[發(fā)明專利]三自由度樣品桿

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811034047.4
• 申請(qǐng)日: 2018-09-05
• 公開（公告）號(hào): CN109459456B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王宏濤;張奕志
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N23/2204
• 分類號(hào): G01N23/2204
• 代理公司: 杭州橙知果專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33261
• 代理人: 杜放

多自由度樣品桿，樣品桿上設(shè)有納米定位器，納米定位器包括驅(qū)動(dòng)件、關(guān)節(jié)球和壓件組件，關(guān)節(jié)球與驅(qū)動(dòng)件固定，壓件組件包括至少兩個(gè)壓件和彈性連接組件，彈性連接組件連接相鄰的壓件，壓件組件抱住關(guān)節(jié)球，壓件與關(guān)節(jié)球之間具有預(yù)緊力。本發(fā)明具有具有X軸平移、Y軸平移和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三自由度，且在重復(fù)使用中性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子顯微鏡、透射電鏡下使用的樣品桿。

背景技術(shù)

原 位觀察技術(shù)在透射電子顯微學(xué)研究中有著悠久的歷史。通過在樣品上施加各種物理作用，利用透射電子顯微鏡（透射電鏡）來觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)狀態(tài)的變化，可以直接地研究材料或器件在實(shí)際使用過程中的性能表現(xiàn)，對(duì)于材料性能的研究有著重要的實(shí)際意義。透射電鏡中的原位技術(shù)其難度在于不但要將物理作用準(zhǔn)確地施加在樣品上，同時(shí)還要滿足一系列苛刻的條件，比如要維持電鏡系統(tǒng)的超高真空度，保證樣品臺(tái)極高的穩(wěn)定度，且不能干擾成像光路，整個(gè)結(jié)構(gòu)必須緊湊以適用于透射電鏡狹小的樣品室等。因此，原位電鏡技術(shù)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在原位樣品桿的研究和制作上。

瑞典Svensson, K.等人在2003年發(fā)表的文章《Compact design ofatransmission electron microscope-scanning tunneling microscope holderwiththree-dimensional coarse motion》公開了一種三維壓電探針，這種三維壓電探針是透射電鏡樣品桿的一部分，壓電探針包括一根壓電陶瓷管和一顆小球，小球固定于壓電陶瓷管，小球上裝有通過柔性絲爪抓住小球的樣品夾持器，壓電陶瓷管控制小球作“緩慢移動(dòng)、快速撤回”的微小幅度（壓電陶瓷管軸向方向2.5微米以下、其余兩個(gè)方向30微米以下）的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。柔性絲爪通過摩擦力抓緊小球，壓電陶瓷管做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，樣品夾持器通過柔性絲爪與小球之間的摩擦力被連續(xù)甩動(dòng)，由此產(chǎn)生行程較大、步長較大的位移控制（粗調(diào)）。結(jié)合壓電陶瓷管本身產(chǎn)生的行程較小、連續(xù)可調(diào)的位移控制（精調(diào)），可以在狹小空間內(nèi)累積實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度（軸向平移一個(gè)自由度、以及繞小球旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度）的較大行程（約3mm）的精確的位移控制。這種三維壓電探針己運(yùn)用于美國FEl公司的NanoEx 3D STM/EP系統(tǒng)和NanoEx 3Dlndentor 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)透射電子顯微鏡下的原位STM 、原位壓痕和電氣探查。

這種三維探針的缺點(diǎn)在于：1、柔性絲爪易變形，為了保持它與小球之間的摩擦力，需要經(jīng)常調(diào)整柔性絲爪的形狀，但柔性絲爪有多根，無法保證每根柔性絲爪的一致性，從而造成三維探針隨著使用的時(shí)間和次數(shù)，其精度越來越低。2、柔性絲爪的長度使樣品夾持器與小球之間有間隙，小球循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使樣品夾持器順著絲爪遠(yuǎn)離小球或者靠近小球，從而實(shí)現(xiàn)樣品的軸向位移，但樣品夾持器通過柔性絲爪懸掛在小球上，樣品夾持器及其上的樣品受重力作用會(huì)向下墜，位置精度不高。而透射電鏡中的視域范圍是納米和微米級(jí)，樣品受重力作用的位置偏差很可能導(dǎo)致樣品偏離電鏡的視域范圍而無法觀察；并且位置偏差的存在導(dǎo)致很難將樣品調(diào)整到適合觀察的位置和角度。3、探針夾持裝置沿壓電陶瓷管軸向方向前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性絲爪的形狀與上述摩擦力之間的關(guān)系復(fù)雜，調(diào)整其形狀難以保證該摩擦力始終合適。加上探針夾持裝置受重力的影響，使得在粗調(diào)時(shí)容易產(chǎn)生相合運(yùn)動(dòng)，難以準(zhǔn)確控制探針；甚至由于柔性絲爪的形狀調(diào)整不當(dāng)，不能抓住小球，可能使探針夾持裝置掉落到設(shè)備內(nèi)部，造成設(shè)備損壞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有X軸平移、Y軸平移和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的三自由度，且在重復(fù)使用中性能穩(wěn)定的三自由度樣品桿。

三自由度樣品桿，其特征在于：樣品桿上設(shè)有納米定位器，納米定位器包括驅(qū)動(dòng)件、關(guān)節(jié)球和壓件組件，關(guān)節(jié)球與驅(qū)動(dòng)件固定，壓件組件包括至少兩個(gè)壓件和彈性連接組件，彈性連接組件連接相鄰的壓件，壓件組件抱住關(guān)節(jié)球，壓件與關(guān)節(jié)球之間具有預(yù)緊力。比如壓電陶瓷管作為驅(qū)動(dòng)件。

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