ES2396331A1 - Positioning device for microscopes operable in cryogenic environments (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2396331A1 ES201031456A ES201031456A ES2396331A1 ES 2396331 A1 ES2396331 A1 ES 2396331A1 ES 201031456 A ES201031456 A ES 201031456A ES 201031456 A ES201031456 A ES 201031456A ES 2396331 A1 ES2396331 A1 ES 2396331A1
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Abstract

The present invention provides a positioning device that has a high mechanical stability so it can be incorporated in a local probe microscope, being operable in cryogenic environments, especially at low temperatures, at very low temperatures, and at temperatures less than 100 mk, and additionally in the presence of high magnetic fields. The device comprises a solidary base of the local probe microscope, a sample holder, a guiding means between the base and the sample holder and an actuator located outside the low temperature enclosure. Thermally insulating force transmitting means transmit the impulse from the actuator to the sample holder. The friction between the base and the sample holder is minimized to the maximum. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

OBJETO DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION

La presente invención proporciona un dispositivo posicionador que presen-ta una alta estabilidad mecánica por lo que puede ser incorporado en un microscopio de sonda local, siendo operable en entornos criogénicos, en especial a bajas tempera-turas, a muy bajas temperaturas, y a temperaturas menores que 100 mK y en presen-cia de altos campos magnéticos. The present invention provides a positioning device that has high mechanical stability and can therefore be incorporated into a local probe microscope, being operable in cryogenic environments, especially at low temperatures, at very low temperatures, and at lower temperatures than 100 mK and in the presence of high magnetic fields.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION

Los dispositivos de posicionamiento son especialmente útiles en aquellas aplicaciones que requieren la manipulación espacial de objetos en entornos donde el acceso a los componentes no es posible o deseable. Positioning devices are especially useful in those applications that require spatial manipulation of objects in environments where access to components is not possible or desirable.

Cuando estos dispositivos se implementan en entornos que se encuentran a muy baja presión (alto vacío p < 10-6 mbar, ultra alto vacío p < 10-9 mbar, vacío criogénico), con altos campos magnéticos (H-1-20 T) o en entornos criogénicos -especialmente a bajas temperaturas (T < 4.2 K) y muy bajas temperaturas (T < 1.2 K) -,se plantean restricciones propias de la adaptación en dichos entornos extremos, y los dispositivos deben adaptarse para superar los problemas específicos de los mismos. En adelante se denominarán como "temperaturas criogénicas" a aquellas temperaturas por debajo de 10 K y que comprenden los rangos de bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y temperaturas por debajo de 100 mK. When these devices are implemented in environments that are at very low pressure (high vacuum p <10-6 mbar, ultra high vacuum p <10-9 mbar, cryogenic vacuum), with high magnetic fields (H-1-20 T) o In cryogenic environments -especially at low temperatures (T <4.2 K) and very low temperatures (T <1.2 K) - adaptation constraints arise in such extreme environments, and devices must be adapted to overcome the specific problems of the same. Hereinafter, "cryogenic temperatures" are those temperatures below 10 K and that include the ranges of low temperatures, very low temperatures and temperatures below 100 mK.

Además, es necesario tener en cuenta condicionantes adicionales en aque-llos dispositivos que son útiles para su aplicación en el campo de las microscopías de barrido de sonda local (del inglés "Scanning Probe Microscopy", SPM), como la micros-copía de efecto túnel (del inglés "Scanning Tunneling Microscopy", STM), la familia de microscopías de fuerzas atómicas (del inglés "Atomic Force Microscopy", AFM) o las microscopías de campo óptico cercano (del inglés "Scanning Near-field Optical Micras-copy'', SNOM). Estas técnicas de microscopía se emplean para estudiar y caracterizar muestras utilizando la información proporcionada por la interacción local entre una sonda y una muestra. A modo de ejemplo, en una implementación típica de un STM la sonda es una punta metálica y la muestra es una superficie conductora. Dependiendo de los requerimientos de la muestra a estudiar, es necesario adaptar estos instrumen-tos para que tengan una estabilidad mecánica alta. Así, aplicaciones como la topografía de superficies con resolución atómica necesitan conseguir típicamente medidas con precisión de picometros. Furthermore, it is necessary to take into account additional conditioning factors in those devices that are useful for their application in the field of local scanning scanning microscopes (SPM), such as effect microscopy. tunnel (English "Scanning Tunneling Microscopy", STM), the family of atomic force microscopies (AFM) or near optical field microscopy (English "Scanning Near-field Optical Micras-copy These microscopy techniques are used to study and characterize samples using the information provided by the local interaction between a probe and a sample. For example, in a typical implementation of an STM the probe is a metal tip and the sample is a conductive surface. Depending on the requirements of the sample to be studied, it is necessary to adapt these instruments to have a high mechanical stability. Thus, applications such as topog Raphy of surfaces with atomic resolution typically need to achieve measurements with picometer precision.

El tamaño de la región que puede ser estudiada con estos microscopios está limitado por el desplazamiento lateral máximo de la sonda respecto a la muestra que permite el sistema de barrido (típicamente del orden de las micras). Esta región pequeña, en adelante "región de observación", comprende una zona de estudio cuya superficie varía desde la escala atómica (-10-20 m2) hasta el rango de los micrómetros The size of the region that can be studied with these microscopes is limited by the maximum lateral displacement of the probe with respect to the sample allowed by the scanning system (typically on the order of microns). This small region, hereinafter "observation region", comprises a study area whose surface varies from the atomic scale (-10-20 m2) to the range of the micrometers

(-10-12 2 (-10-12 2

m ) dependiendo de la implementación particular de la técnica. Para realizar este movimiento se utiliza un actuador que permite mover la sonda con respecto a la muestra, generalmente realizando un barrido. A este actuador se le suele designar con el término del inglés "scanner". Dicho actuador de barrido o scanner se suele imple-mentar mediante tubos de material piezoeléctrico adaptados para proporcionar mo-vimiento en las tres direcciones espaciales, conocidos comúnmente como "piezotubos". m) depending on the particular implementation of the technique. To carry out this movement, an actuator is used that allows the probe to be moved with respect to the sample, generally performing a sweep. This actuator is usually referred to by the English term "scanner". Said sweeping actuator or scanner is usually implemented by means of tubes of piezoelectric material adapted to provide movement in the three spatial directions, commonly known as "piezotubes".

Se presenta por tanto la necesidad de proporcionar un dispositivo posicio-nador que pueda ser adaptado para posicionar una o varias muestras a distancias sufi-cientemente grandes tal que permitan desplazar dichas muestras dentro de la región de observación de un microscopio. Para ello, los dispositivos de posicionamiento de-ben ofrecernos la posibilidad de realizar trayectos del orden de mm con al menos pre-cisión sub-micrométrica, alta estabilidad mecánica y posibilidad de manejo a distancia. There is therefore a need to provide a positioning device that can be adapted to position one or more samples over sufficiently large distances such that these samples can be moved within the observation region of a microscope. For this, the positioning devices must offer us the possibility of making paths on the order of mm with at least sub-micrometer precision, high mechanical stability and the possibility of remote control.

En el estado de la técnica es posible encontrar dispositivos de posiciona-miento basados en motores piezoeléctricos. Podemos distinguir aquellas enseñanzas técnicas dirigidas a motores piezoeléctricos que mueven una pieza u objeto móvil pe-queño, tal como un portamuestras, basándose en la inercia del mismo. En estos siste-mas el objeto móvil pequeño se desplaza respecto a su actuador cuando a éste se le suministra un voltaje que varía con el tiempo en dos fases. En una primera fase el pie-zoeléctrico se deforma una distancia a un ritmo suficientemente lento arrastrando al objeto móvil con el actuador gracias a la fuerza de fricción (estática) entre el actuador y el objeto móvil. A continuación, en un segunda fase, el actuador invierte el sentido del movimiento para retrotraerse de una manera suficientemente rápida como para In the state of the art it is possible to find positioning devices based on piezoelectric motors. We can distinguish those technical teachings directed at piezoelectric motors that move a small moving part or object, such as a specimen holder, based on its inertia. In these systems, the small moving object moves with respect to its actuator when it is supplied with a voltage that varies over time in two phases. In a first phase the foot-zoelectric deforms a distance at a slow enough rate dragging the moving object with the actuator thanks to the friction force (static) between the actuator and the moving object. Then, in a second phase, the actuator reverses the direction of movement to roll back quickly enough to

que el objeto móvil se deslice con respecto al actuador. Repitiendo esta secuencia es the moving object to slide relative to the actuator. Repeating this sequence is

posible desplazar objetos pequeños. En estos sistemas es crítico el ajuste de la fuerza possible to move small objects. Force adjustment is critical in these systems.

de fricción entre el actuador y objeto móvil. Es importante que la fuerza de fricción of friction between the actuator and moving object. It is important that the friction force

estática sea significativamente menor que la fuerza de fricción dinámica en el rango de static is significantly less than the dynamic friction force in the range of

5 5
frecuencias en el que se retrotrae el actuador. El uso de lubricantes, junto la elección frequencies at which the actuator is retracted. The use of lubricants, together the choice

de una relación de masas entre el objeto móvil y el actuador, son aspectos claves para of a mass relationship between the moving object and the actuator are key aspects for

construir un sistema operativo. Además, estos dispositivos pueden dar lugar a unta-build an operating system. Furthermore, these devices can give rise to

maño de paso que no sea fácilmente reproducible, al depender de varios parámetros step hand that is not easily reproducible, depending on various parameters

como la masa, la forma de la superficie o la orientación del peso y del plano de frie-such as mass, surface shape, weight orientation, and friction plane

lO the
ción. tion.

Los motores piezoeléctricos de pasos (conocidos por el término del inglés Piezoelectric stepper motors (known by the English term

"stepper") son capaces de trasladar objetos pequeños realizando una pluralidad de "stepper") are capable of moving small objects making a plurality of

pasos. Este tipo de motores de pasos son operables en entornos como los anterior-Steps. This type of stepper motors are operable in environments like the above-

15 fifteen
mente citados, siendo posible implementar sistemas de posicionamiento adecuados cited, being possible to implement suitable positioning systems

para su uso en microscopías de sonda local. for use in local probe microscopy.

Mediante un conjunto de actuadores piezoeléctricos es posible mover la By means of a set of piezoelectric actuators it is possible to move the

pieza u objeto móvil de pequeño tamaño. Para ello un conjunto de actuadores se dis-small-sized moving part or object. For this, a set of actuators is arranged

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ponen en contacto con el objeto móvil de pequeño tamaño. Cada actuador está ali- they contact the small moving object. Each actuator is supplied

mentado por una señal eléctrica siendo posible deformar cada actuador piezoeléctrico Mentioned by an electrical signal being possible to deform each piezoelectric actuator

individualmente. De esta forma, la deformación de cada actuador permite implemen-individually. In this way, the deformation of each actuator allows implemen-

tar movimientos colectivos y movimientos individuales. Durante el movimiento colec-tar collective movements and individual movements. During the collecting movement

tivo se mueven todos los actuadores a una velocidad suficientemente lenta como para All actuators move at a speed slow enough to

25 25
que el objeto móvil se desplace con ellos debido a que la relación entre la fricción y la the moving object to move with them because the relationship between friction and

inercia permite que no se produzca deslizamiento entre el objeto móvil y el actuador. inertia allows no slippage between the moving object and the actuator.

Durante el movimiento individual un actuador o grupo de actuadores realizan un mo-During individual movement an actuator or group of actuators perform a

vimiento suficientemente rápido en el que el objeto móvil de pequeño tamaño se des-fast enough speed in which the small moving object is unfolded

liza con respecto a cada actuador o grupo de actuadores. Cada actuador o grupo de Use with respect to each actuator or group of actuators. Each actuator or group of

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actuadores actúa individualmente mientras que el resto permanecen estáticos propor- actuators act individually while the rest remain static proportionate

cionando una oposición debido a la fricción estática entre el objeto móvil y el resto de citing an opposition due to static friction between the moving object and the rest of

actuadores. actuators.

