CN107765037B - 高温原位样品杆 - Google Patents
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Abstract
高温原位样品杆，具有用于装载样品的杆头和中空的杆身，杆头包括基片和三维压电驱动器；基片的尾端与杆身固定；基片内有为三维压电驱动器提供运动空间的槽，基片的头端固定有固定电极针，三维压电驱动器的头端为可动电极针，固定电极针和可动电极针分别通过各自的导线与电源连接。本发明具有能够将加热区域控制到纳米级，且热漂移最小化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及透射电镜配件领域，特别是一种透射电镜的样品杆。
背景技术
透射电子显微镜以电子束为光源，分辨率可达0.1纳米，是一种运用广泛的材料表征工具。原位是一种实时、现场地描述正在发生的事件或者反应过程的技术，“原位”意在描述测量该过程的方式，是在被关注现象发生的同一时间同一地点测量，不与其他系统隔离开来或是改变测试的原始条件。原位手段在透射电镜领域的运用是通过原位样品杆实现的。设计和使用不同的原位透射电镜样品杆，可以在样品上施加各种物理作用，同时在透射电镜下观察施加过程中材料微观结构和化学状态的变化，可以直接地研究材料或器件在实际使用过程中的性能表现，对提升材料性能、优化材料处理工艺等意义重大。
日本Takeo Kamino等人在2005年发表的文章《Development of a gasinjection/specimen heating holder for use with transmission electronmicroscope》中描述了一种自制的透射电镜加热样品杆。该样品杆使用直径约为25微米的螺旋状细钨丝作为加热载体，将要观察的样品制成直径数微米或更小的颗粒附着在钨丝上。通电以产生焦耳热，通过控制电压和电流来获得不同的温度。通过几个典型的实例，例如观察硅和碳在1773开尔文下反应生成碳化硅；1673K时碳化硅的烧结；硅表面在1273K下被液态铝浸湿等，说明该加热样品杆的确可以实现高达1773K的温度。但其不足之处在于：1、以钨丝作为加热载体，样品附着在钨丝上，由钨丝的热量热传递到样品上，由于加热区域较大(钨丝直径25微米，长达数毫米)，而透射电镜的视场很小(较低倍数下长宽为数百纳米)，故钨丝和样品的热漂移可能导致加热过程中难以观察。2、两个电极固定，钨丝位于两个电极之间，电极通电时整根钨丝发热，加热的区域固定，整个样品腔都辐射到钨丝的热量，即使在样品杆上集成测温装置，其测到的温度与单个样品之间的温度也存在偏差，导致只能通过已知温度的特殊现象来判断样品温度，样品的实际温度无从得知，因此也不能实现精确的控温。
另日本Yasumitsu Miyata等人在2014年发表的文章《Direct observation ofzipper-like wall-to-wall coalescence of double-wal1carbon nanotubes》中公开了一种使用微米级碳纳米管网络作为加热器的高温样品杆。该样品杆使用硅或二氧化硅作为基体，在上面铺设两对铂/钛电极，在两对电极中间分别有数十微米的狭缝，将同等尺寸的碳纳米管网络铺设在狭缝上，通电产生焦耳热。这种碳纳米管的网状结构能以几乎独立的方式(free-standing)承载纳米材料，使得在观测过程中不受载体材料的影响。该发明的优点有：1.碳纳米管几乎为零的热膨胀系数使得热漂移最小化；2.