粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体的制作方法

专利名称:粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描探针显微镜镜体，特别涉及一种粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，属于扫描探针显微镜技术领域：
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背景技术：
扫描探针显微镜(scanning probe microscope,简称SPM)以其真实空间中无可争议的原子分辨能力而在纳米技术、原子操纵、量子调控、分子生命科学、材料和表面催化化学等众多国家科技战略领域发挥重要作用。但其发展至今仍有一些重大问题没有得到很好的解决，其中具代表性的一个就是稳定性问题。
扫描探针显微镜的核心结构(见附图I)是通过粗逼近马达把驱动探针相对于样品扫描的扫描结构(以下简称扫描结构)中的探针和样品逼近到微观的探针-样品局域作 用(Iocalinteraction)距离(通常是纳米或更小的距离，例如扫描隧道显微镜中探针与样品间产生隧道电流这一局域作用的探针-样品间距一般为几个原子的距离；原子力显微镜中探针与样品间产生原子力这一局域作用的探针-样品间距一般也为几个原子的距离)；之后，扫描结构就可以驱动探针相对于样品表面扫描了。在现有技术中，粗逼近马达不仅要求能实现上述粗逼近过程，也要求能把探针和样品从逼近状态分开到相隔较远的安全距离，所以，粗逼近马达总被设计成与扫描结构为刚性连接(见附图1)，使得探针-样品间距能随粗逼近马达的进退而即时地来回调节。这就带来了一个重大问题粗逼近马达本身的不稳定性包括热漂移、热涨落、机械振动(源自外界的振动和/或声音干扰)等会传递到扫描结构中，破坏探针-样品局域作用的稳定性，从而导致成像的质量变差、畸变变大。而且，由于粗逼近马达是要把探针和样品的间距由最初的宏观距离步进到微观的局域作用距离，需要克服摩擦力阻力或推动较大负载，所以其自身的尺寸通常较大，产生的热漂移、热涨落、机械振动等不稳定性也就很大，是极具破坏性的，这使得扫描探针显微镜发展至今也不能较长时间地追踪同一个原子，特别是在变温、变场(磁场)时更是如此。
在本发明中，我们提出一种粗逼近马达与扫描结构可脱离的结构在粗逼近时，粗逼近马达把扫描结构中的探针推向样品或样品推向探针，但在粗逼近马达回撤时，粗逼近马达与扫描结构脱离，从而在此后的成像过程中粗逼近马达的不稳定性不会传递到扫描结构中。

发明内容
本发明的目的为了解决现有扫描探针显微镜镜体中粗逼近马达的不稳定性会传递到探针-样品局域作用结构中导致其稳定性变差的问题，提出一种粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体。
本发明实现上述目的的技术方案是
本发明粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，包括压电定位器，样品座，探针座，粗逼近马达，其特征在于还包括导轨，所述粗逼近马达和压电定位器设置于导轨上，所述样品座和探针座双方之一设置于压电定位器上，另一方设置于导轨上，样品座、探针座和压电定位器三者之一作为动体受粗逼近马达推动沿导轨方向进行样品座和探针座间的粗逼近，粗逼近马达在回撤时与动体分开，独自回撤，动体不随之回撤。
所述的样品座和探针座中设置于导轨上的一方和导轨之间增设另一压电定位器。
所述的压电定位器为一维或二维或三维压电定位器。
所述的粗逼近马达为压电马达。
所述的压电马达为双压电体并排推动的三摩擦力步进器，或者其基座固定于所述导轨上，或者其滑杆与所述导轨为一体。
本发明粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，包括压电定位器，样品座，探针座，粗逼近马达，其特征在于还包括导轨，绳子，所述粗逼近马 达和压电定位器设置于导轨上，所述样品座和探针座双方之一设置于压电定位器上，另一方设置于导轨上，样品座、探针座和压电定位器三者之一作为动体受粗逼近马达推动沿导轨方向进行样品座和探针座间的粗逼近，动体和粗逼近马达之间连接有松弛的绳子，动体在粗逼近马达回撤时不立即随之回撤，而是等粗逼近马达回撤到把绳子拉直后才由绳子拖着回撤，形成延迟回撤结构。
所述的样品座和探针座中设置于导轨上的一方和导轨之间增设另一压电定位器。
所述的压电定位器为一维或二维或三维压电定位器。
所述的粗逼近马达为压电马达。
所述的压电马达为双压电体并排推动的三摩擦力步进器，或者其基座固定于所述导轨上，或者其滑杆与所述导轨为一体。
本发明的工作原理为本发明中的样品座、探针座和压电定位器构成扫描结构；粗逼近马达与动体之间不是刚性或固定连接。在本发明的第一个独力技术方案中，粗逼近马达单向推动动体进行粗逼近(动体可以是样品座、探针座或压电定位器，因为粗逼近马达可直接推动样品座和探针座二者之一向另一方逼近，也可推动压电定位器使之带着其上的样品座和探针座之一方往另一方逼近)，粗逼近马达在回撤时与动体分开，独自回撤，动体不随之回撤，这样，在扫描成像前可先将粗逼近马达回撤一段距离，与扫描结构分离，在随后的扫描成像过程中，粗逼近马达的不稳定性就不会传到扫描结构中，从而实现了本发明的目的；在本发明的第二个独力技术方案中，粗逼近马达推动动体进行粗逼近(动体可以是样品座、探针座或压电定位器，因为粗逼近马达可直接推动样品座和探针座二者之一向另一方逼近，也可推动压电定位器使之带着其上的样品座和探针座之一方往另一方逼近)，但动体和粗逼近马达之间连接有松弛的绳子，动体在粗逼近马达回撤时不立即随之回撤，而是等粗逼近马达回撤到把绳子拉直后才由绳子拖着回撤，形成延迟回撤，这样，在扫描成像前可先将粗逼近马达回撤一小段距离，但不足以把松弛的绳子拉直，此时粗逼近马达与扫描结构之间只通过松弛的绳子连接，在随后的扫描成像过程中，粗逼近马达的不稳定性不会通过松弛的绳子传到扫描结构中，从而也实现了本发明的目的，以后，如果需要把探针和样品从逼近状态分开到相隔较远的安全距离，可让粗逼近马达进一步回撤，等到绳子被拉直后再利用绳子拖着动体回撤，就把探针和样品从逼近状态分开到相隔较远的安全距离了。
