[實用新型]一種納米操縱器原位磁輸運性質測量儀

有效

• 申請號: 201720319099.0
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN206740683U
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 彭勇;楊保林;張軍偉;鄭修軍;關超帥;胡陽;劉陳;李賢;薛德勝
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01N23/225
• 分類號: G01N23/225;H01J37/28;H01J37/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 鄭海峰

技術領域

本實用新型屬于磁學及磁性材料領域，尤其涉及一種納米操縱器原位磁輸運性質測量儀。

背景技術

就目前的電鏡原位研究而言，大部分工作僅僅局限于材料的力學、光學、熱學和電學等性能，而與磁學性質相關的研究少之又少，僅僅在透射電子顯微鏡中有少量的報道。可是，磁學的出現和發展對整個自然科學的發展意義重大，尤其是自1988年Fert教授首次發現金屬Fe/Cr多層薄膜中的巨磁阻效應(GMR)以后[3]，這一領域的基礎研究和工程應用在全球范圍內有了很大的突破，并獲得了巨大的成就。

磁電阻效應是磁結構單體最重要的物理效應之一。近三十年來，對磁電阻效應的不斷研究和應用不僅誕生了與電子自旋相關的自旋電子學理論，同時也促進了磁電子學器件的快速發展，形成了今天規模龐大的高科技產業。隨著各種器件基本結構單元的逐漸微型化發展，如磁阻傳感器、磁隨機存儲器等器件的微型化，迫切需要在電鏡中對單個磁結構單元實現全程實時、動態化原位讀寫等物理過程測量與記錄的磁輸運測量儀，以便我們能夠更加直觀、更加全面的了解和研究電子器件基本單元的工作原理，以及不同單元器件之間的相互影響，為推動自旋電子學基礎研究的發展以及為未來設計更好的電子學器件提供基礎和可能。

電子顯微鏡原位納米操縱器的問世，使得專門用于微/納米空間上納米單體磁輸運性質測量儀器的研發成為了可能。這套測量系統將具有價格低、效率高以及可控性好的特點，并可實現對測量過程和結果實時、動態和圖像化的記錄和分析，方便、快捷、準確地實現各領域的磁輸運測量。這一設備的研發有望替代耗資巨大的半導體微加工實驗，有效地解決磁性納米材料、磁電子學和半導體自旋電子學三個領域中材料單體、器件單元在微/納米尺度上直接、直觀的磁輸運性質測量問題。

掃描電鏡原位納米操縱器控制材料運動的精度最高可達0.4nm。對納米操縱器的z軸運動調控是技術難點之一。z軸運動部件的質量太大，壓電陶瓷片提供的驅動力不能大于自身重力，所以z軸很難運動。導致現有技術設計的z軸運動不理想。掃描電鏡加磁場樣品臺漏磁對掃描電鏡成像部分的影響又是一大技術難點。漏磁導致在掃描電鏡下成像時，由于漏磁對電子束像散影響太大，并不能清晰的成像。

發明內容

本實用新型針對上述三個領域急需解決的納米尺度下磁輸運性質的測量問題，改善設計、制造出了一套能安裝到掃描電子顯微鏡上的專門用于實時、動態、圖像化測量磁輸運性質的前沿科學儀器系統。它主要包含兩個核心部分：能夠對樣品進行磁化、同時能任意調節外磁場方向和樣品間角度的掃描電鏡磁阻測量樣品臺，和能夠導入、導出電輸運測量信號的掃描電鏡原位納米操縱器。

一種納米操縱器原位磁輸運性質測量儀包括四個納米操縱器，磁輸運特性測量儀器，底座，PCB電路板；四個納米操縱器組裝在底座的四邊，底座中間安裝磁輸運特性測量儀器，底座下固定PCB電路板；PCB電路板用于納米操縱器原位磁輸運性質測量儀的線路布局。

優選的，所述的磁輸運特性測量儀器包括樣品臺、卡臺、旋轉體、壓電陶瓷片和氧化鋁片組合體、磁罩、電磁線圈、鐵磁體、旋轉軸、和儀器底座；所述的旋轉體通過旋轉軸與儀器底座相連，旋轉體上設置鐵磁體；鐵磁體上纏繞電磁線圈；鐵磁體內設置卡臺，卡臺上設置樣品臺；鐵磁體外圍設置磁罩，磁罩底部與旋轉體連接；樣品臺臺面穿出旋轉體和磁罩；所述的儀器底座上設有凹槽，凹槽內設置有壓電陶瓷片和氧化鋁片組合體。

優選的，所述的納米操縱器包括X軸運動裝置、Y軸運動裝置、Z軸運動裝置、四電極壓電陶瓷管、銅管和針尖；X軸運動裝置、Y軸運動裝置、Z軸運動裝置均包括運動軌道、壓電陶瓷和運動塊；壓電陶瓷設置在運動軌道上，通過給壓電陶瓷施加脈沖電壓驅動運動塊在運動軌道上運動；所述的Y軸運動裝置設置在X軸運動裝置的運動塊上，Z軸運動裝置設置在Y軸運動裝置的運動塊上；四電極壓電陶瓷管設置在Z軸運動裝置的運動塊上；四電極壓電陶瓷管驅動銅管在小范圍內運動，銅管的運動帶動針尖運動。

本實用新型的納米操縱器將y軸和z軸進行了調換，極大地減小了z軸的重力影響，使得壓電陶瓷片提供的驅動力能夠大于重力，所以納米操縱器在z軸方向上可以平穩運動，實現了納米操縱器全面、高精度的運動。本實用新型將磁場引入掃描電子顯微鏡，實現納米空間上的實時、動態、圖像化磁輸運性質測量，降低磁電子學、半導體自旋電子學和磁性納米單體三個領域的樣品測量成本，實現定點、快速、直觀、全程監控且物性測量。本實用新型專門在所加磁化樣品臺的線圈部分設計了防漏磁裝置，使得磁化樣品臺的漏磁可以忽略不計。