极小的输入功率(60mW)即可达到1036°的高温；3.碳纳米管是很好的加热载体，即使在2000°以上的高温下也不会失效且无相变产生。但其缺点在于：1、以网状碳纳米管作为加热载体，网状碳纳米管铺设在两对电极之间，两对电极固定，电极通电时整片网状碳纳米管发热，加热的区域固定，整个样品腔都辐射到网状碳纳米管的热量，即使在样品杆上集成测温装置，其测到的也是整个碳纳米管网络的温度样品腔的温度，与单个样品温度存在偏差。因此，该样品杆以放置在碳纳米管网络上的Au纳米颗粒边缘模糊和非晶化为标志，认为此时达到了金的熔点1036°。这种现象判定法准确性不高，既无法得知任意时刻的温度，也不能以此为基础实现精确的控温。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够将加热区域控制到纳米级，且热漂移最小化的用于透射电镜的高温原位样品杆。
高温原位样品杆，具有用于装载样品的杆头和中空的杆身，杆头包括基片和三维压电驱动器；基片的尾端与杆身固定；基片内有为三维压电驱动器提供运动空间的槽，基片的头端固定有固定电极针，三维压电驱动器的头端为可动电极针，固定电极针和可动电极针分别通过各自的导线与电源连接。
试验时，将样品滴沾在固定电极针或者可动电极针上。将样品滴沾在固定电极针的尾端为优选的样品装载方案，如此，样品固定不动，不容易从固定电极针上脱落。三维压电驱动器使可动电极针与样品接触，可动电极针跟样品的接触点和固定电极针之间的样品区域通电产生热效应。三维压电驱动器使可动电极针能与样品的任意点接触，因此本发明可以选择样品的通电区域，将通电加热区域控制到纳米级。
当待加热观测的样品材料为导体时，直接将样品滴沾在固定电极针上。当待加热观测的材料为绝缘体时，将待加热观测的材料吸附在碳材料上，待加热观测的材料和碳材料共同组成样品，滴沾在固定电极上。
进一步，基片上铺设光纤，光纤对准样品通电区域，光纤经杆身导出与光谱仪连接。
由于样品上的加热区域可控，当加热区域控制在微米级和纳米级或更小尺寸级别时，加热区域与与样品腔相比足够小，因此可以把加热区域近似看成黑体，利用黑体辐射测温。光纤对光谱仪输入的信号曲线经过校准则可得到加热区域此时的黑体辐射曲线，利用黑体辐射公式拟合得出样品温度，从而实现对样品加热区域的实时测温。
进一步，三维压电驱动器包括插入杆身内的压电陶瓷管和位于基片的槽内的头部；压电陶瓷管的外周壁和内周壁分别设置导电区域，外周壁的导电区域和内周壁的导电区域作为压电陶瓷管与电源连接的电极，外周壁的导电区域有多对，每对导电区域以压电陶瓷管的轴线对称，外周壁的每个导电区域之间相互独立并均匀设置，压电陶瓷管的头端固定关节球；
三维压电驱动器的头部主要由上压件，下压件和弹性连接组件组成，关节球位于上压件和下压件之间，上压件和下压件分别具有与关节球匹配的凹窝；弹性连接组件连接上压件和下压件，可动电极针装夹于上压件。
导电区域相互独立指的是导电区域之间相互没有电连接关系。
用一根导线焊接到压电陶瓷管的内侧面的导电区域并保持接地，在压电陶瓷管外侧面的每个导电区域上焊接一根导线，导线的另一端接到电压放大器的各个输出端，然后将电压放大器的各个输入端接到函数信号发生器上。驱动样品杆任意自由度，使样品在该自由度上移动到需要的位置的办法为：通过导线向压电陶瓷管外侧面上对称的两片导电区域施加正负相反的锯齿波。该锯齿波可以是连续的，也可以是分脉冲的。外壁面的导电区域越多，关节球可能的运动方向越多。
