CN106932611A - 一种采用马达‑扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用马达‑扫描头分离技术的新型扫描隧道显微镜设计结构，将马达与扫描头分离开来，扫描头独立的被弹簧片夹持于导轨上，马达则负责将扫描头推到隧道电流区，然后自行撤回。该扫描头由探针、针架、扫描管、刚玉底座、刚玉管等构成，能有效防止马达产生的热漂移、电涨落等干扰因素影响扫描头成像，使成像更加清晰。
Description
技术领域
本发明涉及扫描隧道显微镜技术领域，特别是涉及一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构。
背景技术
扫描隧道显微镜（STM）是一种利用量子隧穿效应对样品的表面形态进行观测的重要仪器，因其超高的实空间分辨能力被广泛的应用在材料物性表征、电化学测量、生物成像等科学领域。由于STM在工作时需要采集极其微弱的电流信号，任何微小的声音或震动的穿入都会对隧道结的稳定性产生严重的影响。现在广泛使用的STM的扫描头和步进马达是直接相连的，马达上的干扰（如热漂移、电涨落等）会传递到隧道电流里，从而影响最终的成像质量，为此需要设计一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，本发明对现有扫描隧道显微镜进行改进解决现有扫描隧道显微镜中步进马达对扫描头的影响导致成像质量下降的技术问题，从而能有效防止马达产生的热漂移、电涨落等干扰因素影响扫描头成像，使成像更加清晰，为达此目的，本发明提供一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，包括探针、扫描头，钛顶座、压电堆栈马达、扫描管保持架、支撑杆和压电堆栈马达支撑座，所述压电堆栈马达安装在压电堆栈马达支撑座上，所述压电堆栈马达两侧各有一个支撑杆，所述压电堆栈马达上端套有扫描管保持架，所述支撑杆两端分别与扫描管保持架和压电堆栈马达支撑座相连，所述钛顶座在扫描管保持架上方，所述钛顶座内拆装有扫描头，所述钛顶座内有安装样品座的卡槽，所述样品座的卡槽与扫描头相对应，所述扫描头的黄铜管内插入有探针，所述扫描头包括针架、扫描管、刚玉基座、钨片、刚玉管、弹簧片、钨盖、刚玉珠和黄铜管，所述扫描管一端与刚玉基座相连，所述扫描管另一端与针架相连，所述针架上面固定安装有黄铜管，所述刚玉管套装在刚玉基座外，所述钨片和钨盖包住刚玉管，所述钨片和钨盖构成钨导轨，所述弹簧片在刚玉管外壁与钨盖之间，所述弹簧片固定于钨盖内的槽内，所述刚玉珠在刚玉基座底部。
本发明的进一步改进，所述探针为电化学刻蚀的铂铱针，本发明探针主要采用电化学刻蚀的铂铱针。
本发明的进一步改进，所述扫描管的外径3.2mm、长度6.5mm， 所述刚玉管的外径为5mm、壁厚为0.75mm、长度为15mm，所述黄铜管的外径2mm，内径0.2mm，长度5mm，本发明已经得到实际生产，实际运用中本发明采用以上参数的扫描管、刚玉管和黄铜管。
本发明的进一步改进， 所述刚玉基座外壁有4个条形槽，所述条形槽与刚玉基座的中心线平行， 扫描管内部引线可以从刚玉基底引到外部的，通过刚玉基座外壁设置条形槽用来走扫描管的四个外电极。
本发明的进一步改进，所述钨导轨中钨盖占整个钨导轨的2/3，所述钨盖内部中间有一个宽1.6mm、深0.1mm的槽，所述钨导轨中钨片的两端有90度的棱，实际设计中钨盖占整个钨导轨的2/3，钨片的两端有90度的棱，用来在刚玉套管滑行，钨盖内部槽。
本发明的进一步改进，所述压电堆栈马达的压电陶瓷采用EBL#3材料，所述压电堆栈马达包括中间堆栈、侧堆栈、磷铜垫片和磷铜弹簧片，所述中间堆栈两侧各有一对侧堆栈，所述中间堆栈由6片压电陶瓷片组成，采用EBL#3，尺寸为32mm×9mm×0.5mm，所述侧堆栈由3片压电陶瓷片组成，采用EBL#3，尺寸为15.5mm×9mm×0.5mm，在压电陶瓷片拐角内开1mm×0.2mm×0.2mm的坑，坑内埋Pt引线，所述磷铜垫片尺寸为9mm×1.5mm×0.3mm，中间开2×0.15mm的方槽，所述磷铜垫片卡在中间堆栈和两边4个侧堆栈之间，所述磷铜弹簧片尺寸为9mm×1.5mm×0.2mm，每个侧堆栈外侧有一对磷铜弹簧片，所述磷铜弹簧片卡在支撑杆与侧堆栈之间，本发明可以采用以上结构压电堆栈马达用于本设计显微镜。
