一种隧道扫描显微镜的制作方法

1.本发明属于扫描探针显微镜技术领域，具体涉及一种隧道扫描显微镜。


背景技术：

2.隧道扫描显微镜已经发展成为现代科学研究的重要工具之一，这一重要的实验工具凭借着其原子级别的空间分辨能力，在单分子表面催化、凝聚态物理、纳米材料、生物科学等领域被广泛应用。而针对不同的研究领域，科研人员将隧道扫描显微镜移植到不同的环境当中，进而创造出了许多独特的研究装置，例如溶液环境下的电化学stm、低温真空stm、强磁场环境下的stm、高压stm；甚至还有人将拉曼和stm结合，这样既能够通过拉曼光谱探测材料的化学属性，又能够通过stm极高的空间分辨率研究材料表面的物理特性。而将stm和低温条件进行结合的研究手段是最早被人们所利用的，直到现在低温stm仍然是很多知名的高校、实验室以及科研院所必备的实验仪器之一，且越来越受到人们的重视。
3.传统的stm镜体往往采用扫描头一马达一体式的设计，即把扫描头直接固定在粗步进马达上，通过马达带动扫描头实现探针到样品的粗逼近，这一类的镜体结构有很多，这种一体式的镜体结构往往比较简单，理论上只要在一个足够精密的步进马达上安装一个扫描头就能实现stm的功能，但在实际使用当中这种结构的缺点也很明显，那就是粗步进马达的不稳定性容易传递给扫描头，从而影响到隧道结的稳定性，所以这类镜体通常在低温下才能够很好地工作，而且还需要采取很好的减震措施。在设计镜体结构时，为了排除粗步进马达对扫描头的影响，我们曾经提出过一种马达一扫描头分体式镜体结构，即把扫描头和步进马达在机械结构上进行分离，这样在扫描成像时马达就不会对扫描头造成影响，从而大大提高了隧道结的稳定性。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种隧道扫描显微镜，包括底座、镜体、惯性马达、扫描头、样品台，所述镜体为中空结构，所述镜体一端与底座连接，所述镜体另一端与样品台连接，所述镜体内设置有惯性马达，惯性马达包括平行设置的两个压电管，所述两个压电管一端固定在底座上，所述两个压电管另一端设有滑轨，所述两个压电管与所述滑轨间设有绝缘片，所述滑轨为一端中空的长方体，所述滑轨靠近中空一侧的侧面设有滑槽，所述滑轨内部第一滑块，所述第一滑块上设有圆柱，所述第一滑块底面与所述滑轨间设有弹簧片，所述第一滑块顶面与所述滑轨间设有圆球；
5.所述扫描头包括针托、扫描管、探针和第二滑块，所述第二滑块两端中空，所述第二滑块内部设有所述扫描管，所述扫描管两端通过绝缘环固定在所述第二滑块内，所述扫描管与探针通过针托连接，所述第二滑块底部设有圆槽，所述圆槽与所述第一滑块上的圆柱相配合，所述滑块外侧两侧面设有凸台，所述凸台与沟槽一面连接，所述沟槽另一面与所述样品台接触。
6.进一步地，所述第一滑块顶面与所述滑轨间设有三个圆球，所述圆球呈等腰三角
形。
7.进一步地，所述样品台呈l型，所述样品台一端放置样品，所述样品台另一端设有长方形槽，所第二滑块一端设置在所述长方形槽中。
8.进一步地，所述沟槽为u型。
9.进一步地，所述沟槽与所述第二滑块通过环氧树胶连接，所述沟槽与所述样品台接触面光滑。
10.进一步地，所述第一滑块纵截面为凸型。
11.进一步地，所述圆球、绝缘片、沟槽和绝缘环都采用蓝宝石材料。
12.进一步地，所述底座和所述滑轨采用金属钛材料。
13.实施本发明实施例，具有如下有益效果：马达和扫描头分体式设计把扫描头和惯性马达进行了功能性划分，扫描头负责扫描成像，惯性马达负责探针的粗逼近，当粗步进完成以后惯性马达进行回撤而不对扫描头造成干扰。另外，由于惯性马达和扫描头是分离的，探针到样品的机械回路变得很小，从而更加有利于隧道结的稳定，由于该隧道扫描显微镜结构较小，长度为30mm，宽度为20mm，能够在极低温以及强磁场等对隧道扫描显微镜尺寸有较大限制的极端环境中使用。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明所述的隧道扫描显微镜，下面将对实施例所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
15.图1为本发明所述的隧道扫描显微镜结构示意图；
16.图2为所述的镜体和第一滑块侧视图结构示意图；
17.图3为所述的镜体和第一滑块侧视图结构示意图；
18.图4为所述扫描头结构示意图。
19.附图中标记如下:
[0020]1‑
底座；2
‑
镜体；3
‑
惯性马达；4
‑
扫描头；5
‑
样品台；31
‑
压电管；32
‑ꢀ
滑轨；33
‑
绝缘片；34
‑
第一滑块；35
‑
弹簧片36
‑
圆球；41
‑
针托；42
‑
扫描管； 43
‑
探针；44
‑
第二滑块；45
‑
凸台；46
‑
沟槽；47绝缘环，51
‑
样品。
具体实施方式
