一种应用于电子显微镜中的高稳定性扫描探针装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及材料测试仪器领域，更确切地说涉及在原子尺度和介观尺度下对材料观察，测量和控制以及类似装置。本发明的内容是提供一种将扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的功能结合起来的全新设计方案；并构建一种全压电陶瓷控制的三维空间精确定位装置，此装置可以在扫描透射电子显微镜中控制和移动扫描探针，使得探针接近或接触样品的表面，从而获得样品表面成像；可有效避免探针对样品的破坏，可以使用探针在透射电子显微镜下施加控制电场，诱发反应和改变材料的性质。
【专利说明】-种应用于电子显微镜中的高稳定性扫描探针装置
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及材料测试仪器领域，更确切地说涉及在原子尺度和介观尺度下对材料 观察，测量和控制以及类似装置。
【背景技术】：
[0002] 进入21世纪以来，随着科学技术的飞速发展，新材料和新技术的研究和探索日新 月异；在微观尺度下研究材料的结构和性能，乃至于从材料的基本结构和成分出发，调控以 至于改变材料的性能，逐渐成为人类科技发展和进步的原动力。为了得到材料的微观结构 甚至原子结构信息，科学界、工艺界发明了一些测量方法和技术。其中，扫描透射电子显微 镜（STEM)、扫描探针显微镜（SPM)等都是近几十年发展起来的高科技测量技术。
[0003] 透射电子显微镜（英语：Transmission electron microscope，缩写 TEM)，简称透 射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而 改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明 暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件（如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件）上 显示出来。透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0. 1?0. 2纳米，放 大倍数为几万?百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可 以用于观察仅仅一列原子的结构。
[0004] 扫描探针显微镜（Scanning probe microscopy,缩写为SPM)是所有机械式地用 探针在样本上扫描移动以探测样本影像的显微镜的统称。其影像解析度主要取决于探针的 大小〔通常在纳米的范围〕。扫描隧道显微镜是第一个被发明的扫描探针显微镜〔1981年〕。 扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加 高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下（4K)可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它 在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
[0005] 扫描透射电子显微镜（STEM)，作为少数几种可以提供材料的原子结构信息的技 术，在材料以及其它科学领域展现了重要的作用。另一方面，扫描探针显微镜（SPM)使用尖 锐的探针去探测物质的表面结构，也可以提供表面的原子结构分布信息，甚至使用局域的 电场操纵和改变物质的结构和性能。因此如何结合扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜 的功能，成为21世纪显微镜【技术领域】的终极目标。
[0006] 要实现这一目标，有许多技术上的困难和障碍需要克服。首先，扫描透射电子显微 镜和扫描探针显微镜的样品是不兼容的；扫描透射电子显微镜是基于样品的减薄部分从而 获得高分辨的透视成像，于样品的表面无关。而扫描探针显微镜却要求样品有平整的表面。 历史上，L. Marks曾经利用旋进电子衍射技术研究氧化物材料的表面结构。这个工作表明 透射电子显微镜是有可能用来研究物质的表面结构的。然而，在实际情况下，由于扫描探针 挡住了电子束的路径，两种技术是很难结合在一起的。
[0007] 另外，由于扫描透射电子显微镜中的样品空间很小，只有3-5毫米厚；这个使得扫 描探针部分的设计变得极为困难。扫描探针在电子显微镜下的精确定位因此变得非常重 要。
[0008] 目前，市场上有一些商用的产品试图做到这种结合。比如瑞典的Nanofactory instruments公司生产一种透视电镜中使用的样品座。然而，由于他们的扫描探针部分的糟 糕设计，使得这种产品在实际使用中很难得到高分辨的成像。我们采用了全新的扫描探针 部分的设计，从而实现扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的功能完美的结合。
【发明内容】
[0009] ：针对以上提到的问题，提出本发明。
