CN113884706A - 一种真空互联系统及转移真空样品托 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空互联系统，包括用于超低温扫描隧道显微镜的第一样品托、用于四探针扫描隧道显微镜的第二样品托以及小样品托，所述小样品托用于承载样品，所述第一样品托、所述第二样品托的顶部均形成有供所述小样品托插入并固定的插槽，所述小样品托可选择性地在插入所述第一样品托和所述第二样品托的插槽中。本发明还公开了一种转移真空样品托。本发明通过在超低温扫描隧道显微镜和四探针扫描隧道显微镜的样品托上开设有可供小样品托插入并固定的插槽和容置空间，使得同一小样品托可以同时适用于不同的显微镜设备，实现了样品在真空互联系统中的互联传递，可以对材料进行不同特性的测量和分析。
Description
技术领域
本发明涉及真空机械领域，尤其涉及一种真空互联系统及转移真空样品托。
背景技术
由于在地球上的人造真空可以实现局域的超洁净环境，对特定材料的生长、制备以及科学研究具有重要的意义，如半导体晶圆生长、半导体体器件制备、电子扫描显微镜检测物体、透射电子显微镜检测材料的界面等过程，都是在人造真空环境下进行的。为更好的利用真空高洁净特性连续的研究材料生长、器件制备、性能的检测，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所设计并建造了一套真空互联系统。在该真空互联系统中，所有相关的材料生长、器件制备、性能检测的设备都利用真空管道进行了连接，并在互联的真空管道中布置了磁力推动样品传送小车，用来将研究的样品从一个设备传送至另一个设备，使得被研究样品本身在全生命周期内不必因为样品传送而暴露到大气中引入污染。
真空互联试验站有多台扫描隧道显微镜，由于需要对材料特性进行全面的分析和检查，这些扫描隧道显微镜通常会有两种或两种以上。其中，超低温扫描隧道显微镜(Ultra-lowTemperatureScanningTunnelingMicroscope，缩写为ULT-STM)能很方便的观察材料的物理特性，通过高精度陶瓷管实现扫描探针在原子尺度上可控运动，并测量扫描探针和样品表面的隧穿电流，从而实现材料表面原子结构、电子结构的观测。超低温STM因其大大提高的稳定性，可实现高质量的原子分辨形貌图像以及高能量分辨扫描隧道谱的获取，能够方便地测量材料的物理特性；而四探针扫描隧道显微镜不仅可得到材料表面的高质量原子分辨像，而且还可通过多探针在超高真空条件下直接和样品接触，以测量样品的电输运性质，对研究低维材料体系、特别是高温超导薄膜、拓扑绝缘体薄膜、二维电子气等有着非常重要的意义，能方便地进行材料化学成分的分析。因此，对材料进行超低温STM、四探针扫描隧道显微镜这两种显微镜的扫描过程具有重要的意义。
但是超低温扫描隧道显微镜使用样品托为日本卡槽式样品台，可用于平移和旋转传输样品，而四探针扫描隧道显微镜使用欧洲旗形托，可用于平移传输样品。所以如果要进行真空互联试验，首先需要实现两种样品托的互联实验，但现有的超低温扫描隧道显微镜、四探针扫描隧道显微镜的两个样品托的结构形式差别很大，都是利用承载样品的小样品托在真空内的设备间传递样品，这两种显微镜很难兼容相同规格的小样品托，因此无法实现同一小样品托在真空互联系统中的各设备间的互联传递。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种真空互联系统及转移真空样品托，可以采用同一小样品托在各超低温扫描隧道显微镜、四探针扫描隧道显微镜之间进行样品传递，实现两种样品托的真空互联。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种真空互联系统，包括用于超低温扫描隧道显微镜的第一样品托、用于四探针扫描隧道显微镜的第二样品托以及小样品托，所述小样品托用于承载样品，所述第一样品托、所述第二样品托的顶部均形成有供所述小样品托插入并固定的插槽，所述小样品托可选择性地在插入所述第一样品托和所述第二样品托的插槽中。
