CN206740683U - 一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪。包括四个纳米操纵器，扫描电镜磁阻测量样品台，底座，PCB电路板；四个纳米操纵器组装在底座的四边，底座中间安装磁输运特性测量仪器，底座下固定PCB电路板；PCB电路板用于纳米操纵器原位磁输运性质测量仪的线路布局。本实用新型的极大地减小了纳米操纵器z轴的重力影响，使得压电陶瓷片提供的驱动力能够大于重力，所以纳米操纵器在z轴方向上可以平稳运动，实现了纳米操纵器全面、高精度的运动。本实用新型专门在所加磁化样品台的线圈部分设计了防漏磁装置，使得磁化样品台的漏磁可以忽略不计。

Description

一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪

技术领域

本实用新型属于磁学及磁性材料领域，尤其涉及一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪。

背景技术

就目前的电镜原位研究而言，大部分工作仅仅局限于材料的力学、光学、热学和电学等性能，而与磁学性质相关的研究少之又少，仅仅在透射电子显微镜中有少量的报道。可是，磁学的出现和发展对整个自然科学的发展意义重大，尤其是自1988年Fert教授首次发现金属Fe/Cr多层薄膜中的巨磁阻效应(GMR)以后[3]，这一领域的基础研究和工程应用在全球范围内有了很大的突破，并获得了巨大的成就。

磁电阻效应是磁结构单体最重要的物理效应之一。近三十年来，对磁电阻效应的不断研究和应用不仅诞生了与电子自旋相关的自旋电子学理论，同时也促进了磁电子学器件的快速发展，形成了今天规模庞大的高科技产业。随着各种器件基本结构单元的逐渐微型化发展，如磁阻传感器、磁随机存储器等器件的微型化，迫切需要在电镜中对单个磁结构单元实现全程实时、动态化原位读写等物理过程测量与记录的磁输运测量仪，以便我们能够更加直观、更加全面的了解和研究电子器件基本单元的工作原理，以及不同单元器件之间的相互影响，为推动自旋电子学基础研究的发展以及为未来设计更好的电子学器件提供基础和可能。

电子显微镜原位纳米操纵器的问世，使得专门用于微/纳米空间上纳米单体磁输运性质测量仪器的研发成为了可能。这套测量系统将具有价格低、效率高以及可控性好的特点，并可实现对测量过程和结果实时、动态和图像化的记录和分析，方便、快捷、准确地实现各领域的磁输运测量。这一设备的研发有望替代耗资巨大的半导体微加工实验，有效地解决磁性纳米材料、磁电子学和半导体自旋电子学三个领域中材料单体、器件单元在微/纳米尺度上直接、直观的磁输运性质测量问题。

扫描电镜原位纳米操纵器控制材料运动的精度最高可达0.4nm。对纳米操纵器的z轴运动调控是技术难点之一。z轴运动部件的质量太大，压电陶瓷片提供的驱动力不能大于自身重力，所以z轴很难运动。导致现有技术设计的z轴运动不理想。扫描电镜加磁场样品台漏磁对扫描电镜成像部分的影响又是一大技术难点。漏磁导致在扫描电镜下成像时，由于漏磁对电子束像散影响太大，并不能清晰的成像。

发明内容

本实用新型针对上述三个领域急需解决的纳米尺度下磁输运性质的测量问题，改善设计、制造出了一套能安装到扫描电子显微镜上的专门用于实时、动态、图像化测量磁输运性质的前沿科学仪器系统。它主要包含两个核心部分：能够对样品进行磁化、同时能任意调节外磁场方向和样品间角度的扫描电镜磁阻测量样品台，和能够导入、导出电输运测量信号的扫描电镜原位纳米操纵器。

一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪包括四个纳米操纵器，磁输运特性测量仪器，底座，PCB电路板；四个纳米操纵器组装在底座的四边，底座中间安装磁输运特性测量仪器，底座下固定PCB电路板；PCB电路板用于纳米操纵器原位磁输运性质测量仪的线路布局。

优选的，所述的磁输运特性测量仪器包括样品台、卡台、旋转体、压电陶瓷片和氧化铝片组合体、磁罩、电磁线圈、铁磁体、旋转轴、和仪器底座；所述的旋转体通过旋转轴与仪器底座相连，旋转体上设置铁磁体；铁磁体上缠绕电磁线圈；铁磁体内设置卡台，卡台上设置样品台；铁磁体外围设置磁罩，磁罩底部与旋转体连接；样品台台面穿出旋转体和磁罩；所述的仪器底座上设有凹槽，凹槽内设置有压电陶瓷片和氧化铝片组合体。

优选的，所述的纳米操纵器包括X轴运动装置、Y轴运动装置、Z轴运动装置、四电极压电陶瓷管、铜管和针尖；X轴运动装置、Y轴运动装置、Z轴运动装置均包括运动轨道、压电陶瓷和运动块；压电陶瓷设置在运动轨道上，通过给压电陶瓷施加脉冲电压驱动运动块在运动轨道上运动；所述的Y轴运动装置设置在X轴运动装置的运动块上，Z轴运动装置设置在Y轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管设置在Z轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管驱动铜管在小范围内运动，铜管的运动带动针尖运动。