Otros motores que utilizan piezoeléctricos conocidos como "lnchworms" Other engines that use piezoelectrics known as "lnchworms"

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utilizan un elemento piezoeléctrico cilíndrico. Estos motores se basan en una secuencia they use a cylindrical piezoelectric element. These motors are based on a sequence

de pasos que comprende la contracción de un elemento piezoeléctrico cilíndrico para of steps comprising the contraction of a cylindrical piezoelectric element to

atrapar un objeto móvil, generalmente situado de forma coaxial. En un paso siguiente catch a moving object, usually located coaxially. In a next step

se induce una deformación axial en el elemento piezoeléctrico cilíndrico paralela a su generatriz que traslada al objeto móvil una distancia en la dirección de la generatriz. A continuación, se produce una deformación axial que aumenta el diámetro del elemen-to piezoeléctrico cilíndrico que permite soltar el objeto móvil. Al realizar esta secuencia de pasos es posible mover dicho objeto de forma reproducible a lo largo de una direc-ción paralela a la generatriz del piezotubo. an axial deformation is induced in the cylindrical piezoelectric element parallel to its generatrix that translates a distance in the direction of the generatrix to the moving object. Next, an axial deformation occurs that increases the diameter of the cylindrical piezoelectric element that allows the mobile object to be released. By carrying out this sequence of steps, it is possible to move said object reproducibly along a direction parallel to the generatrix of the piezotube.

Todos estos motores se basan en la deformación de un elemento piezo-eléctrico. Sin embargo, los elementos piezoeléctricos presentan pérdidas, intrínsecas a los materiales piezoeléctricos. Estas pérdidas son mayores en las cerámicas piezoeléc-tricas, que son los materiales que mayor valor tecnológico presentan a priori para im-plementar un dispositivo posicionador ya que tienen un mayor valor de coeficiente piezoeléctrico, y por tanto son capaces de proporcionar el mayor rango de desplaza-mientos. All these motors are based on the deformation of a piezo-electric element. However, the piezoelectric elements present losses, intrinsic to the piezoelectric materials. These losses are greater in piezoelectric ceramics, which are the materials that have the highest technological value a priori to implement a positioning device since they have a higher value of piezoelectric coefficient, and therefore are capable of providing the largest range of displacements.

Las pérdidas más relevantes para un actuador se producen al aplicar un campo eléctrico dentro del piezoeléctrico para provocar una deformación del mismo. Estas pérdidas se traducen en una disipación de energía en forma de calor. Así, en los dispositivos posicionadores presentes en el estado de la técnica, cada paso provoca un calentamiento en una zona cercana a la muestra. Estas pérdidas resultan en un calen-tamiento al mover la pieza u objeto móvil que se incrementa con el número de pasos a realizar. En los dispositivos de posicionamiento presentes en el estado de la técnica la potencia disipada en forma de calor puede alcanzar de forma habitual valores en el rango de las decenas de milivatios. Estos valores de potencia disipada son muy supe-riores a la capacidad de enfriamiento que presentan las técnicas de refrigeración que permiten alcanzar temperaturas criogénicas. Así, cuando se requiere realizar una ob-servación a temperaturas criogénicas, el calentamiento debido a esta disipación en forma de calor se traduce en un aumento significativo de la temperatura de la tempe-ratura de la muestra. The most relevant losses for an actuator are produced by applying an electric field inside the piezoelectric to cause its deformation. These losses translate into energy dissipation in the form of heat. Thus, in the positioning devices present in the state of the art, each step causes heating in an area close to the sample. These losses result in heating when moving the moving part or object, which increases with the number of steps to be performed. In positioning devices present in the state of the art, the power dissipated in the form of heat can usually reach values in the range of tens of milliwatts. These dissipated power values are much higher than the cooling capacity of the refrigeration techniques that allow cryogenic temperatures to be reached. Thus, when it is required to carry out observation at cryogenic temperatures, heating due to this dissipation in the form of heat translates into a significant increase in the temperature of the sample temperature.

El desplazamiento que es capaz de proporcionar un actuador piezoeléctrico depende del coeficiente piezoeléctrico, y disminuye con la temperatura según el mate-rial utilizado como piezoeléctrico. Así, según se disminuye la temperatura de operación se disminuye el desplazamiento máximo proporcionado por cada actuador en mayor o menor medida dependiendo del piezoeléctrico y de la configuración del actuador. Por ejemplo, la relación entre el desplazamiento y el voltaje aplicado en un actuador de cizalla puede llegar típicamente a reducirse a bajas temperaturas a una cuarta parte del que se observa a temperatura ambiente, disminuyendo aún más a muy bajas tem-peraturas. Este fenómeno hace necesario aumentar el número de pasos a realizar para desplazar el objeto la misma distancia, lo que aumenta el calor disipado por el actua-dor. Por tanto, las pérdidas son más importantes cuando menor es el desplazamiento máximo proporcionado por cada actuador. The displacement that a piezoelectric actuator is capable of providing depends on the piezoelectric coefficient, and decreases with temperature depending on the material used as the piezoelectric. Thus, as the operating temperature is decreased, the maximum displacement provided by each actuator is decreased to a greater or lesser extent depending on the piezoelectric and the actuator configuration. For example, the ratio of displacement to applied voltage in a shear actuator can typically drop to a quarter of what is observed at room temperature at low temperatures, further decreasing at very low temperatures. This phenomenon makes it necessary to increase the number of steps to be taken to move the object the same distance, which increases the heat dissipated by the actuator. Therefore, the losses are more important when less is the maximum displacement provided by each actuator.

Para alcanzar estas temperaturas en necesario utilizar técnicas criogénicas que implican el uso de un refrigerador. El foco frío de un refrigerador se mantiene por debajo de una determinada temperatura a condición de que el calor generado por unidad de tiempo sea menor que un valor, llamado "potencia de refrigeración". Cuan-do un cuerpo o instrumento se sitúa en contacto térmico con el foco frío, éste adquie-re en equilibrio una temperatura que depende de la conductividad térmica del contac-to térmico, del calor que se genera en el instrumento y de la potencia de refrigeración del refrigerador. Es necesario proporcionar un contacto térmico que minimiza la dife-rencia de temperatura entre el foco frío y el cuerpo o instrumento en contacto térmi-co. A este proceso se le denomina "termalización". Típicamente, una termalización adecuada implica que la diferencia de temperatura entre el foco frío y el instrumento sea menor que un 1% de la temperatura del foco frío. La potencia de refrigeración y la termalización de un cuerpo o un instrumento disminuye según baja la temperatura del foco frío, dependiendo de la técnica de refrigeración utilizada, y por tanto empeora la termalización del instrumento. Una cota superior típica sería una potencia de enfria-miento del orden de 1 mW para un foco fria a 100 mK y una potencia de decenas de ~W para temperaturas menores de 100 mK. To reach these temperatures, it is necessary to use cryogenic techniques that involve the use of a refrigerator. The cold focus of a refrigerator is kept below a certain temperature provided that the heat generated per unit of time is less than a value, called "cooling power". When a body or instrument is placed in thermal contact with the cold focus, it acquires in equilibrium a temperature that depends on the thermal conductivity of the thermal contact, the heat generated in the instrument and the power of refrigerator cooling. It is necessary to provide a thermal contact that minimizes the temperature difference between the cold focus and the body or instrument in thermal contact. This process is called "thermalization". Typically, proper thermalization implies that the temperature difference between the cold focus and the instrument is less than 1% of the cold focus temperature. The cooling power and thermalization of a body or an instrument decreases as the cold focus temperature decreases, depending on the refrigeration technique used, and therefore the thermalization of the instrument worsens. A typical upper bound would be a cooling power of the order of 1 mW for a cold focus at 100 mK and a power of tens of ~ W for temperatures less than 100 mK.

Un tipo de refrigerador capaz de enfriar objetos a estas temperaturas es el refrigerador de dilución de 3 He en 4 He. Con un refrigerador de dilución es posible al-canzar muy bajas temperaturas y temperaturas menores que 100 mK teniendo una temperatura base operativa típicamente en el rango de decenas de milikelvin. Esta temperatura base depende tanto de su diseño como del modo de operación, siendo una cota inferior típica 5 m K. La potencia de refrigeración de estos refrigeradores de dilución no disminuye de forma tan abrupta con la temperatura respecto a otras técni-cas de refrigeración criogénica en el rango de las muy bajas temperaturas, siendo ca-paces de proporcionar potencias de enfriamiento o refrigeración superiores a otros tipos de refrigeradores por debajo de unos 400 m K. One type of refrigerator capable of cooling objects at these temperatures is the 3 He to 4 He dilution refrigerator. With a dilution cooler it is possible to reach very low temperatures and temperatures below 100 mK having an operating base temperature typically in the tens of millikelvin range. This base temperature depends both on its design and on the mode of operation, with a typical lower elevation of 5 m K. The refrigeration power of these dilution refrigerators does not decrease as abruptly with temperature compared to other cryogenic refrigeration techniques. in the range of very low temperatures, being able to provide higher cooling or cooling powers than other types of coolers below about 400 m K.

El funcionamiento de un refrigerador de dilución puede prolongarse en principio durante largos periodos de tiempo al ser un ciclo cerrado. No obstante, un diseño muy usual de un refrigerador de dilución incorpora un baño 4He líquido. En este caso el tiempo de operación a temperaturas criogénicas está muchas veces limitado por la cantidad de 4He y el consumo de 4He del refrigerador. Este consumo de 4He se ve incrementado si se utilizan altos campos magnéticos (H -1-20 T), proporcionados por un imán en el estado superconductor que también se encuentra a bajas tempera-turas sumergido en el baño de 4He. Por tanto es deseable proporcionar un diseño que reduzca el tiempo necesario para termalizar aquellos componentes a enfriar a tempe-raturas criogénicas (tiempo de enfriamiento, Te). The operation of a dilution refrigerator can be prolonged in principle for long periods of time as it is a closed cycle. However, a very typical design of a dilution refrigerator incorporates a liquid 4He bath. In this case, the operating time at cryogenic temperatures is often limited by the amount of 4He and the consumption of 4He in the refrigerator. This 4He consumption is increased if high magnetic fields (H -1-20 T) are used, provided by a magnet in the superconducting state that is also at low temperatures submerged in the 4He bath. Therefore it is desirable to provide a design that reduces the time required to thermalize those components to be cooled to cryogenic temperatures (cool down time, Te).

Estas limitaciones de potencia hacen necesario utilizar diseños y materiales en los dispositivos que son operables a bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y a temperaturas menores que 100 mK, adaptados para permitir que se produzca una termalización adecuada de los mismos con la potencia de refrigeración suministrada por el foco fria del refrigerador. Los objetos a enfriar deben tener una capacidad ca-lorífica adecuada al refrigerador, y deben estar en contacto térmico con el foco fria. En el estado de la técnica se recomienda para estas aplicaciones el uso de materiales buenos conductores del calor, como el cobre, la plata y aquellas aleaciones que son especialmente adecuadas a bajas temperaturas, a muy bajas temperaturas, y a tempe-raturas menores que 100 mK. Esta selección se basa en que la conductividad térmica sea la más alta posible y el calor específico el más bajo posible. These power limitations make it necessary to use designs and materials in the devices that are operable at low temperatures, very low temperatures and temperatures below 100 mK, adapted to allow adequate thermalization of the devices with the cooling power supplied by the device. Cold focus from the refrigerator. The objects to be cooled must have an adequate heat capacity to the refrigerator, and must be in thermal contact with the cold source. In the state of the art it is recommended for these applications the use of good heat conducting materials, such as copper, silver and those alloys that are especially suitable at low temperatures, at very low temperatures, and at temperatures lower than 100 mK . This selection is based on the fact that the thermal conductivity is the highest possible and the specific heat is the lowest possible.