作为其中一种实施方式，所述第一样品托包括间隔设置的两块第一托体组件，每块所述第一托体组件上开设有第一插槽，两块所述第一托体组件正对设置，且两个所述第一插槽正对且延伸方向相同，形成供所述小样品托的宽度方向的两侧插入的空间。
作为其中一种实施方式，所述第一托体组件包括第一托体和固定在所述第一托体顶部的第一压片，每个所述第一托体上形成有凹陷的第一台阶部，两个所述第一托体的所述第一台阶部朝向彼此设置，所述第一压片的一端固定在所述第一托体上，所述第一压片的另一端朝向对侧的第一托体延伸，并伸出其所在的第一托体，与其下方的第一台阶部围成所述第一插槽。
作为其中一种实施方式，每个所述第一托体的第一台阶部的侧壁的一端朝向对侧的第一托体延伸形成第一限位部。
作为其中一种实施方式，所述第一样品托还包括安装托架和多个磁块，所述磁块沿所述安装托架的周向上间隔地固定在所述安装托架上，所述第一托体由所述磁块吸附而承载在所述安装托架上。
作为其中一种实施方式，所述第二样品托包括第二托体组件，所述第二托体组件上开设有正对设置的一对第二插槽，两个所述第二插槽的延伸方向相同，形成供所述小样品托的宽度方向的两侧插入的空间。
作为其中一种实施方式，所述第二托体组件包括第二托体和固定在所述第二托体顶部的第二压片，所述第二托体包括承载部和形成于所述承载部上的两个间隔的凸台；每个所述凸台上形成有凹陷的第二台阶部，两个所述凸台的第二台阶部朝向彼此设置，所述第二压片的一端固定在所述凸台上，所述第二压片的另一端朝向对侧的凸台延伸，并伸出其所在的凸台，与其下方的第二台阶部围成所述第二插槽。
作为其中一种实施方式，所述第二托体还包括与所述承载部的一端相连的抓取头，所述抓取头沿所述凸台的长度方向与所述凸台间隔设置。
本发明的另一目的在于提供一种转移真空样品托，用于超低温扫描隧道显微镜中，包括间隔设置的两块第一托体组件，每块所述第一托体组件上开设有第一插槽，两块所述第一托体组件正对设置，且两个所述第一插槽正对且延伸方向相同，形成供小样品托的宽度方向的两侧插入的空间。
本发明的又一目的在于提供一种转移真空样品托，用于四探针扫描隧道显微镜中，包括第二托体组件，所述第二托体组件上开设有正对设置的一对第二插槽，两个所述第二插槽的延伸方向相同，形成供小样品托的宽度方向的两侧插入的空间。
本发明通过在超低温扫描隧道显微镜和四探针扫描隧道显微镜的样品托上开设有可供小样品托插入并固定的插槽和容置空间，使得同一小样品托可以同时适用于不同的显微镜设备，实现了样品在真空互联系统中的互联传递，可以对材料进行不同特性的测量和分析。
附图说明
图1为本发明实施例的一种超低温扫描隧道显微镜的样品托的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种超低温扫描隧道显微镜的样品托的使用状态示意图；
图3为本发明实施例的一种四探针扫描隧道显微镜的样品托与小样品托的结构示意图；
图4为本发明实施例的一种四探针扫描隧道显微镜的样品托的使用状态示意图；
图中标号说明如下：
1-样品；10-第一样品托；20-第二样品托；30-小样品托；31-把手；11-第一托体组件；12-第一压片；13-磁块；21-第二托体组件；111-第一托体；112-第一压片；113-第一紧固件；121-限位柱；122-装配臂；211-第二托体；212-第二压片；213-第二紧固件；2111-承载部；2112-凸台；2113-抓取头；C1-第一插槽；C2-第二插槽。
具体实施方式
在本发明中，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例的一种超低温扫描隧道显微镜的样品托的结构示意图，图3为本发明实施例的一种四探针扫描隧道显微镜的样品托与小样品托的结构示意图。
