一种扫描隧道显微镜针尖座

1.本实用新型属于科学仪器设计领域，更具体地，涉及一种扫描隧道显微镜针尖座。


背景技术：

2.金属探针是扫描隧道显微镜技术的核心部件之一，为了将一根毫米级粗细的金属针尖在超高真空条件下原位传送至扫描探头部位，必须使用到针尖固定及传输装置(或称针尖座)。此外，为了实现稳定的隧穿电流，针尖顶端需要去掉绝缘层，而在真空中加热针尖是一种有效去除绝缘层的方法。但是，在加热处理过程中，针尖温度往往会达到1600℃以上，而针尖座由于和金属针尖之间存在热接触，温度一般也会达到1000℃以上。
3.目前主流的商用扫描隧道显微镜由日本unisoku公司生产，在该公司提供的针尖座设计方案中，涉及到各种零部件之间的电学接触和电学绝缘。总体思路是利用弹簧顶针来保证针尖与扫描隧道显微镜内置电极的电学接触，同时使用绝缘陶瓷层来保证针尖与接地外壳的绝缘性。但绝缘的陶瓷部件与金属部件之间是通过胶水粘接的，不能耐受400℃以上的高温。并且，其弹簧顶针部件内的弹簧，一般也会在高温环境下失去弹性，从而使得针尖的电学接触不良甚至绝缘，导致针尖和样品之间的隧道结不稳定，影响扫描隧道显微镜成像质量。此外，由于使用了胶水，在超高真空环境下对针尖座进行加热时，会有明显的放气过程，会破坏超高真空腔室的真空度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种扫描隧道显微镜针尖座，其目的在于提升针尖座在高温环境下工作的稳定性的同时提升扫描隧道显微镜的成像质量。
5.为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种扫描隧道显微镜针尖座，包括：
6.中空腔，其腔内从上到下依次安装连接头，弹性部件及顶针；连接头的顶部开有针尖孔，并伸出中空腔上端；顶针的下部伸出中空腔下端；中空腔的外部套装有接地外壳，接地外壳的底端作为扫描隧道显微镜连接端；中空腔与接地外壳之间还设有绝缘陶瓷层。
7.进一步地，所述中空腔下部为台阶式结构，所述台阶式结构作为限位部件使绝缘陶瓷层牢固卡接在中空腔与接地外壳之间。
8.进一步地，所述中空腔与连接头的下部通过螺纹连接。
9.进一步地，所述弹性部件为弹簧。
10.进一步地，所述接地外壳上方外缘同心设置多个翼状结构，用于传送把手在传送针尖座时抓取针尖座。
11.进一步地，所述连接头的上部开设有螺纹孔，通过与所述螺纹孔相适配的螺钉将连接头与针尖固定。
12.进一步地，所述中空腔的外壁上部设有限位外螺纹，通过与所述限位外螺纹相适
配的螺帽形成紧固部件，通过所述紧固部件，使中空腔与接地外壳紧固连接。
13.进一步地，所述绝缘陶瓷层为两层，与中空腔和接地外壳之间形成上下包夹结构。
14.进一步地，所述连接头、中空腔、螺帽、绝缘陶瓷层、弹簧、顶针均为可耐受1600℃以上高温的材料。
15.进一步地，所述连接头和所述螺帽的材料为钼，所述中空腔和所述顶针的材料为钛，所述弹簧的材料为掺杂弥散化钾的钨丝，所述绝缘陶瓷层的材料为氧化铝，所述接地外壳的材料为铍铜。
16.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
17.(1)本实用新型的针尖座的所有部件都通过机械结构连接在一起，克服了现有技术中部分零件通过胶水粘接，不能耐受400℃以上高温的技术问题，提升了针尖座在高温环境下工作的稳定性，同时提升了扫描隧道显微镜成像质量。
18.(2)本实用新型将中空腔与接地外壳通过绝缘陶瓷层隔开，绝缘陶瓷层与中空腔和接地外壳之间形成上下包夹结构，这种机械连接结构可以保证针尖和接地外壳之间在高温环境下的电学绝缘性，避免外界电噪声对隧道成像的影响。
19.(3)本实用新型通过将连接头的下方拧入中空腔内，压缩弹性部件，使得顶针与扫描隧道显微镜的内置电极充分接触，并将传导的扫描隧道显微镜的电信号通过弹性部件传递给连接头中的针尖，使得针尖始终和扫描隧道显微镜内置电极保持良好的电学接触，该设计不受高温环境的影响，避免了针尖和样品之间的隧道结不稳定，提升了扫描隧道显微镜成像质量。
20.(4)本实用新型中的连接头、中空腔、螺帽、绝缘陶瓷层、弹簧、顶针均为可耐受1600℃以上高温的材料，保证了整个针尖座在高温工作的稳定性。
21.(5)本实用新型中的弹簧材料为掺杂弥散化钾的钨丝，在高温受热或冷却之后，不会丧失弹性，该类型钨丝能够形成互锁内部晶体结构，提高了钨丝的抗高温蠕变性能，进一步保证了整个针尖座在高温工作的稳定性。
22.总而言之，本实用新型的扫描隧道显微镜针尖座，抛弃了传统的胶水粘接的方式，直接利用机械连接方式将金属部件和绝缘陶瓷层部件组合在一起，在提升扫描隧道显微镜成像质量的同时提升了针尖座在高温工作的稳定性，并且不存在放气过程，不会破坏超高真空腔室的真空度。
附图说明