A la hora de la selección del material para las aplicaciones de microscopia es necesario tener en cuenta una restricción adicional. Muchos de los materiales que como el Cu presentan las mejores características térmicas en el rango de las tempera-turas criogénicas pero presentan, por el contrario, unas propiedades mecánicas que los hacen desaconseja bies desde el punto de vista de la estabilidad mecánica. A la hora de proporcionar condiciones de estabilidad mecánica, como la~ requeridas en las mi-croscopías de sonda local donde puede ser necesario resolver distancias con precisión de al menos decenas de picometros, es aconsejable utilizar materiales que permitan fabricar partes del microscopio de sonda local de forma que no se vean afectadas por las vibraciones del entorno. Estas consideraciones, están unidas a las dificultades para implementar sistemas de amortiguación pasivos en entornos extremos, haciendo ne-cesario un diseño de las partes de los microscopios que proporcione dicha estabilidad mecánica. When selecting the material for microscopy applications, an additional restriction must be taken into account. Many of the materials, such as Cu, have the best thermal characteristics in the cryogenic temperature range but, on the contrary, have mechanical properties that make them inadvisable from the point of view of mechanical stability. When providing mechanical stability conditions, such as ~ required in local probe microscopies where it may be necessary to accurately resolve distances of at least tens of picometers, it is advisable to use materials that allow parts of the local probe microscope to be manufactured so that they are not affected by the vibrations of the environment. These considerations are linked to the difficulties in implementing passive damping systems in extreme environments, making it necessary to design the parts of the microscopes that provide said mechanical stability.

Por último, los dispositivos de posicionamiento presentes en el estado de la técnica, incluyendo los descritos anteriormente, necesitan de lubricantes para regu-lar la fricción entre las piezas móviles. Cuando estos dispositivos operan en entornos criogénicos, hacen uso de lubricantes sólidos como el grafito o disulfuro de molibdeno que pueden reducir la fricción entre las piezas móviles incluso a temperaturas criogé-nicas. Finally, the positioning devices present in the state of the art, including those described above, require lubricants to regulate the friction between the moving parts. When these devices operate in cryogenic environments, they make use of solid lubricants such as graphite or molybdenum disulfide that can reduce friction between moving parts even at cryogenic temperatures.

En resumen, los dispositivos posicionadores en el estado de la técnica ba-sados en motores piezoeléctricos disipan energía en forma de calor como consecuen-cia de las pérdidas que se producen en un material piezoeléctrico. Esta disipación au-menta con el voltaje suministrado al actuador piezoeléctrico. Cuando se opera varian-do fuertemente el voltaje en el dispositivo repetidas veces, como en aquellos que ne-cesitan de varios ciclos para proporcionar un desplazamiento de un objeto, la disipa-ción aumenta. En consecuencia, los motores piezoeléctricos presentan evidentes des-ventajas cuando se requiere un control sobre la temperatura del objeto en entornos donde la potencia disponible para estabilizar la temperatura es limitada. In summary, the positioning devices in the state of the art based on piezoelectric motors dissipate energy in the form of heat as a consequence of the losses that occur in a piezoelectric material. This dissipation increases with the voltage supplied to the piezoelectric actuator. When operating by varying the voltage across the device repeatedly, as in those that require multiple cycles to provide displacement of an object, the dissipation increases. Consequently, piezoelectric motors have obvious disadvantages when control over the temperature of the object is required in environments where the power available to stabilize the temperature is limited.

Esta disipación de energía en el posicionador basado en piezoeléctricos es especialmente relevante cuando se necesita operar en el rango de bajas temperaturas, siendo crítica para operar muy bajas temperaturas, y aún más crítica según la tempera-tura desciende en hasta alcanzar temperaturas menores que 100 m K. Esto es debido a que la potencia de refrigeración disponible con las técnicas de refrigeración disminuye con la temperatura. Esta tendencia en la potencia de refrigeración es más abrupta por debajo de 1.2 K y se acentúa aún más por debajo de 100mK. This dissipation of energy in the piezoelectric-based positioner is especially relevant when it is necessary to operate in the low temperature range, being critical to operate at very low temperatures, and even more critical as the temperature drops to temperatures below 100 m. K. This is because the available cooling power with cooling techniques decreases with temperature. This trend in cooling power is more abrupt below 1.2 K and is further accentuated below 100mK.

Se hace por tanto necesario proporcionar un dispositivo posicionador ca-paz de operar en entornos extremos, que minimice la disipación por calor, que sea capaz de proporcionar un desplazamiento de un objeto a temperaturas criogénicas -comprendiendo los rangos de bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y tempera-turas por debajo de 100 mK-, y que sea adecuado para microscopios de sonda local. It is therefore necessary to provide a positioning device capable of operating in extreme environments, that minimizes heat dissipation, that is capable of providing an object to move at cryogenic temperatures - including the ranges of low temperatures, very low temperatures and temperatures below 100 mK-, and suitable for local probe microscopes.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invención proporciona un dispositivo posicionador capaz de operar en un microscopio de sonda local a temperaturas criogénicas. En un primer aspecto inventivo se proporciona un dispositivo posicionador definido por la reivindi-cación 1 independiente, que queda incorporada por referencia a la descripción. The present invention provides a positioning device capable of operating in a local probe microscope at cryogenic temperatures. In a first inventive aspect, a positioning device defined by independent claim 1 is provided, which is incorporated by reference to the description.

"Dispositivo posicionador para microscopios de sonda local, operable a temperaturas criogénicas para posicionar una muestra en una región de observación" "Positioning device for local probe microscopes, operable at cryogenic temperatures to position a sample in an observation region"

El dispositivo posicionador está adaptado para utilizarse en las condiciones que requiere su uso en un microscopio de sonda local, como un STM o un AFM. Así, el dispositivo posicionador es adecuado para situar una muestra en una "región de observación" de un microscopio de sonda local. Esta re-gión de observación, como se definió anteriormente, es una región del es-pacio en donde un microscopio de sonda local es operable para llevar a ca-bo medidas de distintas magnitudes que caracterizan a este instrumento. Así, una región de observación puede comprender en un ejemplo el área de un barrido de la sonda con respecto a la superficie de la muestra que permite adquirir su topografía. The positioning device is adapted for use under the conditions that require its use in a local probe microscope, such as an STM or an AFM. Thus, the positioning device is suitable for locating a sample in an "observation region" of a local probe microscope. This region of observation, as defined above, is a region of space where a local probe microscope is operable to carry out measurements of different magnitudes that characterize this instrument. Thus, an observation region may comprise, in an example, the area of a scan of the probe with respect to the surface of the sample that allows its topography to be acquired.

Este dispositivo posicionador presenta la capacidad de operar en entornos donde se alcanzan temperaturas criogénicas, siendo apto para su uso a ba-jas temperaturas, muy bajas temperaturas, y temperaturas menores que 100 mK. This positioning device has the ability to operate in environments where cryogenic temperatures are reached, being suitable for use at low temperatures, very low temperatures, and temperatures less than 100 mK.

Preferentemente, este dispositivo puede alcanzar una temperatura opera-tiva en el rango de las muy bajas temperaturas mediante el contacto térmico entre el foco frío del refrigerador y el dispositivo posicionador. Aún más preferentemente el dispositivo posicionador es adecuado para utili-zarse en un criostato equipado con un refrigerador de dilución de 3 He en Preferably, this device can reach an operating temperature in the range of very low temperatures by means of the thermal contact between the cold focus of the refrigerator and the positioning device. Even more preferably the positioning device is suitable for use in a cryostat equipped with a 3 He dilution refrigerator in

He. I have.

Para este propósito es necesario controlar que la potencia de enfriamiento del refrigerador sea adecuada para la capacidad calorífica del dispositivo posicionador a enfriar. También es necesario tener en cuenta que la con-ductividad térmica entre el foco frío del refrigerador y el dispositivo posi-cionador sea adecuada para que se produzca la termalización del dispositi-vo. Cuanto menor sea la capacidad calorífica y mayor sea la conductividad térmica de los materiales, menor será el tiempo necesario para el enfria-miento del dispositivo posicionador. For this purpose it is necessary to check that the cooling power of the refrigerator is adequate for the heat capacity of the positioning device to be cooled. It is also necessary to take into account that the thermal conductivity between the cold focus of the refrigerator and the positioning device is adequate for the thermalization of the device to take place. The lower the heat capacity and the higher the thermal conductivity of the materials, the shorter the time required for the positioning device to cool down.

El dispositivo posicionador comprende: The positioning device comprises:

• "una base, adaptada para unirse de forma solidaria al microscopio • "a base, adapted to be attached to the microscope in solidarity

de sonda local, local probe,

un portamuestras, a sample holder,

unos medios de guiado entre la base y el porta muestras." guiding means between the base and the sample holder. "

La base está adaptada para que sea posible una unión de forma solidaria que permita integrase en un microscopio de sonda local, preferentemente de forma amovible. The base is adapted so that a joint connection is possible that allows it to be integrated into a local probe microscope, preferably in a removable way.

El portamuestras, un objeto que en un ejemplo de realización que se mos-trará más adelante es de pequeña masa, está adaptado para alojar mues-tras para su estudio con un microscopio de sonda local, preferentemente de forma amovible. The sample holder, an object that in an embodiment that will be shown later is small in mass, is adapted to house samples for study with a local probe microscope, preferably in a removable manner.

Los medios de guiado dirigen o guían al portamuestras, determinando su trayectoria de movimiento con respecto a la base. Esta trayectoria está adaptada para que el portamuestras, que es un objeto más pequeño que la base al que se encuentra unido, alcance una posición que permita situar la muestra dentro de la "región de observación". The guiding means direct or guide the sample holder, determining its path of movement with respect to the base. This path is adapted so that the sample holder, which is an object smaller than the base to which it is attached, reaches a position that allows the sample to be placed within the "observation region".

De acuerdo a la presente invención, el dispositivo posicionador presenta: According to the present invention, the positioning device has:

"unos medios de guiado entre la base y el portamuestras que com-prenden una primera superficie de fricción dispuesta en la base y una segunda superficie de fricción dispuesta en el portamuestras de tal modo que dicha segunda superficie de fricción está adaptada para desplazarse por deslizamiento sobre la primera superficie de fricción de la base, "guiding means between the base and the sample holder comprising a first friction surface arranged on the base and a second friction surface arranged on the sample holder such that said second friction surface is adapted to slide on the first friction surface of the base,

un actuador para la impulsión del portamuestras respecto de la base." an actuator for driving the sample holder from the base. "

La base comprende una primera superficie de fricción y el portamuestras comprende una segunda superficie de fricción. Estas superficies de fricción están adaptadas para ser operables a temperaturas criogénicas. En estos entornos, la fricción es crítica debido a que al producirse un desplazamien-to se origina una disipación de energía en forma de calor, lo que debido a las limitaciones impuestas por la operación a temperaturas criogénicas, es contraproducente para el propósito de la invención. Así pues, la primera superficie de fricción y la segunda superficie de fricción están adaptadas para que la fricción entre el portamuestras y la base se reduzca al mínimo, a temperaturas criogénicas. The base comprises a first friction surface and the sample holder comprises a second friction surface. These friction surfaces are adapted to be operable at cryogenic temperatures. In these environments, friction is critical because the occurrence of displacement causes heat dissipation of energy, which due to the limitations imposed by the operation at cryogenic temperatures, is counterproductive for the purpose of the invention. . Thus, the first friction surface and the second friction surface are adapted so that the friction between the sample holder and the base is minimized, at cryogenic temperatures.