本实用新型的纳米操纵器将y轴和z轴进行了调换，极大地减小了z轴的重力影响，使得压电陶瓷片提供的驱动力能够大于重力，所以纳米操纵器在z轴方向上可以平稳运动，实现了纳米操纵器全面、高精度的运动。本实用新型将磁场引入扫描电子显微镜，实现纳米空间上的实时、动态、图像化磁输运性质测量，降低磁电子学、半导体自旋电子学和磁性纳米单体三个领域的样品测量成本，实现定点、快速、直观、全程监控且物性测量。本实用新型专门在所加磁化样品台的线圈部分设计了防漏磁装置，使得磁化样品台的漏磁可以忽略不计。

附图说明

图1为本实用新型纳米操纵器原位磁输运性质测量仪的俯视图；

图2为本实用新型纳米操纵器原位磁输运性质测量仪的结构示意图；

图3为本实用新型扫描电镜磁阻测量样品台的结构示意图；

图4为本实用新型扫纳米操纵器的结构示意图；

图中、纳米操纵器1、扫描电镜磁阻测量样品台2、底座3、PCB电路板4、样品台面5、卡台6、旋转体7、压电陶瓷片和氧化铝片组合体8、磁罩9、电磁线圈10、铁磁体11、旋转轴12、仪器底座13、X轴运动装置14、Y轴运动装置15、Z轴运动装置16、四电极压电陶瓷管17、铜管18、针尖19。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本实用新型做进一步说明。

如图1和2所示，本实用新型的一种纳米操纵器1原位磁输运性质测量仪包括四个纳米操纵器1，磁输运特性测量仪器，底座3，PCB电路板4；四个纳米操纵器1组装在底座3的四边，底座3中间安装磁输运特性测量仪器，底座3下固定PCB电路板4；PCB电路板4用于纳米操纵器1原位磁输运性质测量仪的线路布局。

如图3所示，所述的磁输运特性测量仪器包括样品台、卡台6、旋转体7、压电陶瓷片和氧化铝片组合体8、磁罩9、电磁线圈10、铁磁体11、旋转轴12、和仪器底座13；所述的旋转体7通过旋转轴12与仪器底座13相连，旋转体7上设置铁磁体11；铁磁体11上缠绕电磁线圈10；铁磁体11内设置卡台6，卡台6上设置样品台；铁磁体11外围设置磁罩9，磁罩9底部与旋转体7连接；样品台台面穿出旋转体7和磁罩9；所述的仪器底座13上设有凹槽，凹槽内设置有压电陶瓷片和氧化铝片组合体8。

如图4所示，所述的纳米操纵器包括X轴运动装置14、Y轴运动装置15、Z轴运动装置16、四电极压电陶瓷管17、铜管18和针尖19；X轴运动装置、Y轴运动装置、Z轴运动装置均包括运动轨道、压电陶瓷和运动块；压电陶瓷设置在运动轨道上，通过给压电陶瓷施加脉冲电压驱动运动块在运动轨道上运动；所述的Y轴运动装置设置在X轴运动装置的运动块上，Z轴运动装置设置在Y轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管设置在Z轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管驱动铜管在小范围内运动，铜管的运动带动针尖运动。

将x轴固定在扫描电镜样品台上。给压电陶瓷加上一个脉冲信号，由于脉冲信号的周期和压电陶瓷的伸缩时长之间有一定的弛豫，会产生迟滞误差，且压电陶瓷的变形量与输入电压之间是非线性关系，将产生非线性误差。为了避免这些误差，提高纳米操纵器的运动精度，设计使得脉冲电压的运动周期和压电陶瓷片的伸缩周期刚好相符合。同时，在操纵器运动的过程中，可以选择单向运动方式，如给x轴的压电陶瓷片加一个脉冲信号，使压电陶瓷片沿着x轴方向伸长，它的伸长会给x轴运动轨道施加一个惯性作用，如果此时惯性作用大于摩擦力的作用，就会使其带动纳米操纵器x部分沿着x轴运动。在这个过程中，采用了表面光滑和平整的三氧化二铝薄片，由于三氧化二铝薄片的表面平整、具有较大的弹性模量且在轨道内有小的接触面积，可以防止漂移，因此能够通过控制摩擦力的作用、惯性作用和平整度，来控制运动轨道作直线运动。运用脉冲信号使x,y,z轴运动当观察到针尖靠近样品时，纳米操纵器暂停运动，然后启动四电极压电陶瓷管运动，四电极压电陶瓷管的伸长范围很小但是精度很高，并且能够发生偏转，因此就可以通过四电极压电陶瓷管驱动铜管在很小的范围内运动，铜管的运动会带动针尖的运动，最终会使得针尖与样品之间有很好的接触，这样就可以应用针尖来操纵样品。为了满足不同的使用环境需求，我们设计了可以更换长度的铜管。

