CN108181487B - 一种超高真空样品截断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高真空样品截断装置，涉及真空材料截断技术领域，包括样品固定装置和样品截断装置；样品固定装置包括样品架、样品台、内插片、支撑座、双面法兰盘和校准座；样品截断装置包括微分头负载型直线导入器、推杆、前端推头和固定帽；样品架包括第一夹块、第二夹块和底板；样品台包括样品台主体、挡块和压片；样品台设置有一凹槽以容纳样品架，支撑座连同样品台一起固定在双面法兰盘的一面，在双面法兰盘的另一面设置有ICF70法兰接口来连接微分头负载型直线导入器。该装置能够在超高真空环境中进行截断操作，使样品不被污染，不仅保证样品能成功被截断，而且样品截断面的平整度足够高，截断效果好。

Description

一种超高真空样品截断装置
技术领域
本发明涉及真空材料截断技术领域，尤其涉及一种超高真空样品截断装置。
背景技术
STM(扫描隧道显微镜Scanning Tunneling Microscope)在对样品进行表征时，只能得到样品表面的信息。而要获得样品的内部信息就必须将样品截断，而且截断的过程必须在超高真空中进行，以避免大气对截断面的污染。以往在超高真空下的截断方法大多仅仅通过样品传输杆的撞击来打断样品，这种做法无法在保证样品稳定性的前提下提供足够的推力，截断面的粗糙度也难以符合进行STM实验的测定要求。文献S.Gwo,K.J.Chao,A.R.Smith,C.K.Shih,K.Sadra,B.G.Streetman,J.Vac.Sci.Technol.B11(1993)1509中记载的方法只能在非超高真空下获得截面，具体方法是首先在真空设备外面对样品划刻痕，然后固定样品将其敲断，再在(NH4)2S的电解质溶液中泡5到10分钟，然后传到真空设备中进行STM实验。又比如，文献K.S.Teng et al./Applied Surface Science 235(2004)313-321中记载的方法虽然可以在真空中进行操作，利用机械手在真空中将材料截断，然后进行STM实验，但是该方法只针对于150微米左右薄的材料，而且没有设计专门的固定样品架的装置，不能保证样品的截断成功率。由此可见，现有技术方案的缺点为：(1)不能在超高真空环境下进行截断操作；(2)不能保证样品的截断成功率；(3)无法确保获得优良的截断面品质。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种超高真空样品截断装置，以确保截断操作的稳定可靠，成功率更高，截断效果更好。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种超高真空样品截断装置，以便能够在超高真空环境中进行截断操作，使样品不被污染，同时保证样品能成功被截断，且样品截断面的平整度足够高。
为实现上述目的，本发明提供了一种超高真空样品截断装置，包括样品固定装置和样品截断装置；
所述样品固定装置包括样品架、样品台、内插片、支撑座、双面法兰盘和校准座；
所述样品截断装置包括微分头负载型直线导入器、推杆、前端推头和固定帽；
所述样品架包括第一夹块、第二夹块和底板；
所述样品台包括样品台主体、2个挡块和1个压片；
所述内插片的厚度为1mm；
所述样品台设置有一凹槽以容纳所述样品架，所述支撑座支撑所述样品台，所述支撑座连同所述样品台一起固定在所述双面法兰盘的一面，而在所述双面法兰盘的另一面设置有ICF70法兰接口，所述微分头负载型直线导入器通过所述ICF70法兰接口固连在所述双面法兰盘上。
进一步地，所述第一夹块与所述第二夹块上均设有直槽口，当所述第二夹块相对所述第一夹块移动直至靠拢所述第一夹块后，在所述第一夹块与所述第二夹块之间形成长条状凹槽，所述凹槽的宽度略小于样品厚度。
进一步地，所述第一夹块设置有2个从上表面贯穿至下表面的圆通孔，还设置有2个从左侧表面贯穿至右侧表面的圆通孔。
进一步地，所述第二夹块设置有2个从上表面贯穿至下表面的长圆孔，还设置有2个从左侧表面贯穿至右侧表面的圆通孔。
进一步地，所述底板的厚度为1mm，所述底板上设置有螺纹孔，还设置有方形凸起，所述第一夹块固定在所述底板的方形凸起部分上。
进一步地，所述样品台主体上设置有第一台阶面、第二台阶面和第三台阶面，所述压片固定在所述第一台阶面上。
进一步地，所述压片的下表面与所述挡块上表面之间的空隙为1mm，所述第二台阶面与所述挡块上表面的高度差也是1mm，并且所述第二台阶面的形状和大小与所述底板的形状和大小相一致。
进一步地，所述微分头负载型直线导入器、所述推杆、所述前端推头、所述校准座四者全部共轴线。
进一步地，所述推杆的尾部与所述微分头负载型直线导入器的前端固连，所述前端推头的后部为圆柱体，插入所述推杆前部的圆柱形凹槽内并通过所述固定帽予以固定。
进一步地，所述推杆前部上方设置有推杆固定孔，所述前端推头通过一穿过所述推杆固定孔的螺栓与所述推杆固连在一起。
与现有技术方案相比，本发明的有益技术效果包括以下3方面：
(1)能够在超高真空环境中进行截断操作，使样品不被污染；