Además, los medios de guiado son adecuados para permitir el uso de lubri-cantes capaces de disminuir la fricción entre la primera superficie de fric-ción y la segunda superficie de fricción a temperaturas criogénicas. Furthermore, the guiding means is suitable to allow the use of lubricants capable of reducing friction between the first friction surface and the second friction surface at cryogenic temperatures.

Preferentemente se proporcionan superficies de fricción pulidas, como un plano, una esfera o un cilindro, y más preferentemente superficie planas, sin aristas. Polished friction surfaces, such as a plane, a sphere or a cylinder, and more preferably flat, edgeless surfaces are preferably provided.

Un actuador proporciona el impulso para desplazar el portamuestras con respecto a la base. An actuator provides the drive to move the specimen holder relative to the base.

"donde la base y el portamuestras se encuentran en el interior de una carcasa de muy bajas temperaturas y en contacto térmico con un elemento de termalización_ caracterizado porque el actuador se encuentra situado fuera de la carcasa de muy bajas temperaturas, estando dicho actuador vinculado al portamuestras mediante unos medios de transmisión de fuerza que están comprendidos en el dispositivo posicionador, de tal modo que el actuador impulsa el portamuestras a través de los medios de transmisión de fuerza, siendo dichos medios de transmisión de fuerza de baja conductividad térmica." "where the base and the sample holder are inside a very low temperature housing and in thermal contact with a thermal element_ characterized in that the actuator is located outside the very low temperature housing, said actuator being linked to the sample holder by means of force transmission means that are included in the positioning device, such that the actuator drives the sample holder through the force transmission means, said force transmission means being of low thermal conductivity. "

Este dispositivo posicionador está adaptado para alojarse en un criostato, dentro de un recinto de muy bajas temperaturas que está aislado térmi-camente del ambiente. Este recinto de muy bajas temperaturas está deli-mitado por un escudo o carcasa de muy bajas temperaturas. Aunque se denomina carcasa de muy bajas temperaturas a la barrera física al paso del calor al recinto de muy bajas temperaturas, esta barrera física puede estar determinada por un conjunto de piezas. Así, se hace posible la termaliza-ción del dispositivo mediante un refrigerador con las limitaciones de po-tencia de enfriamiento inherentes a estos refrigeradores según disminuye la temperatura. This positioning device is adapted to be housed in a cryostat, within a very low temperature enclosure that is thermally isolated from the environment. This very low temperature enclosure is delimited by a very low temperature shield or casing. Although the physical barrier to the passage of heat to the very low temperature enclosure is called a very low temperature casing, this physical barrier can be determined by a set of parts. Thus, the thermalization of the device by means of a refrigerator is made possible with the cooling power limitations inherent in these coolers as the temperature decreases.

El actuador se sitúa fuera del recinto de muy bajas temperaturas y de la carcasa. Preferentemente, el actuador se sitúa fuera del criostato. The actuator is located outside the very low temperature enclosure and the housing. Preferably, the actuator is located outside the cryostat.

Así se hace posible que la potencia de enfriamiento se suministre al dispo-sitivo y a la muestra, lo que reduce el tiempo de enfriamiento, mejorando la operación del dispositivo temperaturas criogénicas. This makes it possible for the cooling power to be supplied to the device and the sample, which reduces the cooling time, improving the operation of the device in cryogenic temperatures.

Para transmitir el impulso del actuador al portamuestras se utilizan medios de transmisión de fuerza. En modo operativo estos medios de transmisión de fuerza se caracterizan porque son de baja conductividad térmica. Esto significa que la conductividad térmica del medio de transmisión es suficien-temente baja como para que la transmisión de calor a través de dicho me-dio de transmisión permita el enfriamiento del dispositivo de posiciona-miento, aislando la parte del dispositivo a temperaturas criogénicas, y permitiendo alcanzar una temperatura de operación preferentemente en el rango de las bajas temperaturas, más preferentemente en el rango de muy bajas temperaturas, y aún más preferentemente a temperaturas me-nores que 100 mK. La selección de estos parámetros se ajusta a la potencia de enfriamiento que pueda suministrar el refrigerador mediante focos fríos en las etapas a temperaturas criogénicas, típicamente a 4.2 K y a 1.2 K. La cota máxima de la conductividad térmica KT,max entre un foco a una tempe-ratura T1 y un foco a una temperatura T2, depende de la potencia máxima del foco a T2 (P2) y la diferencia de temperaturas. Para el tramo que trans-curre a muy bajas temperaturas, aunque que depende de la técnica de re-frigeración utilizada, una cota máxima es del orden de KT,max = 10 ~W K-\ y más preferentemente un valor menor que KT,max = 1 ~WK-1para un mejor aislamiento. Force transmission means are used to transmit the drive impulse to the sample holder. In operating mode these force transmission means are characterized in that they are of low thermal conductivity. This means that the thermal conductivity of the transmission medium is low enough so that the heat transmission through said transmission medium allows the cooling of the positioning device, isolating the part of the device to cryogenic temperatures, and allowing an operating temperature to be reached preferably in the low temperature range, more preferably in the very low temperature range, and even more preferably at temperatures less than 100 mK. The selection of these parameters is adjusted to the cooling power that the refrigerator can supply through cold spots in the stages at cryogenic temperatures, typically at 4.2 K and 1.2 K. The maximum height of the thermal conductivity KT, max between a focus at a temperature T1 and a focus at a temperature T2, depends on the maximum power of the focus at T2 (P2) and the temperature difference. For the section that runs at very low temperatures, although it depends on the re-cooling technique used, a maximum height is of the order of KT, max = 10 ~ W K- \ and more preferably a value less than KT, max = 1 ~ WK-1 for better insulation.

Junto con lo anterior debe presentar unas propiedades mecánicas que permitan la transmisión de este impulso entre el actuador y el porta mues-tras que resulta en la aplicación de una fuerza Tal porta muestras. Along with the above, it must have some mechanical properties that allow the transmission of this impulse between the actuator and the sample holder, which results in the application of such a sample holder force.

Preferentemente, en un ejemplo de realización, junto con este medio de transmisión de fuerza hay un primer medio elástico para operar en oposi-ción, que coopera en el posicionamiento del portamuestras con respecto a la base. Preferentemente el primer medio elástico está unido a la base y al portamuestras, de tal forma que puede sufrir una deformación elástica en la dirección de aplicación de la fuerza T mediante el medio de transmisión al desplazarse el portamuestras con respecto a la base. La deformación elástica sufrida por este primer medio elástico proporciona una fuerza res-tauradora que tiene al menos una componente en la misma dirección de desplazamiento del portamuestras. Preferably, in an exemplary embodiment, together with this force transmission means there is a first elastic means for operating in opposition, which cooperates in the positioning of the sample holder with respect to the base. Preferably the first elastic means is attached to the base and to the sample holder, so that it can undergo elastic deformation in the direction of application of the force T by the transmission means when the sample holder moves relative to the base. The elastic deformation suffered by this first elastic means provides a restoring force that has at least one component in the same direction of movement of the sample holder.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más cla-ramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma pre-ferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan. These and other features and advantages of the invention will become more clearly apparent from the following detailed description of a preferred embodiment, given solely by way of illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying figures.

Figura la Figure the
En esta figura se muestra una representación esquemática en planta de This figure shows a schematic plan representation of

un ejemplo de realización de un posicionador. an example of embodiment of a positioner.

Figura lb Figure lb
En esta figura se muestra una representación esquemática de una sec- This figure shows a schematic representation of a section

ción del ejemplo de realización del posicionador mostrado en la figura tion of the embodiment example of the positioner shown in the figure

la. the.

Figura 2a Figure 2a
En esta figura se muestra a escala una vista en sección del portamues- This figure shows a sectional view of the sample holder at scale.

tras según un ejemplo de realización de la invención. after according to an embodiment of the invention.

Figura 2b Figure 2b
En esta figura se muestra a escala la sección AA de la vista anterior del This figure shows the AA section of the anterior view to scale.

porta muestras. sample holder.

Figura 2c Figure 2c
En esta figura se muestra una vista en perspectiva del portamuestras In this figure I know shows a perspective view of the sample holder

cortado por la sección BB junto con la base. cut by the BB section along with the base.

Figura 3 Figure 3
En esta figura se muestra una representación esquemática de un refri- This figure shows a schematic representation of a refrigerator

gerador de dilución y un microscopio de sonda local que comprende un dilution generator and a local probe microscope comprising a

ejemplo de realización del posicionador. example of realization of the positioner.

Figura 4 Figure 4
En esta figura se muestra un perfil topográfico de la superficie de una This figure shows a topographic profile of the surface of a

muestra de NbSe2 a una temperatura de 100 mK. El panel (a) se corres-NbSe2 sample at a temperature of 100 mK. Panel (a) corresponds

ponde a una superficie a campo cero (H=O T) y el panel (b) una superfi-it gives a zero field surface (H = O T) and panel (b) a surface

cie en presencia de un campo magnético (H=8T). cie in the presence of a magnetic field (H = 8T).

Figura 5 Figure 5
En esta figura se muestra un espectro del ruido mecánico registrado en This figure shows a spectrum of the mechanical noise recorded in

un ejemplo de realización de la invención. an exemplary embodiment of the invention.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN DETAILED STATEMENT OF THE INVENTION

La presente invención comprende un dispositivo posicionador (1) del que se describe a continuación un ejemplo de una realización detallada con referencia a las figuras. En las figuras la y lb se muestra un diagrama esquemático del dispositivo y las figuras 2a, 2b y 2c corresponden a un mismo ejemplo de realización donde se percibe más claramente la estructura del mismo. En la figura 3 se muestra un esquema al dis-positivo posicionador (1) que permite controlar la posición relativa entre una base The present invention comprises a positioning device (1) of which an example of a detailed embodiment is described below with reference to the figures. In figures la and lb a schematic diagram of the device is shown and figures 2a, 2b and 2c correspond to the same embodiment where the structure of the device is more clearly perceived. Figure 3 shows a diagram of the positioning device (1) that allows controlling the relative position between a base

(1.1) y un portamuestras (1.2) integrado en un microscopio efecto túnel (2) dentro de un refrigerador (5). (1.1) and a sample holder (1.2) integrated in a tunnel effect microscope (2) inside a refrigerator (5).

El dispositivo posicionador (1) según el ejemplo de realización comprende una base (1.1), un portamuestras (1.2), unos medios de transmisión (1.3) de fuerza, un actuador (1.4) y unos primeros medios elásticos (1.5). The positioning device (1) according to the embodiment example comprises a base (1.1), a sample holder (1.2), a force transmission means (1.3), an actuator (1.4) and a first elastic means (1.5).

La base (1.1) es una pieza sobre la que se incorpora unos medios de guiado que proporcionan una trayectoria al portamuestras (1.2), adaptando preferentemente una parte en la base (1.1) para formar un carril (1.1.2). Preferentemente este carril The base (1.1) is a part on which guide means are incorporated that provide a path for the sample holder (1.2), preferably adapting a part in the base (1.1) to form a rail (1.1.2). Preferably this lane

(1.1.2) es un carril recto que proporciona una dirección de guía sustancialmente recta, lo que simplifica la manipulación remota del dispositivo posicionador (1). (1.1.2) is a straight rail that provides a substantially straight guide direction, simplifying remote manipulation of the positioning device (1).

Preferentemente, el portamuestras (1.2) está inscrito en un paralelepípedo de dimensiones 9mmx8mmx2mm. Como se puede apreciar en las figuras 2a, 2b y 2c, presenta una pluralidad de agujeros roscados (1.2.2) para unir mediante tornillos muestras al mismo soporte para fijar una muestra (3) de forma amovible. Preferably, the sample holder (1.2) is inscribed in a parallelepiped with dimensions 9mmx8mmx2mm. As can be seen in Figures 2a, 2b and 2c, it has a plurality of threaded holes (1.2.2) to attach samples to the same support using screws to fix a sample (3) in a removable way.