结合图1和图3所示，本发明实施例的真空互联系统主要包括用于超低温扫描隧道显微镜的第一样品托10、用于四探针扫描隧道显微镜的第二样品托20以及小样品托30，其中的小样品托30用于承载样品1，第一样品托10、第二样品托20的顶部均形成有供小样品托30插入并固定的插槽，小样品托30在真空互联系统内传输的过程中，可以选择性地在插入第一样品托10、第二样品托20的插槽中，从而分别实现样品在超低温扫描隧道显微镜、四探针扫描隧道显微镜中的互联传递。
由于超低温扫描隧道显微镜、四探针扫描隧道显微镜的样品托都具有可供携带样品的小样品托30插入并固定，因此，小样品托30可以自由地在超低温扫描隧道显微镜、四探针扫描隧道显微镜之间进行互联传递，真空互联系统可以采用同一小样品托来传递样品，因此提高了样品传递的便利性，实现了样品托的互联实验。
具体如图1和2所示，本实施例的用于超低温扫描隧道显微镜的第一样品托10包括在水平方向上间隔设置的两块第一托体组件11，每块第一托体组件11均为独立的结构，二者可以具有相同的结构和形状，每块第一托体组件11上开设有第一插槽C1，两块第一托体组件11正对设置，且两个第一插槽C1正对且延伸方向相同，形成供小样品托30的宽度方向的两侧插入的空间。
如图2所示，小样品托30大体呈板状，包括用于承载样品的方形部分和连接在方形部分的尾端的把手31，该把手31呈自方形部分引出的T形构造，包括连接方形部分的臂部和垂直连接臂部的尾部，通过利用夹取机构抓取把手31的该尾部，可以实现小样品托30的插入和拔出。
当承载有样品1的小样品托30插入第一样品托10时，小样品托30的前端顺着第一插槽C1逐渐深入，依靠第一插槽C1的上侧壁和下侧壁即可对小样品托30进行纵向上的限位，而左右方向上的两个第一插槽C1可以在横向上对小样品托30进行限位，因此可以将小样品托30固定在其中。当需要取走小样品托30时，只需夹取把手31，顺着第一插槽C1的延伸方向朝外拉出小样品托30即可。
这里，第一托体组件11还包括第一托体111和固定在第一托体111顶部的第一压片112，第一压片112采用第一紧固件113固定在第一托体111的顶部。每个第一托体111上形成有凹陷的第一台阶部，两个第一托体111的第一台阶部朝向彼此设置，第一压片112的一端固定在第一托体111上，第一压片112的另一端朝向对侧的第一托体111延伸，并伸出其所在的第一托体111，与其下方的第一台阶部围成第一插槽C1。
可以理解的是，第一台阶部包括相互垂直的底面和侧面，两个第一台阶部的底面共面，两个第一台阶部的侧面相互平行且正对设置，这样，两个第一台阶部之间的间隙为小样品托30提供了容置空间，两个第一托体111围成的空间可供小样品托30承载于其中，小样品托30的底面可以贴合于两个第一台阶部的底面，小样品托30的宽度方向的两端部可以与两个第一台阶部的侧面间隙配合，从而实现插入和抽出。第一压片112优选为金属片，具有一定的弹性，并且最好是稍朝向第一台阶部的底面倾斜，以提供足够的压紧力，从而避免小样品托30在随第一托体111平移和旋转的过程中发生脱出。
为避免与设备中的其他结构发生干涉，第一托体111顶部凹陷设置，形成第一压片槽，第一压片112安装在第一压片槽内，其顶面与第一托体111顶面平齐。第一压片112优选为钼压片，具有较好的超低温环境耐受能力。
另外，每个第一托体111的第一台阶部的侧壁的一端(如图1中的上端)朝向对侧的第一托体111延伸形成第一限位部1110，第一限位部1110呈钩状。两个第一限位部1110分别朝向彼此伸出，当小样品托30沿第一台阶部插入一定深度后，如果小样品托30触及第一限位部1110，则会受到第一限位部1110的限位作用而无法继续深入，夹取机构即可判断小样品托30已被插入至极限深度，小样品托30的安装完成。