进一步，弹性连接组件由连接螺丝和弹簧组成，连接螺丝的螺纹段旋入下压件并与下压件紧固连接，上压件有供连接螺丝穿过的通孔，连接螺丝与通孔间隙配合，弹簧设置于上压件与连接螺丝的头端之间，上压板连接夹具。
弹簧处于被压缩状态，因此弹簧使上压板和下压板分别抵紧关节球。
进一步，压电陶瓷管的外壁面上设置两对导电区域，外壁面的导电区域在轴向方向完全覆盖压电陶瓷管，内壁面的导线区域完全覆盖压电陶瓷管。
本发明的样品杆也可使用其他现有结构三维压电驱动器，如瑞典Svensson，K.等人在2003年发表的文章《Compact design of a transmission electron microscope-scanning tunneling microscope holder with three-dimensional coarse motion》公开的三维压电探针。
本发明的优点在于：
1.使两根电极针一根固定一根可动，因此两个电极针之间的距离可变，样品加载在固定电极针或者可动电极针上，以电极针与样品接触形成电路的闭合，对样品通电实现加热；因此样品上的加热区域由电极针与样品的接触点确定，加热区域可控，使用精确的三维压电驱动器可将加热区域的尺寸控制到纳米级别。
2.纳米级别的加热区域与样品腔相比足够小，将加热区域近似为黑体，利用光纤实现黑体辐射测温，光纤获得的光谱输入光谱仪，将光谱测温方法与透射电镜结合，满足了透射电镜对真空度、尺寸等方面的要求，实现了对样品加热区域的准确、实时性的温度测量。
3.通过样品的温度反馈，比现有样品杆更好地控制加热温度。
4、三维压电驱动器通过上压件的圆锥形凹窝和下压件的圆锥形凹窝与关节球接触，使得两个圆锥形凹窝与关节球之间的摩擦副的接触为线接触，提高了摩擦的稳定性。
5、三维压电驱动器的弹性连接组件使上压件和下压件压紧关节球，限制了样品杆头相对压电陶瓷管作轴向方向的运动，使样品杆头只能绕关节球作球面转动，同时使摩擦副之间的压力大小和摩擦力系数在运动过程中保持不变，进一步提高了摩擦的稳定性，而且可以避免运动部件脱落。
6、三维压电驱动器包含的部件数量少，且连接关系简洁明了，易于生产、易于调校。
附图说明
图1是本发明的杆头示意图。
图2是三维压电驱动器的示意图。
图3是压电陶瓷管上的导线区域分布示意图。
具体实施方式
如图1所示，样品杆包括杆身和杆头，样品杆身用于放置驱动装置和导线等，杆头用于装载样品。杆头包括三维压电驱动器9和铝制的基片1，其中三维压电驱动器9具有插入杆头内的压电陶瓷管91，三维压电驱动器9的头部为可动电极针6，可动电极针6在前/后、上/下和左/右方向运动。
如图1所示，用两根钨针/镍铬针相接触实现样品的装载和通电加热。其中一根钨针装在三维压电驱动器9上，即为可动可动电极针6。另一根钨针用环氧树脂胶3固定在基片1上，与基片1相互绝缘，即为固定电极针2。
将一根导线4焊接在固定电极针2上，导线4通过杆身引出，另一导线通过驱动轴引入到可动电极针6上，将两根导线由样品杆身引出接到电源上。操纵可动电极针6使其接触样品，可动电极针6、样品和固定电极针2接触导通，可动电极针6和固定电极针2之间的样品区域通电产生焦耳热。
当待加热观测材料为导体时，用毛细管将待加热观测材料作为样品(通常呈颗粒状分散在酒精中)滴沾在固定电极针2的针尖上。当待加热观测材料为绝缘体或导电性能不理想时，将待加热观测材料附着在碳材料上共同组成样品，再将样品滴沾在固定电极针2的针尖上。碳材料可以选用直径数十纳米的碳纳米管，或者长宽约30微米、厚度小于100nm的片状石墨烯等。由于将加热载体材料尺寸限制在微米级，且选用了热稳定性强、热膨胀系数小的碳材料，使得热漂移最小化。在加热载体上可搭载多种纳米材料进行原位加热研究。在透射电镜中对碳纳米管进行加热时，约30mA的输入功率则能使镍铬针尖熔化，所使用的镍铬合金熔点为1453°，即达到了1700K以上的高温。