根据上述原理可以看出，本发明的有益效果体现在[0019]在不增加复杂性的条件下，使得粗逼近马达的不稳定性包括其热漂移、热涨落、机械振动(源自外界的振动和/或声音干扰)等传递不到扫描结构中，这就排除了扫描探针显微镜不稳定性的主要来源，从而大大改善成像质量、减少畸变和漂移，让扫描探针显微镜能较长时间地追踪同一个原子，尤其适用于变温、变场(磁场)等环境剧烈变化的情况。


图I是传统的、粗逼近马达与动体钢性连接的扫描探针显微镜镜体结构示意图。
图2是本发明基本型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体结构示意图。
图3是本发明绳子连接型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体结构示意图。
图中标号1导轨，2扫描结构、3压电定位器，4样品座，5探针座，6粗逼近马达、7 绳子。
以下通过具体实施方式
和结构附图对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
实施例I :基本型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体
参见附图2，本实施例基本型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，包括压电定位器3，样品座4，探针座5，粗逼近马达6，其特征在于还包括导轨I，所述粗逼近马达6和压电定位器3设置于导轨I上，所述样品座4和探针座5双方之一设置于压电定位器3上，另一方设置于导轨I上，样品座4、探针座5和压电定位器3三者之一作为动体受粗逼近马达6推动沿导轨I方向进行样品座4和探针座5间的粗逼近，粗逼近马达6在回撤时与动体分开，独自回撤，动体不随之回撤。
本实施例的工作原理为本发明中的样品座4、探针座5和压电定位器3构成扫描结构2 ;粗逼近马达6与动体之间不是刚性或固定连接。粗逼近马达6单向推动动体进行样品座4和探针座5之间的粗逼近，动体可以是样品座4、探针座5或压电定位器3，因为粗逼近马达6可以直接推动样品座4和探针座5 二者之一向另一方逼近，也可以推动压电定位器3并由压电定位器3带着其上的样品座4或探针座5让样品座4和探针座5逼近。粗逼近马达6在回撤时与动体分开，独自回撤，动体不随之回撤，这样，在扫描成像前可先将粗逼近马达6回撤一段距离，与扫描结构2分离，在随后的扫描成像过程中，粗逼近马达6的不稳定性就不会传到扫描结构2中，从而实现了本发明的目的。
实施例2 :双压电定位器型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体
上述实施例I中样品座4和探针座5中设置于导轨I上的一方和导轨I之间增设另一压电定位器3。此处使用的双压电定位器也可看成是一个分体式的压电定位器，是实施例I中的压电定位器3的一个特例。
实施例3 :单或多维压电定位器的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体
上述实施例中的压电定位器3可为一维或二维或三维压电定位器，用于进行一维扫描，如沿着样品表面的一维线扫描或沿着探针-样品逼近方向扫描的谱线扫描，二维扫描，如沿着样品表面的二维等高模式成像扫描，或三维扫描，如探针-样品间距可反馈调节的成像扫描。
实施例4 :压电马达型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体
上述实施例中的粗逼近马达6可为压电马达，以获得较高的粗逼近精度。
实施例5 :特殊压电马达型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体
上述实施例4中的述压电马达可选为我们自主发明的双压电体并排推动的三摩擦力步进器，或者其基座固定于所述导轨I上，或者其滑杆与所述导轨I为一体。
实施例6 :绳子连接型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体
参见附图3，本发明绳子连接型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，包括压电定位器3，样品座4，探针座5，粗逼近马达6，其特征在于还包括导轨I，绳子7， 所述粗逼近马达6和压电定位器3设置于导轨I上，所述样品座4和探针座5双方之一设置于压电定位器3上，另一方设置于导轨I上，样品座4、探针座5和压电定位器3三者之一作为动体受粗逼近马达6推动沿导轨I方向进行样品座4和探针座5间的粗逼近，动体和粗逼近马达6之间连接有松弛的绳子7，动体在粗逼近马达6回撤时不立即随之回撤，而是等粗逼近马达6回撤到把绳子7拉直后才由绳子7拖着回撤，形成延迟回撤结构。