[0021]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
实施例1：
[0023]
如图1至图4所示，一种隧道扫描显微镜，包括底座1、镜体2、惯性马达3、扫描头4、样品台5，所述镜体2为中空结构，所述镜体2一端与底座1连接，所述镜体2另一端与样品台5连接，所述镜体2内设置有惯性马达3，惯性马达3包括平行设置的两个压电管31，所述两个压电管31一端固定在底座1上，所述两个压电管31另一端设有滑轨32，所述两个压电管31与
所述滑轨32间设有绝缘片33，所述滑轨32为一端中空的长方体，所述滑轨32靠近中空一侧的侧面设有滑槽，所述滑轨32内部第一滑块34，所述第一滑块34上设有圆柱，所述第一滑块34底面与所述滑轨 32间设有弹簧片35，所述第一滑块34顶面与所述滑轨32间设有圆球36；
[0024]
所述扫描头4包括针托41、扫描管42、探针43和第二滑块44，所述第二滑块44两端中空，所述第二滑块44内部设有所述扫描管42，所述扫描管42两端通过绝缘环47固定在所述第二滑块44内，所述扫描管42与探针43通过针托41连接，所述第二滑块44底部设有圆槽，所述圆槽与所述第一滑块34上的圆柱相配合，所述滑块外侧两侧面设有凸台45，所述凸台45与沟槽46一面连接，所述沟槽46另一面与所述样品台5接触。
[0025]
具体地，所述压电管31采用两个轴向切割的外电极和一个单一的内电极，每个压电管31的内电极均接地，两个压电管31的四个外电极中在同一侧的两个外电极相连，组成一组推挽电极。这样，当一对电压推挽信号施加给马达时，这对压电管31会发生侧向的形变，从而驱动滑块沿着导轨滑动，实现了马达的粗步进功能。所述第一滑块34采用金属钨，钨比较重，所受惯性就大，马达行走就更容易，并且跟蓝宝石之间摩擦时能减少其表面的磨损。
[0026]
所述第二滑块44内部设有所述扫描管42，所述扫描管42两端通过绝缘环47固定在所述第二滑块44内，不与第二滑块44接触，扫描管42采用外电极四等分、内电极为单一电极的压电管31，其四个外电极负责xy 方向扫描，内电极负责z方向扫描。
[0027]
优选地，所述第一滑块34顶面与所述滑轨32间设有三个圆球36，所述圆球36呈等腰三角形，方便第一滑块34滑动，振动幅度小。
[0028]
进一步地，所述样品台5呈l型，所述样品台5一端放置样品51，所述样品台5另一端设有长方形槽，所第二滑块44一端设置在所述长方形槽中。
[0029]
进一步地，所述沟槽46为u型，跟第二滑块44的凸台45相配合，方便滑动。
[0030]
进一步地，所述沟槽46与所述第二滑块44通过环氧树胶连接，所述沟槽46与所述样品台5接触面光滑，便于第二滑块44在样品台5上滑动，减小摩擦。
[0031]
进一步地，所述第一滑块34纵截面为凸型。
[0032]
优选地，所述圆球36、绝缘片33、沟槽46和绝缘环47都采用蓝宝石材料，稳定性好，硬度高。
[0033]
优选地，所述底座1和所述滑轨32采用金属钛材料，滑轨32采用金属钛材料，减少压电管31负荷。
[0034]
具体地，所述弹簧片35采用的铍铜，铍铜回弹性很好。
[0035]
隧道扫描显微镜工作原理：当探针43远离样品51时，利用双压电管 31急速的侧向形变产生的惯性力把第一滑块34甩动，进而推动第二滑块 44向着样品51的方向移动。当探针43和样品51的距离足够小并探测到有隧道电流产生时，探针43的粗逼近过程完成，这时候在扫描管42内电极施加一定的电压就可以实现探针43的细逼近和扫描成像。粗逼近完成后，对惯性马达3施加反向的电压信号，使滑块第一滑块34远离第二滑块44，这样当扫描头4在扫描成像时，隧道结就不会受到任何来自于第一滑块34 以及下面压电管31的干扰。通过减少扫描头4的物理连接，甚至包括与惯性马达3的连接，尽可能的把扫描单元做的小而紧凑，这样扫描管42在工作时就会更加稳定。当扫描成像结束后，惯性马达3后退，第一滑块34推动扫描头4撤出隧道区。
[0036]
采用独立式扫描头4，利用第一滑块34带动第二滑块44滑动来实现探针43与样品51的粗逼近，进而实现分体的目的。传统的镜体2结构中扫描头4直接固定在步进马达上，在进针时首先要在扫描管42内电极上加一个很大的电压使扫描管42伸长，进而判断探针43是否进入隧道区，如果没有到隧道区则扫描管42缩回，马达前进一步，为了保证安全进针，扫描管42伸长的长度要大于马达步进的距离。而对于我们的马达一扫描头4 分体式结构来讲，我们的扫描头4安装在独立于惯性马达3的导轨上，所以不需要扫描管42的伸长探测，因此我们的扫描管42可以做的很短，这样扫描管42的刚性就很强，工作性能就更稳定。
[0037]
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。