将加热区域限制在纳米级别后，加热区域近似为黑体，采用非接触式测温方法，将光纤7头部对准加热区域，接收样品的黑体辐射，光纤7铺设在基片上，光纤7头部用两个螺钉夹紧，光纤7沿样品杆身导出到光谱仪上。将光谱仪连入计算机，即可不断获得观察区域的黑体辐射曲线，拟合曲线即得到每一时刻的温度。调节加载的电压或电流即可调节载体材料的温度亦即样品的温度，利用透射电镜的高分辨率观察在不同温度加载下样品微观结构的演化过程，进而分析材料的失效机理、寻求材料性能的优化方法。
碳纳米管等材料具有优异的导电导热性能和超快的热响应速率，故通过控制输入功率，结合温度反馈结果，能实现精确的温度控制。
如图2所示，三维压电驱动器，包括插入杆身内的压电陶瓷管91和位于基片1的槽内的头部；压电陶瓷管91的周向壁面均匀设置多个相互独立的导电区域913，压电陶瓷管91的头端有固定的关节球93，关节球93固定在球座92的头端上，球座92的末端固定在压电陶瓷管91的头端。压电陶瓷管91为由压电陶瓷材料制成的管状件，其内壁面912被导电涂层完全覆盖，其外壁面涂覆有多个相互绝缘的导电涂层，相互绝缘的导电涂层形成导电区域913，压电陶瓷管91及其导电涂层的设置如图1所示。
如图2所示，三维压电驱动器的头部主要由上压件98，下压件99和弹性连接组件94组成，关节球93位于上压件98和下压件99之间，上压件98和下压件99分别具有与关节球93匹配的圆锥形凹窝；弹性连接组件94由连接螺丝941和弹簧942组成，连接螺丝941的螺纹段旋入下压件99并与下压件99紧固连接，上压件98有供连接螺丝941穿过的通孔，连接螺丝941与通孔间隙配合，弹簧942设置于上压件98与连接螺丝941的头端之间，上压件98连接夹具96，可动电极针6固定于夹具96上。
调节连接螺丝941，使上压件98、下压件99与关节球93之间的压力适中。具体办法为：先调节压件连接螺丝941到任意程度，然后将压电陶瓷管91水平放置，使样品作竖直方向运动。若样品无法作竖直向下运动，则旋松连接螺丝941，减小压力；若样品能作竖直向下运动，而无法作竖直向上运动，则旋紧压件连接螺丝941，增大压力。弹簧942处于被压缩状态，因此弹簧942使上压件和下压板分别抵紧关节球93。导电区域913相互独立指的是导电区域913之间相互没有电连接关系。
如图3所示，压电陶瓷管91上设置4个导电区域913，导电区域913在轴向方向弯曲覆盖压电陶瓷管91。给压电陶瓷管91上的不同导电区域913分别施加电场，如实现一侧管壁伸长、另一侧管壁缩短，则实现了宏观的弯曲。
相邻的导电涂层之间有绝缘涂层。
将压电陶瓷管91的底端固定，用一根导线焊接到压电陶瓷管91的内侧面的导电涂层并保持接地，将四根导线分别焊接到压电陶瓷管91外侧面的四片导电涂层上，另一端接到电压放大器的各个输出端，然后将电压放大器的各个输入端接到函数信号发生器上。该样品杆的两个自由度可以分别驱动。驱动样品杆任意自由度，使样品在该自由度上移动到需要的位置的办法为：通过导线向压电陶瓷管91外侧面上对称的两片导电涂层施加正负相反的锯齿波。该锯齿波可以是连续的，也可以是分脉冲的。外壁面的导电区域越多，关节球可能的运动方向越多。