本发明的进一步改进，所述显微镜结构还包括样品座，所述样品座用金属钽制造，采用凸字形结构，样品固定在样品座的上表面并通过边角的四个孔进行定位，所述样品座的上表面中间有定位孔，所述样品座安装在钛顶座的安装样品座的卡槽内，所述样品座的肩部与安装样品座的卡槽过盈配合，所述样品座两侧与安装样品座的卡槽成间隙配合，本发明可以采用以上结构样品座用于本设计显微镜，该样品座通过调节后探针能够对准样品。
本发明一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，包括探针，固定探针的支架针架，扫描管和用于固定的刚玉基座，扫描管与由钨片和钨盖组成的钨导轨被弹簧片固定于刚玉管中，扫描头x、y、z方向可控，扫描管两端分别固定在刚玉座上，扫描管底部的刚玉基座是为了固定扫描管并从中引出电极线；扫描管顶部的基座起到探针架的作用，在它上面将固定一根黄铜管，用来插入扫描探针，该扫描隧道显微镜结构采用马达-扫描头分离技术设计，能有效防止马达产生的热漂移、电涨落等干扰因素影响扫描头成像，使成像更加清晰。
附图说明
图1为本发明显微镜结构整体一种示意图；
图2为本发明显微镜结构整体另一种示意图；
图3为本发明扫描隧道显微镜扫描头爆炸图；
图4为本发明刚玉基座的立体图。
图5为本发明压电堆栈马达的立体图。
图6为本发明样品座的立体图。
附图说明：
1、探针，2、针架，3、扫描管，4、刚玉基座，4-1、条形槽，5、钨片，6、刚玉管，7、弹簧片，8、钨盖，9、刚玉珠；10、黄铜管；11、钛顶座；12、压电堆栈马达；12-1、中间堆栈；12-2、侧堆栈；12-3、磷铜垫片；12-4、磷铜弹簧片；13、扫描管保持架；14、支撑杆；15、压电堆栈马达支撑座；16、样品座。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，本发明对现有扫描隧道显微镜进行改进解决现有扫描隧道显微镜中步进马达对扫描头的影响导致成像质量下降的技术问题，从而能有效防止马达产生的热漂移、电涨落等干扰因素影响扫描头成像，使成像更加清晰。
作为本发明一种实施例，本发明提供一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，包括探针1、扫描头，钛顶座11、压电堆栈马达12、扫描管保持架13、支撑杆14和压电堆栈马达支撑座15，所述压电堆栈马达12安装在压电堆栈马达支撑座15上，所述压电堆栈马达12两侧各有一个支撑杆14，所述压电堆栈马达12上端套有扫描管保持架13，所述支撑杆14两端分别与扫描管保持架13和压电堆栈马达支撑座15相连，所述钛顶座11在扫描管保持架13上方，所述钛顶座11内拆装有扫描头，所述钛顶座11内有安装样品座16的卡槽，所述样品座16的卡槽与扫描头相对应，所述扫描头的黄铜管10内插入有探针1，所述扫描头如图3所示包括针架2、扫描管3、刚玉基座4、钨片5、刚玉管6、弹簧片7、钨盖8、刚玉珠9和黄铜管10，所述扫描管3一端与刚玉基座4相连，所述扫描管3另一端与针架2相连，所述针架2上面固定安装有黄铜管10，所述刚玉管6套装在刚玉基座4外，所述钨片5和钨盖8包住刚玉管6，所述钨片5和钨盖8构成钨导轨，所述弹簧片7在刚玉管6外壁与钨盖8之间，所述弹簧片7固定于钨盖8内的槽内，所述刚玉珠9在刚玉基座4底部。
