开供给左右两端三维压电微位移工作台的电压，并采集隧道电流数据，同时供给XY方向压电微位移工作台11微小电压，使其在Z方向升高，当微粒进给到在两针尖之间一部分遮住隧道电流时，一部分还有隧道电流时，隧道电流减小，此为我们需要的数据，通过数据处理便可以看到挡住隧道电流的部位，此时控制XY方向压电微位移工作台11微小电压，使其在Z方向降低，当隧道电流完全与初始测量相同时，再通过控制可以旋转的微型工作台12转动一定角度，再次给XY方向压电微位移工作台11提供微电压重复上述过程进行数据采集，通过这样重复性工作直到可以旋转的微型工作台12转过180°，则测量结束采集数据完成，然后对数据进行处理，最后呈现微粒的立体表面形貌。

Claims (7)

1.一种用于呈现微粒立体形貌的装置，其特征是，所述装置包括底座，底座中部的中间载物工作台，中间载物工作台两侧的底座上分别固定的左边电极工作台、右边电极工作台；两电极工作台分别经其自动进给功能控制相应电极工作台上的电极之间与中间被测物体的相对位置。

2.根据权利要求1所述的用于呈现微粒立体形貌的装置，其特征是，所述左边电极工作台、右边电极工作台均为三维位移工作台，各电极夹持器分别安装在相应边的三维压电微位移工作台上；各三维压电微位移工作台分别通过支架安装在相应边的三维位移工作台上，三维位移工作台安装在底座上。

3.根据权利要求1所述的用于呈现微粒立体形貌的装置，其特征是，所述中间载物工作台安装在三维压电微位移工作台上，三维压电微位移工作台安装在旋转的微型工作台上，旋转的微型工作台安装在三维位移工作台上，三维位移工作台安装在底座上。

4.根据权利要求2或3所述的用于呈现微粒立体形貌的装置，其特征是，所述三维位移工作台是三维压电驱动的微位移工作台，安装在一个手动或电动的微位移工作台上。

5.根据权利要求1所述的用于呈现微粒立体形貌的装置，其特征是，所述电极是金属针头或导电的碳纳米管。

6.根据权利要求5所述的用于呈现微粒立体形貌的装置，其特征是，所述金属针头的材料为钨、钼、铜、金、银、铱或其混合物。

7.根据权利要求1或3所述的用于呈现微粒立体形貌的装置，其特征是，中间载物工作台的顶端固定细小微米或纳米量级的待测物体。