这里，第一托体111为弧块，两块第一托体111的内环面位于同一个圆柱面上，两块第一托体111的外环面位于同一个圆柱面上。即，第一托体111为环的一部分，两块第一托体111可绕中心呈排列在同一圆上。
第一托体111以磁吸附的方式固定在超低温扫描隧道显微镜内，具体是，第一样品托10还具有安装托架12和多个磁块13，磁块13沿安装托架12的周向上间隔地固定在安装托架12上，第一托体111由磁块13吸附而承载在安装托架12上。
其中，安装托架12包括限位柱121，磁块13为中间开孔的磁环，磁块13套设在限位柱121上，从而固定在安装托架12上，优选地，安装托架12为金属，磁块13吸附在安装托架12上。通过将安装托架12固定到转动轴上，即可利用转动轴的平移和转动动作带动安装托架12平移和转动，从而实现其上的样品的传输。
本实施例的安装托架12还包括装配臂122，装配臂122朝第一样品托10的四周凸出，当第一样品托10安装到超低温扫描隧道显微镜后，装配臂122可以嵌入到超低温扫描隧道显微镜的安装槽位内，从而起到限制第一样品托10相对于设备端旋转、脱出的目的。
如图3和图4所示，为匹配小样品托30，本实施例的用于四探针扫描隧道显微镜的第二样品托20具有第二托体组件21，第二托体组件21上开设有正对设置的一对第二插槽C2，两个第二插槽C2的延伸方向相同，形成供小样品托30的宽度方向的两侧插入的空间。
第二托体组件21包括第二托体211和固定在第二托体211顶部的第二压片212，第二托体211包括承载部2111和形成于承载部2111上的两个间隔的凸台2112；每个凸台2112上形成有凹陷的第二台阶部，两个凸台2112的第二台阶部朝向彼此设置，第二压片212的一端固定在凸台2112上，第二压片212的另一端朝向对侧的凸台2112延伸，并伸出其所在的凸台2112，与其下方的第二台阶部围成第二插槽C2。
第二压片212采用第二紧固件213固定在第二托体211的顶部。为避免与设备中的其他结构发生干涉，第二托体211的顶部也凹陷设置，形成第二压片槽，第二压片21安装在第二压片槽内，其顶面与第二托体211的顶面平齐。
另外，第二托体211还包括与承载部2111的一端相连的抓取头2113，抓取头2113沿凸台2112的长度方向与凸台2112间隔设置。抓取头2113上可开设有便于抓取的孔洞，通过该抓取头2113，第二样品托20可以被整体抓取而进行转移。这里的第二插槽C2沿凸台2112的长度方向延伸至不贯穿凸台2112的后端面，当小样品托30从抓取头2113所在的一侧插入两个第二插槽C2之间的间隙内后，小样品托30承载于两个第二台阶部上，小样品托30的宽度方向的两侧由第二插槽C2的底面，即第二台阶部的侧壁进行限位。第二压片212也采用金属，形成弹性的压片，并且最好是稍朝向第二台阶部的底面倾斜，以提供足够的压紧力，从而避免小样品托30在随第二托体211平移的过程中发生脱出。
当小样品托30插入第二插槽C2内后，第二托体211的抓取头2113和把手31位于同一侧，通过夹取机构抓取把手31的尾部，可以实现小样品托30的插入和拔出。
本发明通过在超低温扫描隧道显微镜和四探针扫描隧道显微镜的样品托上开设有可供小样品托插入并固定的插槽和容置空间，使得同一小样品托可以同时适用于不同的显微镜设备，实现了样品在真空互联系统中的互联传递，可以对材料进行不同特性的测量和分析。通过将样品传输至超低温STM，即可实现高质量的原子分辨形貌图像以及高能量分辨扫描隧道谱的获取，可以方便地测量样品材料的物理特性，通过将样品传输至四探针扫描隧道显微镜，不仅可得到样品材料表面的高质量原子分辨像，还可通过多探针在超高真空条件下直接和样品接触，测量样品的电输运性质。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种真空互联系统，其特征在于，包括用于超低温扫描隧道显微镜的第一样品托(10)、用于四探针扫描隧道显微镜的第二样品托(20)以及小样品托(30)，所述小样品托(30)用于承载样品(1)，所述第一样品托(10)、所述第二样品托(20)的顶部均形成有供所述小样品托(30)插入并固定的插槽，所述小样品托(30)可选择性地在插入所述第一样品托(10)和所述第二样品托(20)的插槽中。
