[發明專利]具有雙傾功能的透射電鏡原位樣品桿

有效

• 申請號: 202010077755.7
• 申請日: 2020-01-31
• 公開（公告）號: CN111261480B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 聶安民;張奕志;王宏濤;田永君
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01J37/20
• 分類號: H01J37/20;H01J37/26
• 代理公司: 杭州橙知果專利代理事務所(特殊普通合伙) 33261
• 代理人: 杜放

具有雙傾功能的透射電鏡原位樣品桿，包括桿身，設于桿身內、與桿身同軸的轉軸和設置于轉軸頭端的納米驅動器；納米驅動器頭端安裝傾轉臺，傾轉臺具有與納米驅動器固定的基座，基座上設有彈簧片和動子，動子預緊于彈簧片與基座之間，動子與彈簧片、動子與基座分別為平面接觸，動子與彈簧片之間設有第一壓電驅動件，基座和動子之間設有第二壓電驅動件；基座上設有圓弧導軌，動子設有與圓弧導軌匹配的滑動件，動子上設有樣品安裝部位。本發明具有兼具原位測試功能和雙軸傾轉功能的優點。

技術領域

本發明涉及一種透射電子顯微鏡的樣品桿，特別是一種的具有雙傾功能的原位實驗樣品桿。

背景技術

透射電子顯微鏡(TEM)是表征材料微觀結構的重要設備，樣品桿是TEM的重要組件之一，樣品桿起到承載樣品，并對樣品施加物理場，如力、熱、電、光等作用。目前，材料科學研究的深入對透射電子顯微鏡及其原位技術提出了更高的要求，如何在對材料施加外場作用的同時，實現TEM原位雙傾觀測，稱為研究的熱點。

根據傾轉的方式，商業化的TEM樣品桿分為單軸傾轉和雙軸傾轉(雙傾)兩種。沿樣品桿軸線的旋轉為X軸旋轉，垂直于樣品桿軸和電子束入射方向的旋轉為Y軸旋轉，Y軸的旋轉需要在樣品桿上通過旋轉樣品載臺來實現。雙傾樣品桿可以在X軸和Y軸兩個維度轉動樣品，從而方便觀測晶體結構物質的表面形貌和衍射花樣，表征樣品的晶體結構。通常，Y軸傾轉主要通過以下幾種方式實現：方式1、偏心曲軸驅動的Y軸旋轉：通過在偏心曲軸前端鑲嵌陶瓷小球，小球卡在樣品傾轉臺卡槽中心，通過后端步進電機轉動帶動曲柄和小球轉動，推動傾轉臺在Y軸方向實現±30°傾轉。Gatan公司的646型和652型樣品桿均采用這種方式。但這種方式采用的機械結構的裝配精度要求高，裝配工藝復雜，前端鑲嵌的小球極易損壞；而且該傾轉裝置的體積較大，幾乎占用了整個樣品桿前段的空間，無法加裝額外的測量裝置。方式2、推桿和斜面驅動的Y軸傾轉：Rodrigo A.Bernal等人在《Double-tiltin situTEMholder with multiple electrical contacts and its application in MEMS-basedmechanical testing of nanomaterials》設計了一種雙軸傾轉透射樣品桿，利用步進電機連接推動桿前后運動推動前端傾轉臺斜面，使傾轉臺繞中心傾轉軸旋轉，實現Y軸傾轉。該方式增大了樣品桿前段的可用空間，適合與多種MEMS芯片搭配使用，但Y軸傾轉的角度受到較大限制，樣品的Y軸傾轉角度只能在±15°以內。但是，采用方式1或方式2實現雙軸傾轉的樣品桿都主要用于對材料顯微結構的觀測，很難同時兼具原位測試功能，如加熱、制冷和力學測試(拉伸或壓縮)。

發明內容

本發明的目的在于提供一種兼具原位測試功能和雙軸傾轉功能的透射電鏡樣品桿。

具有雙傾功能的透射電鏡原位樣品桿，包括桿身，設于桿身內、與桿身同軸的轉軸和設置于轉軸頭端的納米驅動器；其特征在于：納米驅動器頭端安裝傾轉臺，傾轉臺具有與納米驅動器固定的基座，基座上設有彈簧片和動子，動子預緊于彈簧片與基座之間，動子與彈簧片、動子與基座分別為平面接觸，動子與彈簧片之間設有第一壓電驅動件，基座和動子之間設有第二壓電驅動件；基座上設有圓弧導軌，動子設有與圓弧導軌匹配的滑動件，動子上設有樣品安裝部位。

轉軸提供樣品繞X軸轉動的自由度，傾轉臺提供樣品繞Y軸擺動的自由度。使樣品繞Y軸傾轉時，用導線連接第二壓電驅動件和第一壓電驅動件，對兩個壓電驅動件施加鋸齒波信號，使兩個壓電驅動件同時、同向作“緩慢變形、快速撤回”的周期性運動，壓電驅動件緩慢變形時，驅動動子繞Y軸擺動；壓電驅動件快速撤回時，動子停留在原位，或僅發生較小幅度的撤回位移，但壓電驅動件已恢復形變。如此，兩個壓電驅動件通過多次小位移累積的獲得樣品在Y軸的大角度位移。

這種多次小位移累積的驅動方式，壓電驅動件與動子之間的摩擦力是至關重要的。摩擦力過大，則可能無法驅動動子運動；摩擦力過小，又會導致動子無法自鎖定位置。本發明使用彈簧片預緊動子，通過調節彈簧片的預緊程度，來調節動子受到的壓力，從而調節動子與彈簧片、基座之間的摩擦力。