專利名稱:粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種掃描探針顯微鏡鏡體，特別涉及一種粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，屬于掃描探針顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
掃描探針顯微鏡(scanning probe microscope,簡稱SPM)以其真實(shí)空間中無可爭議的原子分辨能力而在納米技術(shù)、原子操縱、量子調(diào)控、分子生命科學(xué)、材料和表面催化化學(xué)等眾多國家科技戰(zhàn)略領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但其發(fā)展至今仍有一些重大問題沒有得到很好的解決，其中具代表性的一個(gè)就是穩(wěn)定性問題。
掃描探針顯微鏡的核心結(jié)構(gòu)(見附圖I)是通過粗逼近馬達(dá)把驅(qū)動探針相對于樣品掃描的掃描結(jié)構(gòu)(以下簡稱掃描結(jié)構(gòu))中的探針和樣品逼近到微觀的探針-樣品局域作 用(Iocalinteraction)距離(通常是納米或更小的距離，例如掃描隧道顯微鏡中探針與樣品間產(chǎn)生隧道電流這一局域作用的探針-樣品間距一般為幾個(gè)原子的距離；原子力顯微鏡中探針與樣品間產(chǎn)生原子力這一局域作用的探針-樣品間距一般也為幾個(gè)原子的距離)；之后，掃描結(jié)構(gòu)就可以驅(qū)動探針相對于樣品表面掃描了。在現(xiàn)有技術(shù)中，粗逼近馬達(dá)不僅要求能實(shí)現(xiàn)上述粗逼近過程，也要求能把探針和樣品從逼近狀態(tài)分開到相隔較遠(yuǎn)的安全距離，所以，粗逼近馬達(dá)總被設(shè)計(jì)成與掃描結(jié)構(gòu)為剛性連接(見附圖1)，使得探針-樣品間距能隨粗逼近馬達(dá)的進(jìn)退而即時(shí)地來回調(diào)節(jié)。這就帶來了一個(gè)重大問題粗逼近馬達(dá)本身的不穩(wěn)定性包括熱漂移、熱漲落、機(jī)械振動(源自外界的振動和/或聲音干擾)等會傳遞到掃描結(jié)構(gòu)中，破壞探針-樣品局域作用的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致成像的質(zhì)量變差、畸變變大。而且，由于粗逼近馬達(dá)是要把探針和樣品的間距由最初的宏觀距離步進(jìn)到微觀的局域作用距離，需要克服摩擦力阻力或推動較大負(fù)載，所以其自身的尺寸通常較大，產(chǎn)生的熱漂移、熱漲落、機(jī)械振動等不穩(wěn)定性也就很大，是極具破壞性的，這使得掃描探針顯微鏡發(fā)展至今也不能較長時(shí)間地追蹤同一個(gè)原子，特別是在變溫、變場(磁場)時(shí)更是如此。
在本發(fā)明中，我們提出一種粗逼近馬達(dá)與掃描結(jié)構(gòu)可脫離的結(jié)構(gòu)在粗逼近時(shí)，粗逼近馬達(dá)把掃描結(jié)構(gòu)中的探針推向樣品或樣品推向探針，但在粗逼近馬達(dá)回撤時(shí)，粗逼近馬達(dá)與掃描結(jié)構(gòu)脫離，從而在此后的成像過程中粗逼近馬達(dá)的不穩(wěn)定性不會傳遞到掃描結(jié)構(gòu)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了解決現(xiàn)有掃描探針顯微鏡鏡體中粗逼近馬達(dá)的不穩(wěn)定性會傳遞到探針-樣品局域作用結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致其穩(wěn)定性變差的問題，提出一種粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是
本發(fā)明粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，包括壓電定位器，樣品座，探針座，粗逼近馬達(dá)，其特征在于還包括導(dǎo)軌，所述粗逼近馬達(dá)和壓電定位器設(shè)置于導(dǎo)軌上，所述樣品座和探針座雙方之一設(shè)置于壓電定位器上，另一方設(shè)置于導(dǎo)軌上，樣品座、探針座和壓電定位器三者之一作為動體受粗逼近馬達(dá)推動沿導(dǎo)軌方向進(jìn)行樣品座和探針座間的粗逼近，粗逼近馬達(dá)在回撤時(shí)與動體分開，獨(dú)自回撤，動體不隨之回撤。
所述的樣品座和探針座中設(shè)置于導(dǎo)軌上的一方和導(dǎo)軌之間增設(shè)另一壓電定位器。
所述的壓電定位器為一維或二維或三維壓電定位器。
所述的粗逼近馬達(dá)為壓電馬達(dá)。
所述的壓電馬達(dá)為雙壓電體并排推動的三摩擦力步進(jìn)器，或者其基座固定于所述導(dǎo)軌上，或者其滑桿與所述導(dǎo)軌為一體。
