一種應(yīng)用于電子顯微鏡中的高穩(wěn)定性掃描探針裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及材料測試儀器領(lǐng)域，更確切地說涉及在原子尺度和介觀尺度下對材料觀察，測量和控制以及類似裝置。本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種將掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡的功能結(jié)合起來的全新設(shè)計方案；并構(gòu)建一種全壓電陶瓷控制的三維空間精確定位裝置，此裝置可以在掃描透射電子顯微鏡中控制和移動掃描探針，使得探針接近或接觸樣品的表面，從而獲得樣品表面成像；可有效避免探針對樣品的破壞，可以使用探針在透射電子顯微鏡下施加控制電場，誘發(fā)反應(yīng)和改變材料的性質(zhì)。
【專利說明】-種應(yīng)用于電子顯微鏡中的高穩(wěn)定性掃描探針裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及材料測試儀器領(lǐng)域，更確切地說涉及在原子尺度和介觀尺度下對材料 觀察，測量和控制以及類似裝置。

【背景技術(shù)】：
[0002] 進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新材料和新技術(shù)的研究和探索日新 月異；在微觀尺度下研究材料的結(jié)構(gòu)和性能，乃至于從材料的基本結(jié)構(gòu)和成分出發(fā)，調(diào)控以 至于改變材料的性能，逐漸成為人類科技發(fā)展和進(jìn)步的原動力。為了得到材料的微觀結(jié)構(gòu) 甚至原子結(jié)構(gòu)信息，科學(xué)界、工藝界發(fā)明了一些測量方法和技術(shù)。其中，掃描透射電子顯微 鏡（STEM)、掃描探針顯微鏡（SPM)等都是近幾十年發(fā)展起來的高科技測量技術(shù)。
[0003] 透射電子顯微鏡（英語：Transmission electron microscope，縮寫 TEM)，簡稱透 射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而 改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明 暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件（如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件）上 顯示出來。透射電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡高的很多，可以達(dá)到0. 1?0. 2納米，放 大倍數(shù)為幾萬?百萬倍。因此，使用透射電子顯微鏡可以用于觀察樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)，甚至可 以用于觀察僅僅一列原子的結(jié)構(gòu)。
[0004] 掃描探針顯微鏡（Scanning probe microscopy,縮寫為SPM)是所有機(jī)械式地用 探針在樣本上掃描移動以探測樣本影像的顯微鏡的統(tǒng)稱。其影像解析度主要取決于探針的 大小〔通常在納米的范圍〕。掃描隧道顯微鏡是第一個被發(fā)明的掃描探針顯微鏡〔1981年〕。 掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加 高的分辨率。此外掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K)可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它 在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。
[0005] 掃描透射電子顯微鏡（STEM)，作為少數(shù)幾種可以提供材料的原子結(jié)構(gòu)信息的技 術(shù)，在材料以及其它科學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)了重要的作用。另一方面，掃描探針顯微鏡（SPM)使用尖 銳的探針去探測物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，也可以提供表面的原子結(jié)構(gòu)分布信息，甚至使用局域的 電場操縱和改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能。因此如何結(jié)合掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡 的功能，成為21世紀(jì)顯微鏡【技術(shù)領(lǐng)域】的終極目標(biāo)。