23.图1为本实用新型实施例中扫描隧道显微镜针尖座的立体图。
24.图2为本实用新型实施例中扫描隧道显微镜针尖座的侧视图。
25.图3为本实用新型实施例中扫描隧道显微镜针尖座沿图2的a-a剖视图。
26.图4为本实用新型实施例中扫描隧道显微镜针尖座的俯视图。
27.图5为本实用新型实施例中扫描隧道显微镜针尖座的仰视图。
28.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
29.1-连接头；2-中空腔；3-螺帽；4-绝缘陶瓷层；5-接地外壳；6-弹簧；7-顶针。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.在本实用新型实施方式的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
32.如图1-图4所示，本实用新型中的扫描隧道显微镜针尖座主要包括：连接头1、中空腔2、螺帽3、绝缘陶瓷层4、接地外壳5、弹簧6以及顶针7。
33.中空腔2，其腔内从上到下依次安装连接头1，弹性部件及顶针7；连接头1的上部伸出中空腔2上端，在连接头1顶部开设有针尖孔，该针尖孔与扫描隧道显微镜的针尖相匹配，用于放置针尖；本实施例中，优选在连接头1上部中心开设直径为0.6mm的针尖孔。在连接头1的上部开设有螺纹孔，通过与螺纹孔相适配的螺钉将连接头1与针尖固定。
34.本实施例中，优选为连接头1的下部和中空腔2通过螺纹连接，连接头1的下部开设有外螺纹，中空腔2的内部开设有内螺纹。在其它实施例中，连接头1的下部和中空腔2也可以是卡接等其它机械固定方式。
35.中空腔2的外壁上部设有限位外螺纹，外壁靠近底部的位置设有限位凸块，底部开设有通孔；如图5所示，为了便于安装，中空腔2的底部优选设计为六面棱柱结构，作为组装针尖座时所使用工具的着力平面。
36.顶针7，下部伸出中空腔2下端，作为接触电极，用于传导扫描隧道显微镜电极的电信号给针尖；顶针7优选为t型。
37.弹性部件位于连接头1和顶针7之间，分别与连接头1的下部和顶针7的上部弹性接触，该弹性部件优选为弹簧6。
38.通过改变拧入连接头1的螺纹深度，改变弹簧6压缩的长度，从而改变顶针7与扫描隧道显微镜的接触刚度。使用时，将连接头1的下方拧入中空腔2内，压缩弹簧6，使得顶针7与扫描隧道显微镜的内置电极充分接触，并将传导的扫描隧道显微镜的电信号通过弹簧传递给连接头1中的针尖，使得针尖处于良好的电学接触状态，从而实现保证隧道结稳定，有利于得到高质量的隧道成像。
39.接地外壳5，套装在中空腔2外部下方，并引出接地端口；接地外壳5在底部设有开口，在所述开口的内侧设有与扫描隧道显微镜的扫描头上的外螺纹相适配的内螺纹，便于将接地外壳5拧在扫描隧道显微镜的扫描头上。另外，如图4和图5所示，在接地外壳5上方外缘同心均设置多个翼状结构，用于在真空环境中传送针尖座时，方便传送把手抓取针尖座；本实施例中，翼状结构的数量优选为三个。
40.绝缘陶瓷层4，卡接在中空腔2与接地外壳5之间，用于保证针尖和接地外壳5之间的电学绝缘性，从而可以将针尖和地之间进行电学绝缘，避免外界电噪声对隧道成像的影响。在中空腔下部为台阶式结构，该台阶式结构作为限位部件使绝缘陶瓷层牢固卡接在中空腔与接地外壳之间。
41.本实施例优选两层绝缘陶瓷层，与中空腔和接地外壳之间形成上下包夹的结构，上层绝缘陶瓷层位于中空腔外壁与接地外壳上部套装处之间，下层绝缘陶瓷层位于中空腔外壁下部台阶式结构与接地外壳上部开口套装处之间，便于针尖座的装配。在中空腔2上部开设的限位外螺纹，与螺帽3的内螺纹进行匹配，将螺帽3拧在中空腔2的上部，通过旋拧螺帽3，可以将绝缘陶瓷层4以及接地外壳5夹紧，从而一起形成紧固部件。中空腔2与接地外壳5通过该紧固部件固定连接，使得整个装置的部件机械连接在一起。
42.为了保证针尖座在高温状态下的稳定性，连接头1、中空腔2、螺帽3、绝缘陶瓷层4、弹簧6、顶针7的材料可以是钼、钛、钨、氧化铝等可耐受1600℃以上高温的材料。避免在高温条件下，同种金属材料之间形成原子键合而粘结在一起，本实施例中，所有直接相邻的零部件之间的材质均不同，其中，连接头1和螺帽3优选采用钼材质，中空腔2和顶针7优选采用钛材质，弹簧6优选为掺杂弥散化钾的钨丝，绝缘陶瓷层4优选为氧化铝。
43.由于接地外壳5距离被加热的针尖较远，所以对耐热性没有太严格的要求，本实施例中，接地外壳5的材质优选采用较软的铍铜。
44.同时，上述材料均可耐受2k以下的超低温，保证了本实用新型的针尖座也可以在2k以下的超低温环境下工作。在经历高温到超低温的温度变化过程中，不会由于热胀冷缩效应发生零件结构松弛的现象。
45.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。