本發(fā)明粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，包括壓電定位器，樣品座，探針座，粗逼近馬達(dá)，其特征在于還包括導(dǎo)軌，繩子，所述粗逼近馬 達(dá)和壓電定位器設(shè)置于導(dǎo)軌上，所述樣品座和探針座雙方之一設(shè)置于壓電定位器上，另一方設(shè)置于導(dǎo)軌上，樣品座、探針座和壓電定位器三者之一作為動體受粗逼近馬達(dá)推動沿導(dǎo)軌方向進(jìn)行樣品座和探針座間的粗逼近，動體和粗逼近馬達(dá)之間連接有松弛的繩子，動體在粗逼近馬達(dá)回撤時(shí)不立即隨之回撤，而是等粗逼近馬達(dá)回撤到把繩子拉直后才由繩子拖著回撤，形成延遲回撤結(jié)構(gòu)。
所述的樣品座和探針座中設(shè)置于導(dǎo)軌上的一方和導(dǎo)軌之間增設(shè)另一壓電定位器。
所述的壓電定位器為一維或二維或三維壓電定位器。
所述的粗逼近馬達(dá)為壓電馬達(dá)。
所述的壓電馬達(dá)為雙壓電體并排推動的三摩擦力步進(jìn)器，或者其基座固定于所述導(dǎo)軌上，或者其滑桿與所述導(dǎo)軌為一體。
本發(fā)明的工作原理為本發(fā)明中的樣品座、探針座和壓電定位器構(gòu)成掃描結(jié)構(gòu)；粗逼近馬達(dá)與動體之間不是剛性或固定連接。在本發(fā)明的第一個(gè)獨(dú)力技術(shù)方案中，粗逼近馬達(dá)單向推動動體進(jìn)行粗逼近(動體可以是樣品座、探針座或壓電定位器，因?yàn)榇直平R達(dá)可直接推動樣品座和探針座二者之一向另一方逼近，也可推動壓電定位器使之帶著其上的樣品座和探針座之一方往另一方逼近)，粗逼近馬達(dá)在回撤時(shí)與動體分開，獨(dú)自回撤，動體不隨之回撤，這樣，在掃描成像前可先將粗逼近馬達(dá)回撤一段距離，與掃描結(jié)構(gòu)分離，在隨后的掃描成像過程中，粗逼近馬達(dá)的不穩(wěn)定性就不會傳到掃描結(jié)構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的；在本發(fā)明的第二個(gè)獨(dú)力技術(shù)方案中，粗逼近馬達(dá)推動動體進(jìn)行粗逼近(動體可以是樣品座、探針座或壓電定位器，因?yàn)榇直平R達(dá)可直接推動樣品座和探針座二者之一向另一方逼近，也可推動壓電定位器使之帶著其上的樣品座和探針座之一方往另一方逼近)，但動體和粗逼近馬達(dá)之間連接有松弛的繩子，動體在粗逼近馬達(dá)回撤時(shí)不立即隨之回撤，而是等粗逼近馬達(dá)回撤到把繩子拉直后才由繩子拖著回撤，形成延遲回撤，這樣，在掃描成像前可先將粗逼近馬達(dá)回撤一小段距離，但不足以把松弛的繩子拉直，此時(shí)粗逼近馬達(dá)與掃描結(jié)構(gòu)之間只通過松弛的繩子連接，在隨后的掃描成像過程中，粗逼近馬達(dá)的不穩(wěn)定性不會通過松弛的繩子傳到掃描結(jié)構(gòu)中，從而也實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，以后，如果需要把探針和樣品從逼近狀態(tài)分開到相隔較遠(yuǎn)的安全距離，可讓粗逼近馬達(dá)進(jìn)一步回撤，等到繩子被拉直后再利用繩子拖著動體回撤，就把探針和樣品從逼近狀態(tài)分開到相隔較遠(yuǎn)的安全距離了。
根據(jù)上述原理可以看出，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在[0019]在不增加復(fù)雜性的條件下，使得粗逼近馬達(dá)的不穩(wěn)定性包括其熱漂移、熱漲落、機(jī)械振動(源自外界的振動和/或聲音干擾)等傳遞不到掃描結(jié)構(gòu)中，這就排除了掃描探針顯微鏡不穩(wěn)定性的主要來源，從而大大改善成像質(zhì)量、減少畸變和漂移，讓掃描探針顯微鏡能較長時(shí)間地追蹤同一個(gè)原子，尤其適用于變溫、變場(磁場)等環(huán)境劇烈變化的情況。


圖I是傳統(tǒng)的、粗逼近馬達(dá)與動體鋼性連接的掃描探針顯微鏡鏡體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明基本型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明繩子連接型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號1導(dǎo)軌，2掃描結(jié)構(gòu)、3壓電定位器，4樣品座，5探針座，6粗逼近馬達(dá)、7 繩子。
以下通過具體實(shí)施方式
和結(jié)構(gòu)附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例I :基本型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體