作为本发明一种具体实施例，本发明提供如图1-2所示的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，包括探针1、扫描头，钛顶座11、压电堆栈马达12、扫描管保持架13、支撑杆14和压电堆栈马达支撑座15，所述压电堆栈马达12安装在压电堆栈马达支撑座15上，所述压电堆栈马达12两侧各有一个支撑杆14，所述压电堆栈马达12如图5所示的压电陶瓷采用EBL#3材料，所述压电堆栈马达12包括中间堆栈12-1、侧堆栈12-2、磷铜垫片12-3和磷铜弹簧片12-4，所述中间堆栈12-1两侧各有一对侧堆栈12-2，所述中间堆栈12-1由6片压电陶瓷片组成，采用EBL#3，尺寸为32mm×9mm×0.5mm，所述侧堆栈12-2由3片压电陶瓷片组成，采用EBL#3，尺寸为15.5mm×9mm×0.5mm，在压电陶瓷片拐角内开1mm×0.2mm×0.2mm的坑，坑内埋Pt引线，所述磷铜垫片12-3尺寸为9mm×1.5mm×0.3mm，中间开2×0.15mm的方槽，所述磷铜垫片12-3卡在中间堆栈12-1和两边4个侧堆栈12-2之间，所述磷铜弹簧片12-4尺寸为9mm×1.5mm×0.2mm，每个侧堆栈12-2外侧有一对磷铜弹簧片12-4，所述磷铜弹簧片12-4卡在支撑杆14与侧堆栈12-2之间，本发明可以采用以上结构压电堆栈马达用于本设计显微镜，所述压电堆栈马达12上端套有扫描管保持架13，所述支撑杆14两端分别与扫描管保持架13和压电堆栈马达支撑座15相连，所述钛顶座11在扫描管保持架13上方，所述钛顶座11内拆装有扫描头，所述钛顶座11内有安装样品座16的卡槽，所述样品座16的卡槽与扫描头相对应，所述显微镜结构还包括如图6所示样品座16，所述样品座16用金属钽制造，采用凸字形结构，样品固定在样品座16的上表面并通过边角的四个孔进行定位，所述样品座16的上表面中间有定位孔，所述样品座16安装在钛顶座11的安装样品座16的卡槽内，所述样品座16的肩部与安装样品座16的卡槽过盈配合，所述样品座16两侧与安装样品座16的卡槽成间隙配合，本发明可以采用以上结构样品座用于本设计显微镜，该样品座通过调节后探针能够对准样品，所述扫描管3的外径3.2mm、长度6.5mm， 所述刚玉管6的外径为5mm、壁厚为0.75mm、长度为15mm，所述黄铜管10的外径2mm，内径0.2mm，长度5mm，本发明已经得到实际生产，实际运用中本发明采用以上参数的扫描管、刚玉管和黄铜管，所述扫描头的黄铜管10内插入有探针1，所述探针1为电化学刻蚀的铂铱针，本发明探针主要采用电化学刻蚀的铂铱针，所述扫描头包括针架2、扫描管3、刚玉基座4、钨片5、刚玉管6、弹簧片7、钨盖8、刚玉珠9和黄铜管10，所述扫描管3一端与刚玉基座4相连， 所述刚玉基座4如图4所示外壁有4个条形槽4-1，所述条形槽4-1与刚玉基座4的中心线平行， 扫描管内部引线可以从刚玉基底引到外部的，通过刚玉基座外壁设置条形槽用来走扫描管的四个外电极，所述扫描管3另一端与针架2相连，所述针架2上面固定安装有黄铜管10，所述刚玉管6套装在刚玉基座4外，所述钨片5和钨盖8包住刚玉管6，所述钨片5和钨盖8构成钨导轨，所述钨导轨中钨盖8占整个钨导轨的2/3，所述钨盖8内部中间有一个宽1.6mm、深0.1mm的槽，所述钨导轨中钨片5的两端有90度的棱，实际设计中钨盖占整个钨导轨的2/3，钨片的两端有90度的棱，用来在刚玉套管滑行，钨盖内部槽，所述弹簧片7在刚玉管6外壁与钨盖8之间，所述弹簧片7固定于钨盖8内的槽内，所述刚玉珠9在刚玉基座4底部。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (9)