对连续的锯齿波，优选的参数为峰-峰值100V，频率100Hz以下，压摆率100V/μs以上。适当降低峰-峰值可以减小运动步长，但峰-峰值过低(在一些案例中，低于40V)会使运动步长急剧降到零，原因可能与摩擦面的微观结构有关。峰-峰值高于100V时会击穿压电陶瓷，破坏压电陶瓷管91。频率高于100HZ时会激发压电陶瓷管91或整体装置结构的本征振动，使关节球93的运动不再是平面内的“缓慢、快速”运动，纳米定位器的驱动原理不能满足，样品不能运动。降低频率可以降低单位时间内产生的运动步数，控制样品的运动速度。压摆率低于100V/μs时会使得滑动阶段关节球93运动加速度过小，摩擦力能保持运动部件跟随关节球93运动而不产生滑动，样品不能通过累积各步来产生长行程运动。
通过其它观测设备(如光学显微镜、电子显微镜等)观察样品的所在位置，当样品运动到目标位置附近时，向上述对称的导电区域施加相反的恒定电压，使压电陶瓷管91的一侧发生伸长，另一侧发生缩短，总体表现为弯曲，进而使固定于压电陶瓷管91一端的关节球93向一侧移动，进而通过摩擦力使包括上压件98、下压件99、弹性件的运动部件向该侧移动，进而使样品向该侧移动。样品的移动距离与向上述两片导电涂层施加的相反的恒定电压的电压值成正比。反复观察样品的位置，并据此调整电压值，使样品移动到需要的位置。
关节球93采用耐磨材料制成，上压件98的圆锥形凹窝和下压件99的圆锥形凹窝分别进行耐磨处理，或者上压件98和下压件99分别用耐磨材料制成。比如用铝或铝合金制作，并用阳极氧化处理圆锥形凹窝的表面。
夹具96为套管，套管与上压件98一体，套管壁上贯穿安装有紧固螺钉，如图2所示，。将棒状或管状样品插入套管内，用紧固螺钉压紧样品，则完成样品的装夹。也可以是套管夹扁后固定可动电极针。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.高温原位样品杆，具有用于装载样品的杆头和中空的杆身，杆头包括基片和三维压电驱动器；基片的尾端与杆身固定；其特征在于：基片内有为三维压电驱动器提供运动空间的槽，基片的头端固定有固定电极针，三维压电驱动器的头端为可动电极针，固定电极针和可动电极针分别通过各自的导线与电源连接。
2.如权利要求1所述的高温原位样品杆，其特征在于：基片上铺设光纤，光纤对准样品通电区域，光纤经杆身导出与光谱仪连接。
3.如权利要求1或2所述的高温原位样品杆，其特征在于：三维压电驱动器包括插入杆身内的压电陶瓷管和位于基片的槽内的头部；压电陶瓷管的外周壁和内周壁分别设置导电区域，外周壁的导电区域和内周壁的导电区域作为压电陶瓷管与电源连接的电极，外周壁的导电区域有多对，每对导电区域以压电陶瓷管的轴线对称，外周壁的每个导电区域之间相互独立并均匀设置，压电陶瓷管的头端固定关节球；三维压电驱动器的头部主要由上压件，下压件和弹性连接组件组成，关节球位于上压件和下压件之间，上压件和下压件分别具有与关节球匹配的凹窝；弹性连接组件连接上压件和下压件，可动电极针装夹于上压件。
4.如权利要求3所述的高温原位样品杆，其特征在于：弹性连接组件由连接螺丝和弹簧组成，连接螺丝的螺纹段旋入下压件并与下压件紧固连接，上压件有供连接螺丝穿过的通孔，连接螺丝与通孔间隙配合，弹簧设置于上压件与连接螺丝的头端之间，上压板连接夹具。
5.如权利要求4所述的高温原位样品杆，其特征在于：压电陶瓷管的外壁面上设置两对导电区域，外壁面的导电区域在轴向方向完全覆盖压电陶瓷管，内壁面的导线区域完全覆盖压电陶瓷管。
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