[0006] 要實現(xiàn)這一目標(biāo)，有許多技術(shù)上的困難和障礙需要克服。首先，掃描透射電子顯微 鏡和掃描探針顯微鏡的樣品是不兼容的；掃描透射電子顯微鏡是基于樣品的減薄部分從而 獲得高分辨的透視成像，于樣品的表面無關(guān)。而掃描探針顯微鏡卻要求樣品有平整的表面。 歷史上，L. Marks曾經(jīng)利用旋進(jìn)電子衍射技術(shù)研究氧化物材料的表面結(jié)構(gòu)。這個工作表明 透射電子顯微鏡是有可能用來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)的。然而，在實際情況下，由于掃描探針 擋住了電子束的路徑，兩種技術(shù)是很難結(jié)合在一起的。
[0007] 另外，由于掃描透射電子顯微鏡中的樣品空間很小，只有3-5毫米厚；這個使得掃 描探針部分的設(shè)計變得極為困難。掃描探針在電子顯微鏡下的精確定位因此變得非常重 要。
[0008] 目前，市場上有一些商用的產(chǎn)品試圖做到這種結(jié)合。比如瑞典的Nanofactory instruments公司生產(chǎn)一種透視電鏡中使用的樣品座。然而，由于他們的掃描探針部分的糟 糕設(shè)計，使得這種產(chǎn)品在實際使用中很難得到高分辨的成像。我們采用了全新的掃描探針 部分的設(shè)計，從而實現(xiàn)掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡的功能完美的結(jié)合。


【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] ：針對以上提到的問題，提出本發(fā)明。
[0010] 本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種將掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡的功能結(jié)合 起來的全新設(shè)計方案；并構(gòu)建一種全壓電陶瓷控制的三維空間精確定位裝置，此裝置可以 在掃描透射電子顯微鏡中控制和移動掃描探針，使得探針接近或接觸樣品的表面，從而獲 得樣品表面成像；可有效避免探針對樣品的破壞，可以使用探針在透射電子顯微鏡下施加 控制電場，誘發(fā)反應(yīng)和改變材料的性質(zhì)。
[0011] 本發(fā)明涉及的解決方案為：設(shè)計一個小型全壓電陶瓷控制的三維空間精確定位裝 置，利用壓電陶瓷的特性，通過外加脈沖電壓驅(qū)動X，Y和Z方向上三個獨立的步進(jìn)馬達(dá)，從 而達(dá)到在有限的電鏡樣品空間內(nèi)掃描探針的精確定位。
[0012] 本發(fā)明涉及的裝置包含：三個獨立的壓電陶瓷控制的步進(jìn)馬達(dá)，控制X，Y和Z方向 上探針的移動。由于掃描探針在此三個方向上的移動距離和精度要求各不相同，因此三個 步進(jìn)馬達(dá)的設(shè)計也不同。X方向所需移動距離較長，對單步步長（精度）要求較高；而Υ和 Ζ方向的所需移動距離較短，對單步步長（精度）要求很高。
[0013] 本發(fā)明的主要特點在于：
[0014] 1.通過X，Υ和Ζ方向上三個獨立的壓電陶瓷馬達(dá)，獨立穩(wěn)定的精確控制掃描探 針在電子顯微鏡樣品空間的位置；利用電子顯微鏡的實時觀察，通過粗動進(jìn)針和自動細(xì)致 進(jìn)針的結(jié)合，將掃描探針移動到感興趣的區(qū)域，利用壓電陶瓷掃描管，讓探針在二維面內(nèi)掃 描，得到樣品表面形貌像，實現(xiàn)掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡同時工作成像。或者 是利用掃描探針對材料感興趣的區(qū)域施加可控的電場，操縱或改變材料的結(jié)構(gòu)和性能，利 用掃描透射電子顯微鏡實時的觀測，提供原子結(jié)構(gòu)的信息。避免由于掃描探針的不穩(wěn)定，導(dǎo) 致對樣品的破壞。