La primera superficie (1.1.1) de fricción de la base (1.1) y la segunda super-ficie (1.2.1) de fricción del portamuestras (1.2) son superficies pulidas, sin asperezas, para proporcionar un desplazamiento minimizando la fricción. The first friction surface (1.1.1) of the base (1.1) and the second friction surface (1.2.1) of the sample holder (1.2) are polished surfaces, without roughness, to provide a displacement minimizing friction.

El actuador (1.4) se sitúa fuera del recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1), preferentemente fuera del criostato (5.14), a temperatura ambiente, similar a 300 K. Esto permite utilizar diversos actuadores conocidos, y más preferentemente un actuador lineal, para accionar los medios de transmisión (1.3) de fuerza. Los medios de transmisión (1.3) de fuerza permiten que el actuador (1.4) mueva al portamuestras The actuator (1.4) is located outside the very low temperature enclosure (5.12.1), preferably outside the cryostat (5.14), at room temperature, similar to 300 K. This allows using various known actuators, and more preferably a linear actuator , to actuate the force transmission means (1.3). The force transmission means (1.3) allow the actuator (1.4) to move the sample holder

(1.2) (1.2)
con respecto a la base (1.1) cuando el actuador está situado fuera del recinto donde se alcanzan las bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y temperaturas menores de 100 mK, siendo los medios de transmisión (1.3) de fuerza materiales de baja conductividad térmica, i.e. térmicamente aislantes. Junto con lo anterior, los me-dios de transmisión (1.3) de fuerza deben presentar unas propiedades mecánicas que permitan la transmisión de este impulso entre el actuador (1.4) y el portamuestras with respect to the base (1.1) when the actuator is located outside the enclosure where low temperatures, very low temperatures and temperatures less than 100 mK are reached, the transmission means (1.3) of force being materials of low thermal conductivity, i.e. thermally insulating. Along with the above, the force transmission means (1.3) must have mechanical properties that allow the transmission of this impulse between the actuator (1.4) and the sample holder.

(1.2) (1.2)
que resulta en la aplicación de una fuerza (T) al portamuestras (1.2). Un ejemplo de medios de transmisión (1.3) de fuerza es una varilla tubular térmicamente aislante. resulting in the application of a force (T) to the sample holder (1.2). An example of force transmission means (1.3) is a thermally insulating tubular rod.

Preferentemente, en este ejemplo de realización, se proporcionan como medios de transmisión (1.3) de fuerza al menos un primer cable (1.3.1). En este caso se disponen unos primeros medios elásticos (1.5) en oposición a la fuerza T que se trans-mite del actuador (1.4) al portamuestras (1.2), lo que permite operar con el primer cable (1.3.1) que se mantiene siempre en tracción. Los primeros medios elásticos (1.5) se implementan como un primer muelle cuya deformación se produce sustancialmen-te a lo largo de la dirección longitudinal x del carril (1.1.2). Cuando se aplica una fuerza de tracción T sobre el cable, este primer medio elástico (1.5) proporciona una fuerza restauradora opuesta a la fuerza de tracción T. Preferentemente, la constante elástica de este muelle está dentro del rango de 10 N/m a 100 N/m, preferentemente entre 20 N/m y 10 N/m. Así, se hace posible que el portamuestras (1.2) recupere su posición, y por tanto permite desarrollar la operación de posicionamiento del porta muestras (1.2) operando de forma remota, y en particular asegurando el desplazamiento en una di-rección x. Preferably, in this embodiment, at least one first cable (1.3.1) is provided as force transmission means (1.3). In this case, first elastic means (1.5) are arranged in opposition to the force T that is transmitted from the actuator (1.4) to the sample holder (1.2), which allows operating with the first cable (1.3.1) that is maintained always in traction. The first elastic means (1.5) are implemented as a first spring whose deformation occurs substantially along the longitudinal direction x of the rail (1.1.2). When a tensile force T is applied to the cable, this first elastic means (1.5) provides a restoring force opposite to the tensile force T. Preferably, the elastic constant of this spring is within the range of 10 N / m to 100 N / m, preferably between 20 N / m and 10 N / m. Thus, it becomes possible for the sample holder (1.2) to recover its position, and therefore allows the positioning operation of the sample holder (1.2) to be carried out by operating remotely, and in particular by ensuring displacement in an x direction.

En este ejemplo de realización, se proporciona un segundo medio elástico (1.6). Este segundo medio elástico (1.6) se deforma proporcionado una segunda fuerza restauradora que mantiene en contacto al menos parte de la primera superficie (1.1.1) de fricción con la segunda superficie (1.2.1) de fricción. Preferentemente, este segun-do medio elástico (1.6) es un muelle que se fija a la base (1.1), pasa a través de una ranura (no mostrada) y se fija en su otro extremo al portamuestras (1.2) en un agujero de fijación (1.2.3). La constante elástica de este muelle está dentro del rango de 10 N/m a 100 N/m, preferentemente entre 20 N/m y 10 N/m. Preferentemente, la fuerza restauradora del segundo medio elástico (1.6) se aplica al menos en una dirección per-pendicular al desplazamiento a través del medio de guiado. En este ejemplo de realiza-ción tiene una componente a lo largo de la dirección z, perpendicular a la dirección x. Esta característica permite resolver el problema de proporcionar un dispositivo de po-sicionamiento capaz de actuar en una variedad de direcciones, regulando la fricción entre el porta muestras (1.2) y la base (1.1), y que, además, sea adecuado para su uso en microscopios de sonda local. El uso del segundo medio elástico (1.6) habilita el montaje del dispositivo posicionador (1) en otras direcciones distintas a la vertical, la que sería natural por gravedad. Asimismo el segundo medio elástico (1.6) regula la fricción con entre la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie (1.2.1) de fricción y mejora la estabilidad mecánica ya que no sólo restringe el movimiento en esta dirección z sino que hace más rígido el conjunto. In this exemplary embodiment, a second elastic means (1.6) is provided. This second elastic means (1.6) is deformed by providing a second restoring force that keeps at least part of the first friction surface (1.1.1) in contact with the second friction surface (1.2.1). Preferably, this second elastic means (1.6) is a spring that is fixed to the base (1.1), passes through a slot (not shown) and is fixed at its other end to the sample holder (1.2) in a hole of fixation (1.2.3). The elastic constant of this spring is within the range of 10 N / m to 100 N / m, preferably between 20 N / m and 10 N / m. Preferably, the restoring force of the second elastic means (1.6) is applied at least in a perpendicular direction to movement through the guiding means. In this example, you have a component along the z direction, perpendicular to the x direction. This feature allows solving the problem of providing a positioning device capable of acting in a variety of directions, regulating the friction between the sample holder (1.2) and the base (1.1), and which is also suitable for use. in local probe microscopes. The use of the second elastic means (1.6) enables the mounting of the positioning device (1) in directions other than vertical, which would be natural by gravity. Likewise, the second elastic means (1.6) regulates friction between the first friction surface (1.1.1) and the second friction surface (1.2.1) and improves mechanical stability since it not only restricts movement in this direction z it makes the set more rigid.

Más preferentemente, tanto la primera superficie (1.1.1) de fricción como la segunda superficie (1.2.1) de fricción presentan un recubrimiento en alúmina. En una realización preferente, el carril (1.1.2) presenta caras planas y el recubrimiento se realiza mediante unas placas de alúmina, de un grosor máximo aproximado de 0.5 mm. Este recubrimiento de alúmina se fija a la base (1.1) utilizando una resina epoxídi-ca adecuada para su uso a bajas temperatura entre las caras del carril (1.2.1) y dicha placa de alúmina. Esta solución mediante placas facilita el apoyo del portamuestras More preferably, both the first friction surface (1.1.1) and the second friction surface (1.2.1) have an alumina coating. In a preferred embodiment, the rail (1.1.2) has flat faces and the coating is carried out using alumina plates, with a maximum thickness of approximately 0.5 mm. This alumina coating is fixed to the base (1.1) using an epoxy resin suitable for use at low temperatures between the rail faces (1.2.1) and said alumina plate. This solution using plates facilitates the support of the sample holder

(1.2) sobre la base (1.1). Son posibles otras realizaciones para proporcionar como aquellas que presentan un plano frente a una barra (o barras) o una esfera (o esferas) de materiales que presentan una fricción reducida como sucede con el zafiro o rubí. (1.2) on the basis (1.1). Other embodiments are possible to provide such as those having a plane in front of a bar (or bars) or a sphere (or spheres) of materials exhibiting reduced friction as with sapphire or ruby.

La utilización de este segundo medio elástico (1.6) ofrece una rigidez del dispositivo posicionador (1) que repercute en unas prestaciones de estabilidad mecá-nica alta cuando se utiliza en un microscopio de sonda local (2), donde este condicio-namiento mecánico es crítico porque la distancia operativa entre sonda y superficie es del orden del Angstrom (10-10 m). Esta estabilidad mecánica es aún más necesaria en medidas que resuelven propiedades que dependen de la distancia, como las medidas topográficas. Especialmente cuando se hace necesario construir un microscopio capaz de conseguir resolución atómica en las propiedades bajo su estudio. A modo de ejem-plo la adquisición de la topografía de una superficie con resolución atómica exige una precisión típica de al menos decenas de picometros (<10-11 m). Esta resolución se debe mantener cuando se desplaza la sonda mediante el scanner (2.2) al estudiar mediante barrido una zona de la muestra (3). The use of this second elastic medium (1.6) offers a rigidity of the positioning device (1) that has a high mechanical stability performance when used in a local probe microscope (2), where this mechanical condition is critical because the operating distance between probe and surface is on the order of the Angstrom (10-10 m). This mechanical stability is even more necessary in measurements that resolve distance-dependent properties, such as topographic measurements. Especially when it becomes necessary to build a microscope capable of achieving atomic resolution in the properties under study. As an example, the acquisition of the topography of a surface with atomic resolution requires a typical precision of at least tens of picometers (<10-11 m). This resolution must be maintained when the probe is moved through the scanner (2.2) when scanning an area of the sample (3).

Preferentemente, la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda su-perficie (1.2.1) de fricción están a su vez recubiertas de un lubricante adecuado para su uso a temperaturas criogénicas. Típicamente, los lubricantes líquidos usuales a tempe-ratura ambiente se congelan haciéndose inútiles en este rango de temperaturas. Sin embargo, en estos rangos de temperatura es crucial minimizar la disipación debido a la limitada potencia de refrigeración disponible. Ventajosamente el grafito y otros lubri-cantes sólidos como el disulfuro de molibdeno se utilizan preferentemente para lubri-car la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie (1.2.1) de fricción a bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y temperaturas menores que 100 mK. La utilización de estos lubricantes, particularmente grafito sobre placa de alúmina, junto con una adecuada selección de la primera superficie (1.1.1) de fricción y segunda su-perficie (1.2.1) de fricción, permite minimizar la fricción y el calentamiento de aquellas partes del dispositivo posicionador (1) a enfriar y, lo que es más importante a tempera-turas criogénicas, se acelera la termalización de la muestra (3), ya que el calor genera-do al mover la muestra cerca del portamuestras (1.2) se minimiza. Además, mejora las prestaciones al utilizar superficies planas de apoyo que, aunque aumentan el área de la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie (1.2.1) de fricción, resultan en un apoyo más estable. Este apoyo mejora especialmente cuando se utiliza en con-junción con un segundo medio elástico (1.6). Preferably, the first friction surface (1.1.1) and the second friction surface (1.2.1) are in turn coated with a lubricant suitable for use at cryogenic temperatures. Typically, the usual liquid lubricants at room temperature freeze and become useless in this temperature range. However, in these temperature ranges it is crucial to minimize dissipation due to the limited available cooling power. Advantageously, graphite and other solid lubricants such as molybdenum disulfide are preferably used to lubricate the first friction surface (1.1.1) and the second friction surface (1.2.1) at low temperatures, very low temperatures and temperatures less than 100 mK. The use of these lubricants, particularly graphite on alumina plate, together with an adequate selection of the first friction surface (1.1.1) and second friction surface (1.2.1), allows to minimize friction and heating of those parts of the positioning device (1) to be cooled and, more importantly at cryogenic temperatures, the thermalization of the sample is accelerated (3), since the heat generated when moving the sample near the sample holder (1.2 ) is minimized. In addition, it improves performance by using flat support surfaces that, although they increase the area of the first friction surface (1.1.1) and the second friction surface (1.2.1), result in a more stable support. This support is especially improved when used in conjunction with a second elastic medium (1.6).

