[發明專利]一種可重復定位的掃描探針顯微鏡

在審

• 申請號: 202110086099.1
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112684210A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 夏志剛;郭文璟;張晶晶
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01Q10/02
• 分類號: G01Q10/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種可重復定位的掃描探針顯微鏡，包括鏡體、步進器、預緊部件、掃描部件和樣品臺；該鏡體包括三個相互平行的直線導向軌道，在其中兩個直線導向軌道上置有步進器，該步進器被第三個直線導向軌道通過預緊部件壓在上述的兩個直線導向軌道上；該步進器包括一個支撐滑塊、兩個內滑塊和三個壓電體；所述的支撐滑塊的兩頂端的截面均為與上述兩直線導向軌道的截面相匹配的斜面，并且該支撐滑塊與上述兩直線導向軌道形成四點剛性接觸的大力矩穩固結構。該掃描探針顯微鏡在粗逼近/退針過程中不產生橫向偏移，它在毫米級行程往復粗逼近/后退時，探針在樣品同一區域的定位偏差小于30納米。本發明尺寸小、結構緊湊、環境兼容性強、具有可重復定位功能。

技術領域

本發明涉及一種可重復定位的掃描探針顯微鏡(SPM)，屬于掃描探針顯微鏡技術領域。

背景技術

自從掃描探針顯微鏡問世以來，它就成了表征樣品納米表面結構和形貌的有力工具。近年來隨著科學研究的多樣化以及研究的不斷深入，有些樣品材料在不同的測試條件下(比如，樣品局部受到應力作用，掃描探針顯微鏡多探針協同調試時，樣品局部變溫測試時，在變磁場環境、電化學方法調控時等)展現的新奇的特性對揭示樣品材料的性質和結構的關系，基本基本物質科學規律有著重要的作用，這也引起了人們的持續關注。然而，由于掃描探針顯微鏡工作時它的針尖距離樣品非常近(如掃描隧道顯微鏡的隧道結常小于1nm)，在調控樣品的測試條件/環境時容易引起針尖與樣品的間距劇烈的變化，導致樣品和針尖相撞，測試終止。為了避免這一悲劇的發生，通常是在改變樣品的測試環境前把針尖/樣品后退一定的距離；當環境調控結束后，再次逼近針尖/樣品，重新進行SPM測量。然而，由于傳統的掃描探針顯微鏡結構和步進方式的限制，退針后再次逼進它往往產生很大的定位偏差，探針很難兩次定位在樣品同一區域。為了跟蹤觀測樣品同一區域在環境調控前、后的性質變化，在第二次進針掃描時需要大面積搜尋待測目標。但是這種方法盲目并且效率很低，往往經過多次掃描搜尋后也很難找到被測區域。

事實上，傳統SPM不具有重復定位的功能是由于它所使用的壓電步進器引起的，具體體現在：傳統壓電步進器的各個部件常通過壓電體連接在一起，壓電體在整個步進器中起支撐作用。當步進器行走過程中受到不對稱的阻力作用時或壓電體發生伸縮形變時，會引起步進器局部偏轉或扭曲。因此，這些步進器行走過程中它的兩端常常會發生小幅的搖擺，并且搖擺的幅度和方向是隨機的，這就導致步進器沿導軌行走一定的距離后在垂直于行走的方向上它的位置會產生偏差，即橫向偏移。這最終體現在SPM往復的粗逼近和后退時它的針尖不能重復定位在樣品的同一區域。

發明內容

本發明提出一種可重復定位的掃描探針顯微鏡，以解決現有技術中掃描探針顯微鏡在粗逼近階段會產生隨機橫向偏移的問題。

本發明提供如下技術方案：一種可重復定位的掃描探針顯微鏡，其特征在于，包括鏡體、步進器、預緊部件、掃描部件和樣品臺；所述的鏡體包括三個相互平行的直線導向軌道，在其中兩個直線導向軌道上置有步進器，步進器被第三個直線導向軌道通過預緊部件壓在上述的兩個軌道上；所述的步進器包括一個支撐滑塊、兩個內滑塊和三個壓電體，所述的壓電體中的其中兩個分布在支撐滑塊與內滑塊之間，另一個分布在內滑塊與內滑塊之間，從而支撐滑塊和內滑塊與壓電體交錯分布；所述的內滑塊和壓電體在支撐滑塊的束縛下，處于預緊狀態，三者構成一個致密的整體；所述支撐滑塊和內滑塊在預緊部件的彈力作用下，與上述兩直線導向軌道間產生合適的正壓力，從而與兩直線導向軌道之間有合適的摩擦力；所述的掃描部件被固定在步進器上，樣品臺固定在鏡體上或者掃描部件被固定在鏡體上，樣品臺被固定在步進器上；所述的掃描部件包括壓電體固定臺、掃描壓電體、探針架、探針；所述的樣品臺包括樣品底座和樣品。

其特征在于，所述的直線導向軌道的截面為柱面或斜面。

其特征在于，所述支撐滑塊的兩頂端均有兩個與直線導向軌道的截面相匹配的斜面，在彈性預緊部件的作用下兩個頂端的斜面均與所述的兩直線導向軌道剛性接觸，并且它與這兩個直線導向軌道形成四點接觸的大力矩穩固結構。