[發(fā)明專利]低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310552279.X
• 申請日: 2013-11-06
• 公開（公告）號: CN103616532A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設計）人: 王琦;陸輕鈾
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學技術(shù)大學
• 主分類號: G01Q10/00
• 分類號: G01Q10/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;孟卜娟

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種掃描探針顯微鏡的掃描結(jié)構(gòu)，特別涉及一種低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器，屬于掃描探針顯微鏡技術(shù)領域。

背景技術(shù)

從第一臺掃描探針顯微鏡（scanning?probe?microscope，簡稱SPM）問世到現(xiàn)在已經(jīng)有近三十年的歷史，因其優(yōu)異的原子分辨能力和廣泛的測量用途，一直活躍地應用于科學研究的最前沿。但是，現(xiàn)今所有的設計都沒有很好地解決SPM的穩(wěn)定性問題，仍然需要借助外部的輔助設備（如隔音降噪、阻尼減震等設備）才能得到原子分辨率圖像。

掃描探針顯微鏡的核心部件是粗逼近馬達和掃描器，粗逼近馬達通常使用壓電馬達，負責驅(qū)動掃描器或與其相連的探針或樣品，使探針-樣品間距逼近到探針-樣品局域作用（local?interaction）區(qū)內(nèi)（通常為數(shù)埃米到數(shù)納米，例如掃描隧道顯微鏡中探針與樣品間產(chǎn)生隧道電流信號時，探針-樣品間距一般為幾個原子的距離）；而后，掃描器帶動探針或樣品進行掃描測量。現(xiàn)有技術(shù)中，要求粗逼近馬達不僅能使探針接近樣品，亦要求能使探針離開樣品以保護探針，所以粗逼近馬達和掃描器采用的是剛性連接的方式。這種方式的一個重大缺陷是粗逼近馬達的不穩(wěn)定性（由熱漂移、電子噪音、內(nèi)應力、機械振動等引起）會直接傳遞給掃描器，使顯微鏡成像的穩(wěn)定性變差。

我們以前提出的粗逼近馬達可脫離掃描器的掃描探針顯微鏡鏡體（發(fā)明專利申請?zhí)枺?01110187402.3，公開號：CN102866265A）可以從根本上解決上述問題，提高掃描探針顯微鏡穩(wěn)定性。但是，若想實現(xiàn)該設計，掃描器的回差問題必須要考慮。由于掃描器自身結(jié)構(gòu)具有一定的彈性，當粗逼近馬達同掃描器分離時，掃描器將因彈力的釋放而跟著往回形變，從而使探針-樣品間距增加。如果這種回差較大，那么，僅憑掃描器中XYZ壓電掃描管自身的伸縮范圍，或者不能使探針重新回到探針-樣品局域作用區(qū)內(nèi)從而無法實現(xiàn)對樣品的掃描測量，或者需要使用大尺寸XYZ壓電掃描管或高電壓驅(qū)動來增加掃描器的伸縮范圍，以期能將探針-樣品重新逼近到作用區(qū)內(nèi)進行掃描測量。但是，大尺寸XYZ壓電掃描管的熱機械穩(wěn)定性較差，而高驅(qū)動電壓的電子學噪音則較大，引入其中任何一個因素都將降低掃描探針顯微鏡的穩(wěn)定性和成像質(zhì)量，抵消粗逼近馬達同掃描器分離所帶來的有益效果，甚至得不償失。

在本發(fā)明中，我們提出一種低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器結(jié)構(gòu)，這種設計大大降低了掃描器的回差（在室溫環(huán)境下應用，實際測得的回差小于10納米），由此制成的粗逼近馬達可脫離掃描器的掃描探針顯微鏡在使用小尺寸XYZ壓電掃描管（最大尺寸小于7毫米）時，并完全使用低電壓（絕對值低于10伏特），就能實現(xiàn)掃描成像，且成像穩(wěn)定性和質(zhì)量都得到大幅提升，室溫大氣條件下，掃描探針顯微鏡實測到的水平漂移速率為22.6皮米每分鐘，垂直漂移速率低于35.3皮米每分鐘（參見附圖5），均低于現(xiàn)有已公開報道的同類鏡體，甚至在不借助傳統(tǒng)的隔音與減震設備的情況下仍然可以給出同等質(zhì)量的原子分辨率圖像（參見附圖6，高定向熱解石墨原子掃描隧道顯微鏡圖像，樣品偏壓100毫伏）。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的：為了解決現(xiàn)有掃描探針顯微鏡獨立掃描器回差大的問題，從而使得掃描探針顯微鏡獨立掃描器在使用小尺寸XYZ壓電掃描管時依然能夠以低電壓控制成像，提出一種低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是：

一種低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器，包括XYZ壓電掃描管，其特征是還包括導軌架、滑桿、彈簧片，所述XYZ壓電掃描管與滑桿共軸并且在一端相互固定，所述彈簧片將滑桿外壁平行地壓于導軌架的導軌上，滑桿的兩端皆伸出于導軌架的導軌長度以外，這種形成摩擦力的結(jié)構(gòu)不僅最簡單，而且局域摩擦條件和摩擦系數(shù)易于保持一致，同時形成摩擦力的正壓力在全部行程內(nèi)不會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生恒定、一致、可重復的摩擦力，降低了掃描器的回差；此外，導軌的全長處于滑桿長度之內(nèi)，避免了導軌端面與滑桿端面之間的相互作用，使得導軌與滑桿之間的摩擦面不易受損，提高了摩擦的重復性，也減少了回差。

所述的低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器，其所述導軌架的導軌的中段下沉，與所述滑桿外壁分離。

所述的低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器，其所述導軌架的導軌為平行雙導軌。

所述的低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器，其所述導軌架由鎢或鉭或鉻或包含它們之一的合金制成。

所述的低回差高重復掃描探針顯微鏡獨立掃描器，其所述滑桿為圓桿或方桿或六邊形桿并由三氧化二鋁或二氧化硅或陶瓷制成且表面拋光。