磁化样品台中产生磁场的设计原理与电磁铁相似，即在高磁导率的铁磁体的外部缠绕与其相匹配的电磁线圈，通有电流的线圈产生的磁场就可以磁化铁磁体，使之产生一个较大的磁场。在这个过程中，面临的一个技术难点就是磁化样品台的漏磁会对扫描电镜的成像质量产生影响。在之前的现有技术中并没有完全解决这个问题，导致在扫描电镜下成像时，由于漏磁对电子束像散影响太大，并不能清晰的成像，而在此项设计中我们完全解决了这个问题。在设计之前，首先需要从理论上对其进行分析，提出可靠的解决方案，以防止磁化样品台对扫描电镜的破坏。扫描电镜磁透镜的磁场方向与扫描电镜加上磁化样品台后产生的磁场方向互相垂直，二者之间的互相影响很小。通过定量计算，磁化样品台产生的磁场大小为1000Oe，假设两磁场之间的夹角为85°，磁化样品台的漏磁场大小约为87Oe(1000×sin5)。而磁化样品台到扫描电镜磁透镜极靴的工作距离通常是3～4cm，磁场强度的大小与距离的平方成反比，因此，87Oe的漏磁场到达极靴处时已经变得极小。即使87Oe的漏磁场全部到达极靴处，扫描电镜磁透镜的磁场通常是2T，漏磁场只有磁透镜产生磁场大小的0.44％，因此，磁化样品台的漏磁场对扫描电镜磁透镜的影响几乎可以忽略不计。与此同时，为了安全保障，专门在所加磁化样品台的线圈部分设计了防漏磁装置，使得磁化样品台的漏磁可以更加忽略不计。根据以上分析，应用Solidworks和Autodesk Inventor软件设计了磁化样品台。

用仪器底座代替扫描电镜中原有的样品台，将其设计成圆柱状，然后将里面掏成凹槽，加工成螺母，在凹槽里面粘贴块三氧化二铝片和压电陶瓷片组合体，以使旋转体能够做圆周运动。将带有螺母的卡台放在旋转体的上方，然后用带有螺纹的旋转轴把底部和旋转体连接起来。整体装配好之后，我们给压电陶瓷堆(三氧化二铝片和压电陶瓷片组合体)加上一个脉冲信号，它们将朝着各自的切线方向伸长，这一伸长会给旋转体一个惯性作用，如果此时惯性作用大于摩擦力的作用，就会使其带动旋转体绕旋转轴运动。旋转体做圆周运动，因此能够很好的协调控制摩擦作用、惯性作用和平整度，进而可以达到旋转体运动的高精度目标。磁化样品台产生磁场的部分置于旋转体的上部，将其设计成两个凸台，铁芯磁极上缠绕了线圈，磁极的端面被设计成一个尖状，以增大产生的磁场。之后，利用压电陶瓷片(三氧化二铝片和压电陶瓷片组合体)驱动旋转体运动，找到目标样品，然后给线圈通入电流，产生的磁场施加在纳米单体上，就可以实现对纳米单体的磁化。同时为了避免磁化样品台对扫描电镜的成像质量造成影响，我们设计了磁屏蔽罩，将其安装于铁磁体的周围，成功对漏磁进行了屏蔽。综上所述，我们设计出了高运动精度、无漏磁以及能在局域产生较大磁场的磁化样品台。

Claims (3)

1.一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪，其特征在于包括四个纳米操纵器，扫描电镜磁阻测量样品台，底座，PCB电路板；四个纳米操纵器组装在底座的四边，底座中间安装磁输运特性测量仪器，底座下固定PCB电路板；PCB电路板用于纳米操纵器原位磁输运性质测量仪的线路布局。

2.根据权利要求1所述的纳米操纵器原位磁输运性质测量仪，其特征在于所述的扫描电镜磁阻测量样品台包括样品台面、卡台、旋转体、压电陶瓷片和氧化铝片组合体、磁罩、电磁线圈、铁磁体、旋转轴、和仪器底座；所述的旋转体通过旋转轴与仪器底座相连，旋转体上设置铁磁体；铁磁体上缠绕电磁线圈；铁磁体内设置卡台，卡台上设置样品台面；铁磁体外围设置左右两个磁罩，两个磁罩与旋转体连接；样品台面穿出铁磁体且位于两个磁罩的中间；所述的仪器底座上设有凹槽，凹槽内设置有压电陶瓷片和氧化铝片组合体。

3.根据权利要求1所述的纳米操纵器原位磁输运性质测量仪，其特征在于所述的纳米操纵器包括X轴运动装置、Y轴运动装置、Z轴运动装置、四电极压电陶瓷管、铜管和针尖；X轴运动装置、Y轴运动装置、Z轴运动装置均包括运动轨道、压电陶瓷和运动块；压电陶瓷设置在运动轨道上，通过给压电陶瓷施加脉冲电压驱动运动块在运动轨道上运动；所述的Y轴运动装置设置在X轴运动装置的运动块上，Z轴运动装置设置在Y轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管设置在Z轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管驱动铜管在小范围内运动，铜管的运动带动针尖运动。