Preferentemente se fabrican las partes más masivas del dispositivo posi-cionador (1), como la base (1.1) y el portamuestras (1.2), adaptando las dimensiones de las mismas en función de la densidad del material y el módulo de Young para tener una rigidez mecánica adecuada. La rigidez mecánica se caracteriza típicamente por la frecuencia fundamental de resonancia del dispositivo. Seleccionando una frecuencia fundamental de resonancia mayor que la banda de vibraciones, y en particular, mayor que de 10kHz, se consigue un dispositivo suficientemente rígido como para mantener la posición relativa de la sonda con respecto a la muestra sin que ésta varíe, y permite obtener una estabilidad con una resolución del orden del picometro. Esto, en conjun-ción con que las constantes elásticas de los primeros medios elásticos (1.5) y los se-gundos medios elásticos (1.6) estén en el rango de 10 N/m y 100 N/m, proporciona mayor estabilidad mecánica al hacer la estructura más rígida. Preferably, the most massive parts of the positioning device (1), such as the base (1.1) and the sample holder (1.2), are manufactured, adapting their dimensions depending on the density of the material and Young's modulus to have a adequate mechanical stiffness. Mechanical stiffness is typically characterized by the fundamental resonance frequency of the device. Selecting a fundamental resonance frequency greater than the vibration band, and in particular, greater than 10kHz, a device is obtained that is sufficiently rigid to maintain the relative position of the probe with respect to the sample without it varying, and allows obtaining a stability with a resolution of the order of the picometer. This, in conjunction with the elastic constants of the first elastic means (1.5) and the second elastic means (1.6) being in the range of 10 N / m and 100 N / m, provides greater mechanical stability when making the stiffer structure.

Preferentemente, el cuerpo del portamuestras (1.2), el cuerpo de la base Preferably, the body of the sample holder (1.2), the body of the base

(1.1) o ambos son de Macar, aluminio o una aleación de aluminio, titanio o una alea-ción de titanio o cualquier combinación de los mismos. En el caso del uso de aleaciones de titanio, cuando el portamuestras (1.2.1) está fabricado en titanio de grado 5 y su cuerpo está inscrito de forma preferente en un paralelepípedo de dimensiones 9mmx8mmx2mm, presenta una alta frecuencia fundamental de resonancia mucho mayor que 10kHz. (1.1) or both are made of Macar, aluminum or an alloy of aluminum, titanium or a titanium alloy or any combination thereof. In the case of the use of titanium alloys, when the sample holder (1.2.1) is made of grade 5 titanium and its body is preferably inscribed in a parallelepiped with dimensions 9mmx8mmx2mm, it has a high fundamental frequency of resonance much greater than 10kHz.

Cuando el dispositivo posicionador (1) según cualquier ejemplo de realiza-ción anterior se integra en un microscopio de sonda local (2) que comprende un dispo-sitivo de barrido como un escáner piezoeléctrico (2.2) se proporciona un microscopio de sonda local (2.2) con un sistema de posicionamiento con capacidad de operar a temperaturas criogénicas. When the positioning device (1) according to any previous embodiment example is integrated into a local probe microscope (2) comprising a scanning device such as a piezoelectric scanner (2.2), a local probe microscope (2.2) is provided. ) with a positioning system capable of operating at cryogenic temperatures.

En la figura 3 se muestra un ejemplo de realización en el que es posible apreciar al dispositivo posicionador (1) integrado en un microscopio sonda local (2) que es un microscopio de efecto túnel ó STM. Una muestra (4) se encuentra fijada so-bre el portamuestras (1.2) para someterse a estudio mediante esta técnica de micros-copia. En este caso se ha representado la sonda local como una punta conductora que se sitúa en un elemento de barrido o scanner piezoeléctrico (2.1). En este ejemplo de realización el elemento de barrido o scanner piezoeléctrico (2.1) es un piezotubo. Un imán (4) superconductor proporciona en la región de observación (2.1) un campo magnético variable, típicamente entre 1 T y 10 T. Figure 3 shows an example of embodiment in which it is possible to see the positioning device (1) integrated in a local probe microscope (2) which is a tunnel effect microscope or STM. A sample (4) is fixed on the sample holder (1.2) to be studied using this microscopy technique. In this case, the local probe has been represented as a conductive tip that is located in a scanning element or piezoelectric scanner (2.1). In this exemplary embodiment, the piezoelectric scanning element (2.1) is a piezotube. A superconducting magnet (4) provides in the observation region (2.1) a variable magnetic field, typically between 1T and 10T.

En este ejemplo de realización el refrigerador (5) de bajas temperaturas es un refrigerador (5) de dilución de 3He en 4 He continuo. Un ejemplo de realización simi-lar de la invención también puede utilizarse en otro tipo de refrigeradores como otros In this embodiment, the low temperature refrigerator (5) is a continuous 3He in 4 He dilution refrigerator (5). A similar embodiment of the invention can also be used in other types of refrigerators such as others.

tipos de refrigeradores de dilución de 3He en He, o un baño de 4 He o refrigeradores basados en tecnologías termoacústicas de refrigeración (sin líquidos criogénicos) para alcanzar bajas temperaturas, cercanas a 4.2K, o un refrigerador de 3He, un refrigerador de demagnetización adiabática, que pueden alcanzar rangos de temperatura por deba-jo de 1 K. types of 3 He dilution coolers in He, or a 4 He bath or refrigerators based on thermoacoustic refrigeration technologies (without cryogenic liquids) to achieve low temperatures, close to 4.2K, or a 3He refrigerator, an adiabatic demagnetization refrigerator , which can reach temperature ranges below 1 K.

El refrigerador (5) de dilución comprende diversas partes que se encuen-tran a temperaturas sucesivamente menores desde la temperatura ambiente del exte-rior (-300 K) hasta la temperatura base del foco frío del refrigerador (2). Se puede observar las diversas partes del refrigerador (5) en el esquema de la figura 1. Una línea de inyección (5.3) introduce desde un depósito (5.2) a temperatura ambiente un gas The dilution refrigerator (5) comprises various parts that are at successively lower temperatures from the ambient temperature of the exterior (-300 K) to the base temperature of the cold source of the refrigerator (2). The various parts of the refrigerator (5) can be seen in the diagram of figure 1. An injection line (5.3) introduces a gas from a tank (5.2) at room temperature

que comprende una mezcla los isótopos de 3He y He en un primer recinto delimitado por el criostato con una carcasa (5.14) que aísla térmicamente un baño (5.1) de 4 He líquido a 4.2 K del ambiente a 300 K. comprising a mixture of the 3He and He isotopes in a first enclosure delimited by the cryostat with a casing (5.14) that thermally isolates a bath (5.1) of 4 He liquid at 4.2 K from the environment at 300 K.

Esta línea de inyección (5.3) llega hasta un primer recipiente (5.13) sumer-gido en el baño de 4 He. Este primer recipiente (5.13), comúnmente conocido como bote de 4.2 K, contiene el recinto a bajas temperaturas (5.13.1). En este recinto de bajas temperaturas (5.13.1) se encuentra un segundo recipiente (5.4) en el que se bombea 4 He desde el baño (5.1) de 4 He líquido al exterior mediante una bomba (5.11). En modo operativo la temperatura aproximada de este segundo recipiente (5.4) es 1.2 K, y es comúnmente conocido como bote de 1 K. En modo operativo, la presión dentro del recinto de bajas temperaturas (5.13.1) es muy baja para que los componentes fríos no estén en contacto térmico con los componentes más calientes (e.g. el baño de helio) debido a la presencia de gas. This injection line (5.3) reaches a first container (5.13) submerged in the 4 He bath. This first container (5.13), commonly known as a 4.2 K canister, contains the enclosure at low temperatures (5.13.1). In this low temperature enclosure (5.13.1) there is a second container (5.4) in which 4 He is pumped from the liquid 4 He bath (5.1) to the outside by means of a pump (5.11). In operating mode the approximate temperature of this second container (5.4) is 1.2 K, and is commonly known as 1 K canister. In operating mode, the pressure within the low temperature enclosure (5.13.1) is too low for the Cold components are not in thermal contact with hotter components (eg the helium bath) due to the presence of gas.

La línea de inyección (5.3) se encuentra anclada térmicamente al primer recipiente (5.13) y al segundo recipiente (5.4), y llega hasta el interior de un segundo recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1). Este segundo recinto de muy bajas tem-peraturas (5.12.1) está delimitado por un escudo o carcasa (5.12) de muy bajas tempe-raturas que sirve de escudo frente a las radiaciones. Las partes que se sitúan dentro de este recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1) se encuentran en modo operativo a temperaturas menores que 1.2 K. Para alcanzar estas temperaturas se incrementa la presión del gas en la línea de inyección (5.3) por encima de la presión de vapor de 3 He mediante diversas impedancias (5.5) de la línea de inyección (5.3) y de esta manera se controla el flujo de gas y se garantiza que éste condensa a la temperatura del bote de 1K. Así, el 3 He atraviesa una serie de intercambiadores de calor (5.6) hasta llegar a la cámara de mezclas (5.7). En dicha cámara de mezclas (5.7) el 3 He pasa de la fase con-centrada a la diluida, produciéndose el proceso de dilución de 3 He en una mezcla de 3 He en 4 He que proporciona la potencia de enfriamiento del refrigerador de dilución. Un flujo de retorno a través de una línea de retorno (5.9) atraviesa los intercambiado-res de calor (5.6) hasta llegar a un destilador (5.8) cuya temperatura aproximada es de The injection line (5.3) is thermally anchored to the first container (5.13) and to the second container (5.4), and reaches the interior of a second room with very low temperatures (5.12.1). This second enclosure with very low temperatures (5.12.1) is delimited by a shield or casing (5.12) with very low temperatures that serves as a shield against radiation. The parts located within this very low temperature enclosure (5.12.1) are in operating mode at temperatures less than 1.2 K. To reach these temperatures, the gas pressure in the injection line (5.3) is increased above of the vapor pressure of 3 He through various impedances (5.5) of the injection line (5.3) and in this way the gas flow is controlled and it is guaranteed that it condenses at the temperature of the 1K bottle. Thus, the 3 He passes through a series of heat exchangers (5.6) until it reaches the mixing chamber (5.7). In said mixing chamber (5.7) the 3 He passes from the concentrated to the diluted phase, the dilution process of 3 He taking place in a mixture of 3 He in 4 He that provides the cooling power of the dilution refrigerator. A return flow through a return line (5.9) passes through the heat exchangers (5.6) until it reaches a distiller (5.8) whose approximate temperature is

0.7 K. El flujo de retorno está en contacto térmico con la línea de inyección (5.3) para enfriar el flujo de entrada. Sobre este destilador (5.8) una bomba externa (5.10) bom-bea 3 He de la fase diluida hacia el exterior. Mediante la dilución de 3 He en 4 He que tiene lugar en este ciclo, el refrigerador de dilución (5) suministra una potencia de re-frigeración continua en el foco frío del refrigerador, que es la cámara de mezclas (5.7). 0.7 K. The return flow is in thermal contact with the injection line (5.3) to cool the inlet flow. On this distiller (5.8) an external pump (5.10) pumps 3 He of the diluted phase towards the outside. Through the dilution of 3 He in 4 He that takes place in this cycle, the dilution refrigerator (5) supplies a continuous re-cooling power in the cold focus of the refrigerator, which is the mixing chamber (5.7).