[0015] 2.說明1中所述的壓電陶瓷馬達(dá)可以為：慣性滑動壓電陶瓷馬達(dá)，尺蠖壓電陶瓷 馬達(dá)，等任何壓電陶瓷控制的移動定位裝置。
[0016] 3.說明1中所述的壓電陶瓷掃描管可以為：任何形式的壓電陶瓷掃描裝置，只需 能在X，土Υ和土Ζ方向上精確移動探針，移動精度可控，最小移動步長要求達(dá)到或小于1納 米即可。
[0017] 4.說明1中所述的掃描探針包含但不僅限于：尖端形狀和大小可控的金屬探針。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0018] 圖1. 一種慣性滑動壓電陶瓷馬達(dá)模型。
[0019] 圖2. -種PAN型壓電陶瓷馬達(dá)。其中三棱柱可以在V型槽內(nèi)滑動，彈簧片通過寶 石半球?qū)⑷庵鶋鹤?，松緊度可以用螺絲調(diào)節(jié)。
[0020] 圖3.電子顯微鏡中高穩(wěn)定性掃描探針裝置結(jié)構(gòu)圖，其中：
[0021] ① X方向壓電陶瓷馬達(dá)；②Y方向壓電陶瓷馬達(dá)；③Z方向壓電陶瓷馬達(dá)；④壓電 陶瓷掃描管；⑤掃描探針。

【具體實施方式】
[0022] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0023] 實例一：參照圖3。
[0024] X方向需要移動距離達(dá)到0-2厘米，步長最高精度要達(dá)到50納米，因此我們采用的 是慣性滑動條狀壓電陶瓷馬達(dá)（圖1);而Y和Z方向的所需移動距離是1-2毫米，步長的 精度要達(dá)到20納米；由于空間的限制，Z方向上的壓電陶瓷馬達(dá)要非常小，但又要很穩(wěn)定； 因此我們采用的是棱柱狀PAN型壓電陶瓷馬達(dá)（圖2)。此外，裝置還包括壓電陶瓷管狀掃 描器（圖3)，用來掃描和超高精度精確定位掃描探針。通過施加脈沖電壓，利用X方向慣性 滑動壓電陶瓷馬達(dá)（1)移動掃面探針（5)，用肉眼觀察將其接近樣品，但不要接觸。然后插 入掃描透視電子顯微鏡中。在電子顯微鏡的視場中，調(diào)節(jié)掃描探針的Y和Z方向的位置，使 之精確定位在樣品的邊緣。采用自動細(xì)致進(jìn)針模式，使得掃描探針驅(qū)動至距離樣品〇. 5納 米處或接觸樣品。整個過程都在電子顯微鏡外，利用控制單元控制完成。此后可以給掃描 探針施加電壓，同時在透射電子顯微鏡下觀察樣品原子結(jié)構(gòu)的改變。
【權(quán)利要求】
1. 一種將掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡的功能結(jié)合起來的全新設(shè)計方案； 其設(shè)計原理在于：設(shè)計一個小型全壓電陶瓷控制的三維空間精確定位裝置，利用壓電陶瓷 的特性，通過外加脈沖電壓驅(qū)動X，Y和Z方向上三個獨立的步進(jìn)馬達(dá)，從而達(dá)到在有限的電 鏡樣品空間內(nèi)掃描探針的精確定位；此裝置可以在掃描透射電子顯微鏡中控制和移動掃描 探針，使得探針接近或接觸樣品的表面，從而獲得樣品表面成像；可有效避免探針對樣品的 破壞，可以使用探針在透射電子顯微鏡下施加控制電場，誘發(fā)反應(yīng)和改變材料的性質(zhì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方案，構(gòu)建一種系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：三個獨立的壓電陶瓷控 制的步進(jìn)馬達(dá)，控制X，Y和Z方向上探針的移動；此外，裝置還包括壓電陶瓷掃描管（圖3)， 用來掃描和超高精度精確定位掃描探針。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷馬達(dá)，其特點在于：任何壓電陶瓷控制的移動定位 裝置，例如：慣性滑動壓電陶瓷馬達(dá)，尺蠖壓電陶瓷馬達(dá)等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷掃描管，其特點在于：任何形式的壓電陶瓷掃描裝 置，需能在X，土Y和土Z方向上精確移動探針，移動精度可控。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描探針，其特性在于：尖端形狀和大小可控的金屬探針。
【文檔編號】G01Q10/04GK104122414SQ201410362781
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】潘明虎 申請人:潘明虎