參見附圖2，本實(shí)施例基本型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，包括壓電定位器3，樣品座4，探針座5，粗逼近馬達(dá)6，其特征在于還包括導(dǎo)軌I，所述粗逼近馬達(dá)6和壓電定位器3設(shè)置于導(dǎo)軌I上，所述樣品座4和探針座5雙方之一設(shè)置于壓電定位器3上，另一方設(shè)置于導(dǎo)軌I上，樣品座4、探針座5和壓電定位器3三者之一作為動體受粗逼近馬達(dá)6推動沿導(dǎo)軌I方向進(jìn)行樣品座4和探針座5間的粗逼近，粗逼近馬達(dá)6在回撤時(shí)與動體分開，獨(dú)自回撤，動體不隨之回撤。
本實(shí)施例的工作原理為本發(fā)明中的樣品座4、探針座5和壓電定位器3構(gòu)成掃描結(jié)構(gòu)2 ;粗逼近馬達(dá)6與動體之間不是剛性或固定連接。粗逼近馬達(dá)6單向推動動體進(jìn)行樣品座4和探針座5之間的粗逼近，動體可以是樣品座4、探針座5或壓電定位器3，因?yàn)榇直平R達(dá)6可以直接推動樣品座4和探針座5 二者之一向另一方逼近，也可以推動壓電定位器3并由壓電定位器3帶著其上的樣品座4或探針座5讓樣品座4和探針座5逼近。粗逼近馬達(dá)6在回撤時(shí)與動體分開，獨(dú)自回撤，動體不隨之回撤，這樣，在掃描成像前可先將粗逼近馬達(dá)6回撤一段距離，與掃描結(jié)構(gòu)2分離，在隨后的掃描成像過程中，粗逼近馬達(dá)6的不穩(wěn)定性就不會傳到掃描結(jié)構(gòu)2中，從而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
實(shí)施例2 :雙壓電定位器型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體
上述實(shí)施例I中樣品座4和探針座5中設(shè)置于導(dǎo)軌I上的一方和導(dǎo)軌I之間增設(shè)另一壓電定位器3。此處使用的雙壓電定位器也可看成是一個(gè)分體式的壓電定位器，是實(shí)施例I中的壓電定位器3的一個(gè)特例。
實(shí)施例3 :單或多維壓電定位器的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體
上述實(shí)施例中的壓電定位器3可為一維或二維或三維壓電定位器，用于進(jìn)行一維掃描，如沿著樣品表面的一維線掃描或沿著探針-樣品逼近方向掃描的譜線掃描，二維掃描，如沿著樣品表面的二維等高模式成像掃描，或三維掃描，如探針-樣品間距可反饋調(diào)節(jié)的成像掃描。
實(shí)施例4 :壓電馬達(dá)型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體
上述實(shí)施例中的粗逼近馬達(dá)6可為壓電馬達(dá)，以獲得較高的粗逼近精度。
實(shí)施例5 :特殊壓電馬達(dá)型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體
上述實(shí)施例4中的述壓電馬達(dá)可選為我們自主發(fā)明的雙壓電體并排推動的三摩擦力步進(jìn)器，或者其基座固定于所述導(dǎo)軌I上，或者其滑桿與所述導(dǎo)軌I為一體。
實(shí)施例6 :繩子連接型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體
參見附圖3，本發(fā)明繩子連接型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，包括壓電定位器3，樣品座4，探針座5，粗逼近馬達(dá)6，其特征在于還包括導(dǎo)軌I，繩子7， 所述粗逼近馬達(dá)6和壓電定位器3設(shè)置于導(dǎo)軌I上，所述樣品座4和探針座5雙方之一設(shè)置于壓電定位器3上，另一方設(shè)置于導(dǎo)軌I上，樣品座4、探針座5和壓電定位器3三者之一作為動體受粗逼近馬達(dá)6推動沿導(dǎo)軌I方向進(jìn)行樣品座4和探針座5間的粗逼近，動體和粗逼近馬達(dá)6之間連接有松弛的繩子7，動體在粗逼近馬達(dá)6回撤時(shí)不立即隨之回撤，而是等粗逼近馬達(dá)6回撤到把繩子7拉直后才由繩子7拖著回撤，形成延遲回撤結(jié)構(gòu)。
本實(shí)施例的工作原理為粗逼近馬達(dá)6推動動體進(jìn)行粗逼近(動體可以是樣品座