(2)采用内插片固定样品架的方式简单可靠，稳固性高，保证样品能成功被截断，且样品截断面的平整度足够高；
(3)精度高，操作灵活，适应性广，能与不同的主腔室样品传输系统相配合。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的整体组成结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例中样品固定装置的结构示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例中样品架的结构示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例中不含挡块的样品台部分组成结构示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例中只含一个挡块的样品台部分组成结构示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例中内插片与样品台的相互位置关系示意图；
图7是本发明的一个较佳实施例中利用内插片固定样品架的工作原理示意图；
图8是本发明的一个较佳实施例中支撑座的示意图；
图9是本发明的一个较佳实施例中样品截断装置的结构示意图；
图10是本发明的一个较佳实施例中微分头负载型直线导入器与双面法兰盘的连接位置关系示意图；
图11是本发明的一个较佳实施例中推杆、前端推头和固定帽的零件细节示意图；
图12是本发明的一个较佳实施例中推杆、前端推头和固定帽的组装示意图。
其中，001-样品架，002-压片，003-样品台，004-挡块，005-内插片，006-支撑座，007-双面法兰盘，008-固定帽，009-推杆，010-校准座，011-前端推头，012-微分头负载型直线导入器，013-样品，014-刻痕，0011-第一夹块，0012-第二夹块，0013-底板，0031-样品台主体，00311-第一台阶面，00312-第二台阶面，00313-第三台阶面，00131-样品架底板上表面，0041-挡块上表面，0051-内插片上表面，0091-推杆固定孔。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明提出的一种超高真空样品截断装置的一个较佳实施例包括样品固定装置和样品截断装置。如图2所示，样品固定装置包括样品架001、样品台003、内插片005、支撑座006、双面法兰盘007和校准座010。如图9所示，样品截断装置包括微分头负载型直线导入器012、推杆009、前端推头011和固定帽008。
如图2所示，样品台003设置有一凹槽以容纳样品架001，使用时利用内插片005将样品架001固定到样品台003上。支撑座006支撑样品台003，支撑座006连同样品台003一起固定在双面法兰盘007的一面，而在双面法兰盘007的另一面设置有ICF70法兰接口，通过所述ICF70法兰接口连接并固定微分头负载型直线导入器012。样品架001的尺寸与样品013的大小相适配，实际应用时，首先在样品013的衬底一侧进行刻痕加工处理以形成刻痕014，再将带有刻痕014的样品013装入样品架001。
如图3所示，样品架001包括第一夹块0011、第二夹块0012和底板0013。第一夹块0011与第二夹块0012上均设有直槽口，以便在第一夹块0011与第二夹块0012之间形成长条状凹槽，凹槽的宽度略小于样品厚度以防止样品松动。在本发明的一个较佳实施例中，样品架001固定样品013的方式与普通的样品固定方式不同。通常，长条片状样品都采用平放方式以方便在样品表面进行外延生长和测量，而本发明中，样品013以竖直立放方式固定，以便后续对样品013进行截断。第一夹块0011设置有2个从上表面贯穿至下表面的圆通孔，还设置有2个从左侧表面贯穿至右侧表面的圆通孔。第二夹块0012设置有2个从上表面贯穿至下表面的长圆孔，还设置有2个从左侧表面贯穿至右侧表面的圆通孔。底板0013上设置有螺纹孔，还设置有方形凸起部分以便加长螺纹的长度来保证固定的稳定性。第一夹块0011固定在底板0013的方形凸起部分上，第二夹块0012可以相对第一夹块0011移动，第二夹块0012的直槽口就是方便第二夹块0012的移动与固定。当第二夹块0012相对第一夹块0011移动并靠近第一夹块0011时，在第一夹块0011与第二夹块0012之间形成长条状凹槽。在第一夹块0011与第二夹块0012之间的凹槽内装上样品013后，通过两根螺杆贯穿第一夹块0011两侧表面与第二夹块0012两侧表面上设置的圆通孔，并拧紧螺丝来固定样品013，从而将样品013固定在第一夹块0011与第二夹块0012之间的长条状凹槽内。
如图4和图5所示，样品台003包括样品台主体0031、两个挡块004和一块压片002。样品台主体0031上设置有第一台阶面00311、第二台阶面00312和第三台阶面00313，压片002固定在样品台主体0031的第一台阶面00311上。