2.根据权利要求1所述的真空互联系统，其特征在于，所述第一样品托(10)包括间隔设置的两块第一托体组件(11)，每块所述第一托体组件(11)上开设有第一插槽(C1)，两块所述第一托体组件(11)正对设置，且两个所述第一插槽(C1)正对且延伸方向相同，形成供所述小样品托(30)的宽度方向的两侧插入的空间。
3.根据权利要求2所述的真空互联系统，其特征在于，所述第一托体组件(11)包括第一托体(111)和固定在所述第一托体(111)顶部的第一压片(112)，每个所述第一托体(111)上形成有凹陷的第一台阶部，两个所述第一托体(111)的所述第一台阶部朝向彼此设置，所述第一压片(112)的一端固定在所述第一托体(111)上，所述第一压片(112)的另一端朝向对侧的第一托体(111)延伸，并伸出其所在的第一托体(111)，与其下方的第一台阶部围成所述第一插槽(C1)。
4.根据权利要求3所述的真空互联系统，其特征在于，每个所述第一托体(111)的第一台阶部的侧壁的一端朝向对侧的第一托体(111)延伸形成第一限位部(1110)。
5.根据权利要求3所述的真空互联系统，其特征在于，所述第一样品托(10)还包括安装托架(12)和多个磁块(13)，所述磁块(13)沿所述安装托架(12)的周向上间隔地固定在所述安装托架(12)上，所述第一托体(111)由所述磁块(13)吸附而承载在所述安装托架(12)上。
6.根据权利要求1～5任一所述的真空互联系统，其特征在于，所述第二样品托(20)包括第二托体组件(21)，所述第二托体组件(21)上开设有正对设置的一对第二插槽(C2)，两个所述第二插槽(C2)的延伸方向相同，形成供所述小样品托(30)的宽度方向的两侧插入的空间。
7.根据权利要求6所述的真空互联系统，其特征在于，所述第二托体组件(21)包括第二托体(211)和固定在所述第二托体(211)顶部的第二压片(212)，所述第二托体(211)包括承载部(2111)和形成于所述承载部(2111)上的两个间隔的凸台(2112)；每个所述凸台(2112)上形成有凹陷的第二台阶部，两个所述凸台(2112)的第二台阶部朝向彼此设置，所述第二压片(212)的一端固定在所述凸台(2112)上，所述第二压片(212)的另一端朝向对侧的凸台(2112)延伸，并伸出其所在的凸台(2112)，与其下方的第二台阶部围成所述第二插槽(C2)。
8.根据权利要求7所述的真空互联系统，其特征在于，所述第二托体(211)还包括与所述承载部(2111)的一端相连的抓取头(2113)，所述抓取头(2113)沿所述凸台(2112)的长度方向与所述凸台(2112)间隔设置。
9.一种转移真空样品托，用于超低温扫描隧道显微镜中，其特征在于，包括间隔设置的两块第一托体组件(11)，每块所述第一托体组件(11)上开设有第一插槽(C1)，两块所述第一托体组件(11)正对设置，且两个所述第一插槽(C1)正对且延伸方向相同，形成供小样品托(30)的宽度方向的两侧插入的空间。
10.一种转移真空样品托，用于四探针扫描隧道显微镜中，其特征在于，包括第二托体组件(21)，所述第二托体组件(21)上开设有正对设置的一对第二插槽(C2)，两个所述第二插槽(C2)的延伸方向相同，形成供小样品托(30)的宽度方向的两侧插入的空间。
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