En este ejemplo de realización el cuerpo del STM (2) y el dispositivo posi-cionador (1) están en contacto térmico con el foco frío del refrigerador (5). Para ello se pueden utilizar diversas técnicas de termalización tanto del dispositivo como del STM In this example of embodiment, the body of the STM (2) and the positioning device (1) are in thermal contact with the cold focus of the refrigerator (5). For this, various thermal techniques of both the device and the STM can be used

(2) que dependen de los materiales utilizados ya que hacen uso de la conductividad térmica del material del cuerpo del STM (2) y del dispositivo posicionador (1). Gene-ralmente este contacto térmico se hace mediante un elemento de termalización. Este elemento de termalización puede ser una estructura (no mostrada) realizada en bue-nos conductores del calor a temperaturas criogénicas, y más preferentemente en ma-teriales no magnéticos cuando se desea habilitar la presencia de un campo, como Cu, Ag o Au. Así, en esta realización, una estructura de cobre está en contacto térmico con la cámara de mezclas (5.7) y el microscopio de sonda local (2). A su vez, el microscopio termaliza la base (1.1) y la base, (1.1) el portamuestras (1.2). (2) that depend on the materials used since they make use of the thermal conductivity of the STM body material (2) and the positioning device (1). Generally, this thermal contact is made by means of a thermal element. This thermal element can be a structure (not shown) made in good conductors of heat at cryogenic temperatures, and more preferably in non-magnetic materials when it is desired to enable the presence of a field, such as Cu, Ag or Au. Thus, in this embodiment, a copper structure is in thermal contact with the mixing chamber (5.7) and the local probe microscope (2). In turn, the microscope thermalizes the base (1.1) and the base, (1.1) the sample holder (1.2).

Preferentemente, como se muestra en este ejemplo de realización, se utili- Preferably, as shown in this exemplary embodiment,

zan como medios de transmisión (1.3) de fuerza un cable que comprende un primer zan as a force transmission means (1.3) a cable comprising a first

tramo (1.3.1) de cable de acero inoxidable y un segundo tramo (1.3.2) de cable multifi-section (1.3.1) of stainless steel cable and a second section (1.3.2) of multifi-

lar no metálico. El primer tramo (1.3.1) tiene un diámetro entre 0.1 mm y 0.2 mm y lar non-metallic. The first section (1.3.1) has a diameter between 0.1 mm and 0.2 mm and

presenta propiedades mecánicas adecuadas para actuar como medio de transmisión presents adequate mechanical properties to act as a transmission medium

5 5
operando bajo una fuerza de tracción. Una tensión adicional se proporciona mediante operating under a pulling force. Additional tension is provided by

un muelle adicional (1.7) que aumenta la tensión ejercida sobre el primer tramo an additional spring (1.7) that increases the tension exerted on the first section

(1.3.1). Para minimizar la transferencia de calor, el primer tramo (1.3.1) se ancla térmi-(1.3.1). To minimize heat transfer, the first section (1.3.1) is thermally anchored

camente mediante una pluralidad de anclajes (1.8) a diversos puntos del refrigerador by means of a plurality of anchors (1.8) to various points of the refrigerator

(5). En la figura 3 se muestra el anclaje a 1.2 K (1.8.2) y los diversos anclajes (1.8.1) de-(5). Figure 3 shows the anchorage at 1.2 K (1.8.2) and the various anchorages (1.8.1) of

lO the
ntro del recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1) con el destilador (5.8), los inter- Within the very low temperature enclosure (5.12.1) with the distiller (5.8), the inter-

cambiadores de calor (5.6) y la cámara de mezclas (5.7) a diversas temperaturas. heat exchangers (5.6) and the mixing chamber (5.7) at various temperatures.

Preferentemente estos anclajes se realizan mediante un material con una These anchors are preferably made using a material with a

conductividad térmica alta a bajas temperaturas y muy bajas temperaturas. Materiales high thermal conductivity at low temperatures and very low temperatures. materials

15 fifteen
como el cobre, barniz, plata, etc. pueden utilizarse. Preferentemente se utilizan hilos such as copper, varnish, silver, etc. can be used. Threads are preferably used

de cobre. coppermade.

Ventajosamente se utiliza para el segundo tramo (1.3.2) cable multifilar no Advantageously it is used for the second section (1.3.2).

metálico, de diámetro entre O.lmm y 0.2 mm. Este cabe multifilar, fabricado preferen-metallic, with a diameter between O.lmm and 0.2 mm. This multifilament cable, manufactured preferably

20 twenty
temente en Kevlar, está unido al primer tramo (1.3.1) de cable de acero. En este ejem- In Kevlar, it is connected to the first section (1.3.1) of steel cable. In this example-

plo, el segundo tramo (1.3.2) se introduce por un agujero de guía (1.1.3) cuando llega a For example, the second section (1.3.2) is inserted through a guide hole (1.1.3) when it reaches

la base (1.1), para desplazarse en la dirección longitudinal x del carril (1.1.2). Este tra-the base (1.1), to move in the longitudinal direction x of the rail (1.1.2). This work

mo de cable (1.3.2) multifilar no metálico actúa como amortiguador, en cooperación mo of (1.3.2) non-metallic multi-core cable acts as a buffer, in cooperation

con el muelle adicional (1.7), para proporcionar un resonador que amortigua las vibra-with the additional spring (1.7), to provide a resonator that damps vibrations.

25 25
ciones externas. external actions.

En particular, los materiales ligeros y rígidos, como el titanio y sus aleacio-In particular, light and rigid materials, such as titanium and its alloys.

nes, presentan excelentes características mecánicas. Así se mejora la estabilidad tions, have excellent mechanical characteristics. This improves stability

mecánica del dispositivo posicionador (1). En los entornos a temperaturas criogénicas, mechanics of the positioning device (1). In environments at cryogenic temperatures,

30 30
esta estabilidad es crítica pero presenta limitaciones importantes a la hora de imple- This stability is critical, but it has important limitations when implementing

mentarse técnicamente, pues, los mecanismos de amortiguamiento mecánico son muy Technically, therefore, mechanical damping mechanisms are very

limitados, y en última instancia, poco ventajosos al implicar disipación de calor que limited, and ultimately disadvantageous by involving heat dissipation that

finalmente producirá un calentamiento. Así es posible fabricar piezas de un dispositivo finally it will produce a heating. Thus it is possible to manufacture parts of a device

posicionador (1) en un material y con unas dimensiones adecuadas para su integración positioner (1) in a material and with dimensions suitable for integration

35 35
en un microscopio de sonda local (2) operable a bajas temperaturas, muy bajas tempe- in a local probe microscope (2) operable at low temperatures, very low temperatures

raturas y temperaturas menores de 100 mK con una frecuencia fundamental de reso-ratios and temperatures less than 100 mK with a fundamental frequency of reso-

nancia mayor que 10 kHz. Esto proporciona un microscopio con mayor estabilidad nance greater than 10 kHz. This provides a microscope with greater stability.

mecánica al hacer la estructura más rígida. mechanics by making the structure more rigid.

Estas propiedades del material y el diseño de las piezas del dispositivo de These material properties and the design of the parts of the device

posicionamiento (1) deben conjugarse con las propiedades térmicas del mismo. Es po-Positioning (1) must be combined with its thermal properties. It is

S S
sible llevar a cabo dichas piezas en materiales como cobre/berilio, aleaciones de mag- It is possible to carry out these parts in materials such as copper / beryllium, magnesium alloys,

nesio, cerámicas como Macar o alúmina que presentan buenos resultados desde el nesium, ceramics such as Macar or alumina that show good results from the

punto de vista de la termalización del dispositivo posicionador (1). point of view of the thermalization of the positioning device (1).

En un ejemplo de realización se fabrican piezas cabo piezas en aluminio o In an exemplary embodiment, parts are manufactured out of aluminum parts or

10 10
en aleaciones de aluminio. En otro ejemplo piezas se fabrican preferentemente piezas in aluminum alloys. In another example parts are preferably manufactured parts

en titanio ó en aleaciones de titanio, y más preferentemente el titanio de grado 5o in titanium or titanium alloys, and more preferably 5th grade titanium

titanio en grado 3. Las aleaciones de titanio, y en especial las aleaciones de titanio gra-grade 3 titanium. Titanium alloys, and especially grade titanium alloys

do 5o titanio grado 3, presentan unas propiedades mecánicas a temperaturas criogé-do 5th grade 3 titanium, have mechanical properties at cryogenic temperatures

nicas que permiten fabricar piezas que presentan una frecuencia de resonancia alta, unique to manufacture parts that have a high resonance frequency,

15 fifteen
mucho mayor que 10kHz. much higher than 10kHz.

Sin embargo, las propiedades térmicas del titanio y las aleaciones de tita-However, the thermal properties of titanium and titanium alloys

nio o del aluminio y las aleaciones de aluminio varían a temperaturas criogénicas. Es Child or aluminum and aluminum alloys vary at cryogenic temperatures. Is

bien conocido que cuando un material se encuentra en el estado superconductor pre-well known that when a material is in the superconducting state pre-

20 twenty
senta una conductividad térmica significativamente menor que en el estado normal. It has a significantly lower thermal conductivity than in the normal state.

Esto es debido a que en los materiales en el estado superconductor la contribución This is because in materials in the superconducting state the contribution

electrónica a la conductividad térmica se encuentra inhibida. En el estados supercon-Electronic to thermal conductivity is inhibited. In the supercon-

ductor la conducción de calor se produce principalmente por medio de fonones y es ductor heat conduction occurs mainly by means of phonons and is

menos eficiente que en el estado normal. less efficient than in the normal state.

25 25

La temperatura crítica que determina el paso del estado normal al estado The critical temperature that determines the transition from the normal state to the state

superconductor de las aleaciones de titanio de interés para uso en microscopías de superconductor of the titanium alloys of interest for use in microscopy of

sonda local se sitúa por encima de la temperatura crítica del titanio (0.4 K en ausencia local probe is above the critical temperature of titanium (0.4 K in the absence

de campo magnético). En particular, para la aleación de titanio de grado 5 la tempera-magnetic field). In particular, for grade 5 titanium alloy the tempera-

30 30
tura crítica es de 5 K en ausencia de campo magnético. Un fenómeno similar se pre- Critical length is 5 K in the absence of a magnetic field. A similar phenomenon is expected

senta cuando se fabrican estas piezas en aluminio o las aleaciones de aluminio que feel when making these parts out of aluminum or the aluminum alloys that

presentan una transición a un estado superconductor por debajo de su correspondien-they present a transition to a superconducting state below their corresponding

te temperatura crítica. you critical temperature.

35 35
Se ha encontrado que esta realización presenta resultados de termalización This embodiment has been found to present thermalization results

que permiten alcanzar temperaturas de hasta 10mK, muy por debajo de la temperatu-that allow temperatures of up to 10mK to be reached, well below the

ra crítica del titanio o de las aleaciones de titanio. Así pues, preferentemente tanto el critical criticism of titanium or titanium alloys. So preferably both the

cuerpo de la base (1.1) como el cuerpo del portamuestras (1.2) están realizados en titanio grado 5. Más preferentemente, el cuerpo del microscopio de sonda local (2) está realizado en una aleación de titanio grado 5. The body of the base (1.1) and the body of the sample holder (1.2) are made of grade 5 titanium. More preferably, the body of the local probe microscope (2) is made of a grade 5 titanium alloy.