[0010] 本发明的内容是提供一种将扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的功能结合 起来的全新设计方案；并构建一种全压电陶瓷控制的三维空间精确定位装置，此装置可以 在扫描透射电子显微镜中控制和移动扫描探针，使得探针接近或接触样品的表面，从而获 得样品表面成像；可有效避免探针对样品的破坏，可以使用探针在透射电子显微镜下施加 控制电场，诱发反应和改变材料的性质。
[0011] 本发明涉及的解决方案为：设计一个小型全压电陶瓷控制的三维空间精确定位装 置，利用压电陶瓷的特性，通过外加脉冲电压驱动X，Y和Z方向上三个独立的步进马达，从 而达到在有限的电镜样品空间内扫描探针的精确定位。
[0012] 本发明涉及的装置包含：三个独立的压电陶瓷控制的步进马达，控制X，Y和Z方向 上探针的移动。由于扫描探针在此三个方向上的移动距离和精度要求各不相同，因此三个 步进马达的设计也不同。X方向所需移动距离较长，对单步步长（精度）要求较高；而Υ和 Ζ方向的所需移动距离较短，对单步步长（精度）要求很高。
[0013] 本发明的主要特点在于：
[0014] 1.通过X，Υ和Ζ方向上三个独立的压电陶瓷马达，独立稳定的精确控制扫描探 针在电子显微镜样品空间的位置；利用电子显微镜的实时观察，通过粗动进针和自动细致 进针的结合，将扫描探针移动到感兴趣的区域，利用压电陶瓷扫描管，让探针在二维面内扫 描，得到样品表面形貌像，实现扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜同时工作成像。或者 是利用扫描探针对材料感兴趣的区域施加可控的电场，操纵或改变材料的结构和性能，利 用扫描透射电子显微镜实时的观测，提供原子结构的信息。避免由于扫描探针的不稳定，导 致对样品的破坏。
[0015] 2.说明1中所述的压电陶瓷马达可以为：惯性滑动压电陶瓷马达，尺蠖压电陶瓷 马达，等任何压电陶瓷控制的移动定位装置。
[0016] 3.说明1中所述的压电陶瓷扫描管可以为：任何形式的压电陶瓷扫描装置，只需 能在X，土Υ和土Ζ方向上精确移动探针，移动精度可控，最小移动步长要求达到或小于1纳 米即可。
[0017] 4.说明1中所述的扫描探针包含但不仅限于：尖端形状和大小可控的金属探针。
【专利附图】
【附图说明】：
[0018] 图1. 一种惯性滑动压电陶瓷马达模型。
[0019] 图2. -种PAN型压电陶瓷马达。其中三棱柱可以在V型槽内滑动，弹簧片通过宝 石半球将三棱柱压住，松紧度可以用螺丝调节。
[0020] 图3.电子显微镜中高稳定性扫描探针装置结构图，其中：
[0021] ① X方向压电陶瓷马达；②Y方向压电陶瓷马达；③Z方向压电陶瓷马达；④压电 陶瓷扫描管；⑤扫描探针。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0023] 实例一：参照图3。
[0024] X方向需要移动距离达到0-2厘米，步长最高精度要达到50纳米，因此我们采用的 是惯性滑动条状压电陶瓷马达（图1);而Y和Z方向的所需移动距离是1-2毫米，步长的 精度要达到20纳米；由于空间的限制，Z方向上的压电陶瓷马达要非常小，但又要很稳定； 因此我们采用的是棱柱状PAN型压电陶瓷马达（图2)。此外，装置还包括压电陶瓷管状扫 描器（图3)，用来扫描和超高精度精确定位扫描探针。通过施加脉冲电压，利用X方向惯性 滑动压电陶瓷马达（1)移动扫面探针（5)，用肉眼观察将其接近样品，但不要接触。然后插 入扫描透视电子显微镜中。在电子显微镜的视场中，调节扫描探针的Y和Z方向的位置，使 之精确定位在样品的边缘。采用自动细致进针模式，使得扫描探针驱动至距离样品〇. 5纳 米处或接触样品。整个过程都在电子显微镜外，利用控制单元控制完成。此后可以给扫描 探针施加电压，同时在透射电子显微镜下观察样品原子结构的改变。
【权利要求】
1. 一种将扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的功能结合起来的全新设计方案； 其设计原理在于：设计一个小型全压电陶瓷控制的三维空间精确定位装置，利用压电陶瓷 的特性，通过外加脉冲电压驱动X，Y和Z方向上三个独立的步进马达，从而达到在有限的电 镜样品空间内扫描探针的精确定位；此装置可以在扫描透射电子显微镜中控制和移动扫描 探针，使得探针接近或接触样品的表面，从而获得样品表面成像；可有效避免探针对样品的 破坏，可以使用探针在透射电子显微镜下施加控制电场，诱发反应和改变材料的性质。
2. 根据权利要求1所述的设计方案，构建一种系统，系统包括：三个独立的压电陶瓷控 制的步进马达，控制X，Y和Z方向上探针的移动；此外，装置还包括压电陶瓷扫描管（图3)， 用来扫描和超高精度精确定位扫描探针。
3. 根据权利要求2所述的压电陶瓷马达，其特点在于：任何压电陶瓷控制的移动定位 装置，例如：惯性滑动压电陶瓷马达，尺蠖压电陶瓷马达等。
4. 根据权利要求2所述的压电陶瓷扫描管，其特点在于：任何形式的压电陶瓷扫描装 置，需能在X，土Y和土Z方向上精确移动探针，移动精度可控。
5. 根据权利要求1所述的扫描探针，其特性在于：尖端形状和大小可控的金属探针。
【文档编号】G01Q10/04GK104122414SQ201410362781
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】潘明虎 申请人:潘明虎