1.一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，包括探针（1）、扫描头，钛顶座（11）、压电堆栈马达（12）、扫描管保持架（13）、支撑杆（14）和压电堆栈马达支撑座（15），其特征在于：所述压电堆栈马达（12）安装在压电堆栈马达支撑座（15）上，所述压电堆栈马达（12）两侧各有一个支撑杆（14），所述压电堆栈马达（12）上端套有扫描管保持架（13），所述支撑杆（14）两端分别与扫描管保持架（13）和压电堆栈马达支撑座（15）相连，所述钛顶座（11）在扫描管保持架（13）上方，所述钛顶座（11）内拆装有扫描头，所述钛顶座（11）内有安装样品座（16）的卡槽，所述样品座（16）的卡槽与扫描头相对应，所述扫描头的黄铜管（10）内插入有探针（1），所述扫描头包括针架（2）、扫描管（3）、刚玉基座（4）、钨片（5）、刚玉管（6）、弹簧片（7）、钨盖（8）、刚玉珠（9）和黄铜管（10），所述扫描管（3）一端与刚玉基座（4）相连，所述扫描管（3）另一端与针架（2）相连，所述针架（2）上面固定安装有黄铜管（10），所述刚玉管（6）套装在刚玉基座（4）外，所述钨片（5）和钨盖（8）包住刚玉管（6），所述钨片（5）和钨盖（8）构成钨导轨，所述弹簧片（7）在刚玉管（6）外壁与钨盖（8）之间，所述弹簧片（7）固定于钨盖（8）内的槽内，所述刚玉珠（9）在刚玉基座（4）底部。
2.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于：所述探针（1）为电化学刻蚀的铂铱针。
3.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于：所述扫描管（3）的外径3.2mm、长度6.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于： 所述刚玉管（6）的外径为5mm、壁厚为0.75mm、长度为15mm。
5.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于：所述黄铜管（10）的外径2mm，内径0.2mm，长度5mm。
6.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于： 所述刚玉基座（4）外壁有4个条形槽（4-1），所述条形槽（4-1）与刚玉基座（4）的中心线平行。
7.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于：所述钨导轨中钨盖（8）占整个钨导轨的2/3，所述钨盖（8）内部中间有一个宽1.6mm、深0.1mm的槽，所述钨导轨中钨片（5）的两端有90度的棱。
8.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于：所述压电堆栈马达（12）的压电陶瓷采用EBL#3材料，所述压电堆栈马达（12）包括中间堆栈（12-1）、侧堆栈（12-2）、磷铜垫片（12-3）和磷铜弹簧片（12-4），所述中间堆栈（12-1）两侧各有一对侧堆栈（12-2），所述中间堆栈（12-1）由6片压电陶瓷片组成，采用EBL#3，尺寸为32mm*9mm*0.5mm，所述侧堆栈（12-2）由3片压电陶瓷片组成，采用EBL#3，尺寸为15.5mm×9mm×0.5mm，在压电陶瓷片拐角内开1mm×0.2mm×0.2mm的坑，坑内埋Pt引线，所述磷铜垫片（12-3）尺寸为9mm×1.5mm×0.3mm，中间开2×0.15mm的方槽，所述磷铜垫片（12-3）卡在中间堆栈（12-1）和两边4个侧堆栈（12-2）之间，所述磷铜弹簧片（12-4）尺寸为9mm×1.5mm×0.2mm，每个侧堆栈（12-2）外侧有一对磷铜弹簧片（12-4），所述磷铜弹簧片（12-4）卡在支撑杆（14）与侧堆栈（12-2）之间。
9.根据权利要求1所述的一种采用马达-扫描头分离技术的扫描隧道显微镜结构，其特征在于：所述显微镜结构还包括样品座（16），所述样品座（16）用金属钽制造，采用凸字形结构，样品固定在样品座（16）的上表面并通过边角的四个孔进行定位，所述样品座（16）的上表面中间有定位孔，所述样品座（16）安装在钛顶座（11）的安装样品座（16）的卡槽内，所述样品座（16）的肩部与安装样品座（16）的卡槽过盈配合，所述样品座（16）两侧与安装样品座（16）的卡槽成间隙配合。
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