本实施例的工作原理为粗逼近马达6推动动体进行粗逼近(动体可以是样品座
4、探针座5或压电定位器3，因为粗逼近马达6可直接推动样品座4和探针座5 二者之一向另一方逼近，也可推动压电定位器3使之带着其上的样品座4和探针座5之一方往另一方逼近)，但动体和粗逼近马达6之间连接有松弛的绳子7，动体在粗逼近马达6回撤时不立即随之回撤，而是等粗逼近马达6回撤到把绳子7拉直后才由绳子7拖着回撤，形成延迟回撤，这样，在扫描成像前可先将粗逼近马达6回撤一小段距离，但不足以把松弛的绳子7拉直，此时粗逼近马达6与扫描结构2之间只通过松弛的绳子7连接，在随后的扫描成像过程中，粗逼近马达6的不稳定性不会通过松弛的绳子7传到扫描结构2中，从而也实现了本发明的目的，以后，如果需要把探针和样品从逼近状态分开到相隔较远的安全距离，可让粗逼近马达6进一步回撤，等到绳子7被拉直后再利用绳子7拖着动体回撤，就把探针和样品从逼近状态分开到相隔较远的安全距离了。
实施例7 :其它形式的绳子连接型粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体
正如实施例I具有实施例2至实施例5这些变化形式，实施例6也相应地有如下几种变化形式
所述样品座4和探针座5中设置于导轨I上的一方和导轨I之间增设另一压电定位器3。
所述压电定位器3为一维或二维或三维压电定位器。
所述粗逼近马达6为压电马达。
所述压电马达为双压电体并排推动的三摩擦力步进器，或者其基座固定于所述导轨I上，或者其滑杆与所述导轨I为一体。
权利要求
1.一种粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，包括压电定位器，样品座，探针座，粗逼近马达，其特征在于还包括导轨，所述粗逼近马达和压电定位器设置于导轨上，所述样品座和探针座双方之一设置于压电定位器上，另一方设置于导轨上，样品座、探针座和压电定位器三者之一作为动体受粗逼近马达推动沿导轨方向进行样品座和探针座间的粗逼近，粗逼近马达在回撤时与动体分开，独自回撤，动体不随之回撤。
2.根据权利要求
I所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是样品座和探针座中设置于导轨上的一方和导轨之间增设另一压电定位器。
3.根据权利要求
I或2所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是所述压电定位器为一维或二维或三维压电定位器。
4.根据权利要求
I或2所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是所述的粗逼近马达为压电马达。
5.根据权利要求
4所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是所述压电马达为双压电体并排推动的三摩擦力步进器，或者其基座固定于所述导轨上，或者其滑杆与所述导轨为一体。
6.一种粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，包括压电定位器，样品座，探针座，粗逼近马达，其特征在于还包括导轨，绳子，所述粗逼近马达和压电定位器设置于导轨上，所述样品座和探针座双方之一设置于压电定位器上，另一方设置于导轨上，样品座、探针座和压电定位器三者之一作为动体受粗逼近马达推动沿导轨方向进行样品座和探针座间的粗逼近，动体和粗逼近马达之间连接有松弛的绳子，动体在粗逼近马达回撤时不立即随之回撤，而是等粗逼近马达回撤到把绳子拉直后才由绳子拖着回撤，形成延迟回撤结构。
7.根据权利要求
6所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是样品座和探针座中设置于导轨上的一方和导轨之间增设另一压电定位器。
8.根据权利要求
6或7所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是所述压电定位器为一维或二维或三维压电定位器。
9.根据权利要求
6或7所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是所述的粗逼近马达为压电马达。
10.根据权利要求
9所述的粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体，其特征是所述压电马达为双压电体并排推动的三摩擦力步进器，或者其基座固定于所述导轨上，或者其滑杆与所述导轨为一体。
专利摘要
本发明粗逼近马达可脱离扫描结构的扫描探针显微镜镜体包括压电定位器，样品座，探针座，粗逼近马达，其特征是还包括导轨，粗逼近马达和压电定位器设置于导轨上，样品座和探针座双方之一设置于压电定位器上，另一方设置于导轨上，样品座、探针座和压电定位器三者之一作为动体受粗逼近马达推动沿导轨进行样品座和探针座间的粗逼近，粗逼近马达在回撤时与动体分开，独自回撤。动体和粗逼近马达间可连松弛的绳子，动体在粗逼近马达回撤时不立即随之回撤，而是等粗逼近马达回撤到把绳子拉直后才由绳子拖着回撤。本发明能阻止粗逼近马达的不稳定性如热漂移、机械振动等传到扫描结构中，大大改善成像质量、减少畸变，尤适于变温变场等环境剧变的情况。
文档编号G01Q60/00GKCN102866265SQ201110187402
公开日2013年1月9日 申请日期2011年7月5日
发明者王 琦, 陆轻铀 申请人:中国科学技术大学