如图6和图7所示，在真空腔内通过机械手从主腔室的样品传输系统上取下样品架001，并沿着压片002和挡块004之间的槽口慢慢推进。此处要说明一下相关位置和尺寸的关系，压片002下表面和挡块上表面0041之间的空隙为1毫米，与之对应的样品架001的底板0013以及内插片005的厚度均为1毫米。此外，第二台阶面00312与挡块上表面0041的高度差也是1毫米，并且第二台阶面00312的形状和大小与样品架001的底板0013的形状和大小相一致，这样在图7所示的推进过程进行完毕时，样品架001下陷，样品架001的底板0013会内嵌于样品台003的凹槽内，并且，样品架底板上表面00131和挡块上表面0041在同一平面上。然后继续用机械手从传样杆上取下内插片005，将内插片005沿着同样的槽口推进到底，内插片上表面0051与压片002的下表面接触，这样内插片005刚好塞满样品架001上方和压片002下方预留的空间，从而将样品架001固定。
如图2和图8所示，固定好样品架001的样品台003通过支撑座006固定到双面法兰盘007上。
如图9所示，样品截断装置包括微分头负载型直线导入器012、推杆009、前端推头011和固定帽008，易于组装。推杆009尾部与微分头负载型直线导入器012前端固连。如图10所示，双面法兰盘007的左侧为ICF70法兰接口，用以连接微分头负载型直线导入器012。
如图11和图12所示，前端推头011的后部为圆柱体，可以插入推杆009前部的圆柱形凹槽并通过固定帽008固定。在推杆009前部上方设置有推杆固定孔0091，通过推杆固定孔0091用螺栓固定已经调整好位置的前端推头011，以防止其可能的旋转。由于微分头负载型直线导入器012、推杆009、前端推头011、校准座010四者完全共轴线，所以可以保证推杆009沿中轴线前进。
固定好样品架001之后便可以通过旋转微分头负载型直线导入器012的微分旋进器将推杆009的头部向着带刻痕的样品013高精度推进。这个过程一直在窗口观察下进行。在截断样品013之后便可按照上述步骤反序进行，也就是先将内插片005抽出来放置到传样杆上后，再将样品架001取出放置到传样杆上。传样杆会将得到的截断样品传输到STM腔室中，以获得样品的内部信息。
此外，在本发明中，根据不同的传样系统，样品的固定方式可以采用不同的构型。
本发明解决了长久以来业内人士一直渴望解决却未能成功解决的难题，能够在超高真空环境中进行截断操作，使样品不被污染，保证样品能成功被截断，且样品截断面的平整度足够高，而且适应性广，能与不同的主腔室样品传输系统相配合。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种超高真空样品截断装置，其特征在于，包括样品固定装置和样品截断装置；
所述样品固定装置包括样品架、样品台、内插片、支撑座、双面法兰盘和校准座；
所述样品截断装置包括微分头负载型直线导入器、推杆、前端推头和固定帽；
所述样品架包括第一夹块、第二夹块和底板；
所述样品台包括样品台主体、2个挡块和1个压片；
所述内插片的厚度为1mm；
所述样品台设置有一凹槽以容纳所述样品架，所述支撑座支撑所述样品台，所述支撑座连同所述样品台一起固定在所述双面法兰盘的一面，而在所述双面法兰盘的另一面设置有ICF70法兰接口，所述微分头负载型直线导入器通过所述ICF70法兰接口固连在所述双面法兰盘上；
所述第一夹块与所述第二夹块上均设有直槽口，当所述第二夹块相对所述第一夹块移动直至靠拢所述第一夹块后，在所述第一夹块与所述第二夹块之间形成长条状凹槽，所述凹槽的宽度略小于样品厚度；
所述样品截断装置的所述微分头负载型直线导入器、所述推杆、所述前端推头、所述校准座四者全部共轴线；所述推杆的尾部与所述微分头负载型直线导入器的前端固连，所述前端推头的后部为圆柱体，插入所述推杆前部的圆柱形凹槽内并通过所述固定帽予以固定。
2.如权利要求1所述的超高真空样品截断装置，其特征在于，所述第一夹块设置有2个从上表面贯穿至下表面的圆通孔，还设置有2个从左侧表面贯穿至右侧表面的圆通孔。
3.如权利要求1所述的超高真空样品截断装置，其特征在于，所述第二夹块设置有2个从上表面贯穿至下表面的长圆孔，还设置有2个从左侧表面贯穿至右侧表面的圆通孔。
4.如权利要求1所述的超高真空样品截断装置，其特征在于，所述底板的厚度为1mm，所述底板上设置有螺纹孔，还设置有方形凸起，所述第一夹块固定在所述底板的方形凸起部分上。
5.如权利要求1所述的超高真空样品截断装置，其特征在于，所述样品台主体上设置有第一台阶面、第二台阶面和第三台阶面，所述压片固定在所述第一台阶面上。
6.如权利要求5所述的超高真空样品截断装置，其特征在于，所述压片的下表面与所述挡块上表面之间的空隙为1mm，所述第二台阶面与所述挡块上表面的高度差也是1mm，并且所述第二台阶面的形状和大小与所述底板的形状和大小相一致。
7.如权利要求1所述的超高真空样品截断装置，其特征在于，所述推杆前部上方设置有推杆固定孔，所述前端推头通过一穿过所述推杆固定孔的螺栓与所述推杆固连在一起。
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