Estos resultados muestran la posibilidad de obtener mediante el instru-mento una estabilidad mecánica mejorada y una mejor termalización a temperaturas criogénicas gracias a la combinación de las enseñanzas técnicas contempladas ante-riormente. These results show the possibility of obtaining improved mechanical stability and better thermalization at cryogenic temperatures by means of the instrument, thanks to the combination of the technical teachings contemplated above.

En la figura 4 se muestra un perfil topográfico tomado con un microscopio de efecto túnel equipado con el dispositivo posicionador (1) según el ejemplo de reali-zación anterior. La medida se ha realizado con una punta de Au sobre una muestra de NbSe2 a una temperatura de 100 mK. El voltaje de polarización entre punta y muestra es de 30 mV y la corriente túnel es 10 nA. En el panel (a) se muestra el perfil de una zona en ausencia de campo magnético (H=O T) y en el panel (b) un perfil de una zona en presencia de campo magnético (H=8 T). Es posible observar en esta figura 4 la co-rrugación asociada a los átomos de la superficie de NbSe2 con un nivel de resolución que permite obtener una imagen de la superficie (no mostrada) con resolución atómi-ca en presencia de un campo magnético. Las curvas en los paneles (a) y (b) reflejan un valor distinto de la altura aparente en la corrugación atómica al corresponderse con una región distinta de la superficie de NbSe2 • Figure 4 shows a topographic profile taken with a tunnel effect microscope equipped with the positioning device (1) according to the previous embodiment example. The measurement was carried out with an Au tip on a sample of NbSe2 at a temperature of 100 mK. The polarization voltage between tip and sample is 30 mV and the tunnel current is 10 nA. Panel (a) shows the profile of an area in the absence of a magnetic field (H = O T) and panel (b) shows a profile of an area in the presence of a magnetic field (H = 8 T). It is possible to observe in this figure 4 the co-corrugation associated with the atoms of the surface of NbSe2 with a resolution level that allows obtaining an image of the surface (not shown) with atomic resolution in the presence of a magnetic field. The curves in panels (a) and (b) reflect a different value of the apparent height in the atomic corrugation as they correspond to a different region of the surface of NbSe2 •

La resolución no sólo permite distinguir una corrugación atómica sino que es suficiente como para apreciar la onda de densidad de carga en forma de una modu-lación superpuesta a la estructura cristalina de la superficie del material (no mostrada). Este es un fenómeno que se manifiesta a muy bajas temperaturas en este material en forma de una modulación de la carga con una periodicidad espacial Acow que está su-perpuesta a la corrugación atómica, con una periodicidad espacial Acorren buen acuer-do con los valores que se encuentran en la literatura (A.c0 w:=:::: 3A.corr). La estabilidad se mantiene a estas temperaturas, aún en presencia de un campo magnético de 8T, sin degradar las prestaciones y resolución del microscopio de efecto túnel. The resolution not only allows an atomic corrugation to be distinguished but is sufficient to appreciate the charge density waveform as a modulation superimposed on the crystal structure of the material surface (not shown). This is a phenomenon that manifests itself at very low temperatures in this material in the form of a modulation of the charge with an Acow spatial periodicity that is superimposed on atomic corrugation, with a spatial periodicity. They agree well with the values that they are found in the literature (A.c0 w: = :::: 3A.corr). Stability is maintained at these temperatures, even in the presence of an 8T magnetic field, without degrading the performance and resolution of the tunnel effect microscope.

En la figura 5 se muestra la transformada de Fourier discreta de la corriente túnel (FFT) en unidades arbitrarias sobre una muestra de 1024 puntos durante 1 s, realizada sobre una muestra de NbSe2 a 100 mK en presencia de un campo magnético H= 5 T. La corriente túnel presenta un decaimiento exponencial con la distancia con una longitud de decaimiento del orden de 0.5 nm en los metales. Esta señal se utiliza Figure 5 shows the discrete Fourier transform of the tunnel current (FFT) in arbitrary units on a sample of 1024 points for 1 s, performed on a sample of NbSe2 at 100 mK in the presence of a magnetic field H = 5 T The tunnel current presents an exponential decay with distance with a decay length of the order of 0.5 nm in metals. This signal is used

para realimentar un circuito de control de la distancia entre punta y muestra, que está desconectado al realizar esta medida. En este caso, el valor promediado en el tiempo de la corriente túnel1.2 nA y el voltaje de polarización entre punta y muestra 50 mV. El panel (a) se corresponde a un microscopio con dispositivo posicionador según el 5 estado de la técnica y el panel (b) se corresponde al mismo microscopio con el espec-tro tomado con el dispositivo posicionador (1). Es posible apreciar que a baja frecuen-cia es altamente estable y no se ve afectada por el dispositivo posicionador (1). Es de-cir, el dispositivo posicionador (1) es al menos tan estable como el microscopio porque no degrada la estabilidad a baja frecuencia de forma apreciable. La temperatura ope-10 rativa del microscopio en este experimento es 50 mK. El microscopio con un dispositi-vo posicionador en el estado de la técnica se calienta típicamente desde la temperatu-ra operativa hasta temperaturas por encima de 4 K al accionar el posicionador en el estado de la técnica. Sin embargo, no se observan cambios de la temperatura del mi-croscopio mayores del 1% sobre la temperatura operativa en el microscopio al accio-to feed back a control circuit of the distance between tip and sample, which is disconnected when making this measurement. In this case, the time-averaged value of the tunnel current 1.2 nA and the bias voltage between tip and sample 50 mV. Panel (a) corresponds to a microscope with a positioning device according to the state of the art and panel (b) corresponds to the same microscope with the spectrum taken with the positioning device (1). It is possible to appreciate that at low frequency it is highly stable and is not affected by the positioning device (1). In other words, the positioning device (1) is at least as stable as the microscope because it does not degrade low-frequency stability appreciably. The operating temperature of the microscope in this experiment is 50 mK. The microscope with a positioner device in the state of the art is typically heated from the operating temperature to temperatures above 4K when the positioner in the state of the art is operated. However, no changes in the microscope temperature greater than 1% are observed over the operating temperature in the microscope when operated.

15 nar el dispositivo posicionador (1) según el ejemplo de realización anterior. 15 the positioning device (1) according to the previous embodiment example.

Claims (11)

REIVINDICACIONES 1.-Dispositivo posicionador (1) para microscopios de sonda local (2), ope-rable a temperaturas criogénicas, para posicionar una muestra (3) en una región de observación (2.2) que comprende: 1.-Positioning device (1) for local probe microscopes (2), operable at cryogenic temperatures, to position a sample (3) in an observation region (2.2) comprising:
una base (1.1) adaptada para unirse de forma solidaria al_microscopio de sonda local (2); a base (1.1) adapted to be integrally attached to the local probe microscope (2);
un portamuestras (1.2); a sample holder (1.2);
unos medios de guiado entre la base (1.1) y el portamuestras (1.2) que com-prenden una primera superficie (1.1.1) de fricción dispuesta en la base (1.1) y una segunda superficie (1.2.1) de fricción dispuesta en el portamuestras (1.2), de tal modo que dicha segunda superficie (1.2.1) de fricción está adaptada para desplazarse por deslizamiento sobre la primera superficie (1.1.1) de fricción de la base (1.1); y guiding means between the base (1.1) and the sample holder (1.2) comprising a first friction surface (1.1.1) arranged on the base (1.1) and a second friction surface (1.2.1) arranged on the sample holder (1.2), such that said second friction surface (1.2.1) is adapted to slide by sliding on the first friction surface (1.1.1) of the base (1.1); and
un actuador (1.4) para la impulsión del portamuestras (1.2) respecto de la ba-se (1.1); an actuator (1.4) for driving the sample holder (1.2) with respect to the base (1.1);
donde la base (1.1) y el portamuestras (1.2) se encuentran en el interior de una carcasa (5.12) de muy bajas temperaturas y en contacto térmico con un elemento de termalización, caracterizado porque el actuador (1.4) se encuentra situado fuera de la carcasa (5.12) de muy bajas temperaturas, estando dicho actuador (1.4) vinculado al portamuestras (1.2) mediante unos medios de transmisión (1.3) de fuerza que están comprendidos en el dispositivo posicionador (1), de tal modo que el actuador (1.4) impulsa el portamuestras (1.2) a través de los medios de transmisión (1.3) de fuerza, siendo dichos medios de transmisión (1.3) de fuerza de baja conductividad térmica. where the base (1.1) and the sample holder (1.2) are inside a casing (5.12) with very low temperatures and in thermal contact with a thermal element, characterized in that the actuator (1.4) is located outside the very low temperature casing (5.12), said actuator (1.4) being linked to the sample holder (1.2) by means of force transmission (1.3) that are included in the positioning device (1), such that the actuator (1.4 ) drives the sample holder (1.2) through the force transmission means (1.3), said force transmission means (1.3) being of low thermal conductivity.
2.-Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque los me-dios (1.3) de transmisión de fuerza son de tracción, y por disponer, adicionalmente, de unos primeros medios elásticos (1.5) de tal modo que los medios de transmisión (1.3) de fuerza y dichos primeros medios elásticos (1.5) están adaptados para operar en oposición. 2.-Device according to claim 1 characterized in that the force transmission means (1.3) are traction, and by additionally having first elastic means (1.5) such that the transmission means (1.3) of force and said first elastic means (1.5) are adapted to operate in opposition. 3.-Dispositivo según las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque com-prende unos segundos medios elásticos (1.6) adaptados para mantener el contacto bajo presión entre la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superfi-cie (1.2.1) de fricción. 3. Device according to claims 1 or 2, characterized in that it comprises second elastic means (1.6) adapted to maintain contact under pressure between the first friction surface (1.1.1) and the second surface (1.2.1). ) friction. 4.-Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque la pri-mera superficie (1.1.1) de fricción, la segunda superficie (1.2.1) de fricción o una com-binación de las mismas están recubiertas por un lubricante sólido. 4. Device according to claims 1 to 3, characterized in that the first friction surface (1.1.1), the second friction surface (1.2.1) or a combination thereof are covered by a solid lubricant. 5.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque la frecuencia fundamental de resonancia del dispositivo posicionador (1) es mayor que 10kHz para mejorar la estabilidad mecánica y aumentar la precisión en la posición de la muestra (3). 5. Device according to any of claims 1 to 4, characterized in that the fundamental resonance frequency of the positioning device (1) is greater than 10kHz to improve mechanical stability and increase precision in the position of the sample (3). 6.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque el cuerpo de la base (1.1) o el cuerpo del portamuestras (1.2) está hecho de titanio o aluminio. 6. Device according to any of claims 1 to 5, characterized in that the body of the base (1.1) or the body of the sample holder (1.2) is made of titanium or aluminum. 7.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque el actuador (1.4) es un actuador lineal. 7. Device according to any of claims 1 to 6, characterized in that the actuator (1.4) is a linear actuator. 8.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque la primera superficie de fricción (1.1.1) o la segunda superficie (1.2.1) de fric-ción están recubiertas de alúmina. 8. Device according to any of claims 1 to 7, characterized in that the first friction surface (1.1.1) or the second friction surface (1.2.1) are covered with alumina. 9.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque los medios de guiado están configurados para formar un carril (1.1.2) que per-mite el desplazamiento lineal. 9. Device according to any of claims 1 to 8, characterized in that the guiding means are configured to form a rail (1.1.2) that allows linear displacement. 10.-Dispositivo según la reivindicación 9 caracterizado porque la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie de fricción (1.1.2) son planas. 10. Device according to claim 9, characterized in that the first friction surface (1.1.1) and the second friction surface (1.1.2) are flat. 11.-Microscopio de sonda local (2) con capacidad de operar a temperatu-ras criogénicas, que comprende un dispositivo posicionador (1) de acuerdo a cualquie-ra de las reivindicaciones anteriores 1 a 10. 11.- Local probe microscope (2) with the capacity to operate at cryogenic temperatures, comprising a positioning device (1) according to any of the previous claims 1 to 10.
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