4、探針座5或壓電定位器3，因?yàn)榇直平R達(dá)6可直接推動樣品座4和探針座5 二者之一向另一方逼近，也可推動壓電定位器3使之帶著其上的樣品座4和探針座5之一方往另一方逼近)，但動體和粗逼近馬達(dá)6之間連接有松弛的繩子7，動體在粗逼近馬達(dá)6回撤時(shí)不立即隨之回撤，而是等粗逼近馬達(dá)6回撤到把繩子7拉直后才由繩子7拖著回撤，形成延遲回撤，這樣，在掃描成像前可先將粗逼近馬達(dá)6回撤一小段距離，但不足以把松弛的繩子7拉直，此時(shí)粗逼近馬達(dá)6與掃描結(jié)構(gòu)2之間只通過松弛的繩子7連接，在隨后的掃描成像過程中，粗逼近馬達(dá)6的不穩(wěn)定性不會通過松弛的繩子7傳到掃描結(jié)構(gòu)2中，從而也實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，以后，如果需要把探針和樣品從逼近狀態(tài)分開到相隔較遠(yuǎn)的安全距離，可讓粗逼近馬達(dá)6進(jìn)一步回撤，等到繩子7被拉直后再利用繩子7拖著動體回撤，就把探針和樣品從逼近狀態(tài)分開到相隔較遠(yuǎn)的安全距離了。
實(shí)施例7 :其它形式的繩子連接型粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體
正如實(shí)施例I具有實(shí)施例2至實(shí)施例5這些變化形式，實(shí)施例6也相應(yīng)地有如下幾種變化形式
所述樣品座4和探針座5中設(shè)置于導(dǎo)軌I上的一方和導(dǎo)軌I之間增設(shè)另一壓電定位器3。
所述壓電定位器3為一維或二維或三維壓電定位器。
所述粗逼近馬達(dá)6為壓電馬達(dá)。
所述壓電馬達(dá)為雙壓電體并排推動的三摩擦力步進(jìn)器，或者其基座固定于所述導(dǎo)軌I上，或者其滑桿與所述導(dǎo)軌I為一體。
權(quán)利要求
1.一種粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，包括壓電定位器，樣品座，探針座，粗逼近馬達(dá)，其特征在于還包括導(dǎo)軌，所述粗逼近馬達(dá)和壓電定位器設(shè)置于導(dǎo)軌上，所述樣品座和探針座雙方之一設(shè)置于壓電定位器上，另一方設(shè)置于導(dǎo)軌上，樣品座、探針座和壓電定位器三者之一作為動體受粗逼近馬達(dá)推動沿導(dǎo)軌方向進(jìn)行樣品座和探針座間的粗逼近，粗逼近馬達(dá)在回撤時(shí)與動體分開，獨(dú)自回撤，動體不隨之回撤。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是樣品座和探針座中設(shè)置于導(dǎo)軌上的一方和導(dǎo)軌之間增設(shè)另一壓電定位器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是所述壓電定位器為一維或二維或三維壓電定位器。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I或2所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是所述的粗逼近馬達(dá)為壓電馬達(dá)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是所述壓電馬達(dá)為雙壓電體并排推動的三摩擦力步進(jìn)器，或者其基座固定于所述導(dǎo)軌上，或者其滑桿與所述導(dǎo)軌為一體。
6.一種粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，包括壓電定位器，樣品座，探針座，粗逼近馬達(dá)，其特征在于還包括導(dǎo)軌，繩子，所述粗逼近馬達(dá)和壓電定位器設(shè)置于導(dǎo)軌上，所述樣品座和探針座雙方之一設(shè)置于壓電定位器上，另一方設(shè)置于導(dǎo)軌上，樣品座、探針座和壓電定位器三者之一作為動體受粗逼近馬達(dá)推動沿導(dǎo)軌方向進(jìn)行樣品座和探針座間的粗逼近，動體和粗逼近馬達(dá)之間連接有松弛的繩子，動體在粗逼近馬達(dá)回撤時(shí)不立即隨之回撤，而是等粗逼近馬達(dá)回撤到把繩子拉直后才由繩子拖著回撤，形成延遲回撤結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是樣品座和探針座中設(shè)置于導(dǎo)軌上的一方和導(dǎo)軌之間增設(shè)另一壓電定位器。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6或7所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是所述壓電定位器為一維或二維或三維壓電定位器。
9.根據(jù)權(quán)利要求
6或7所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是所述的粗逼近馬達(dá)為壓電馬達(dá)。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體，其特征是所述壓電馬達(dá)為雙壓電體并排推動的三摩擦力步進(jìn)器，或者其基座固定于所述導(dǎo)軌上，或者其滑桿與所述導(dǎo)軌為一體。
專利摘要
本發(fā)明粗逼近馬達(dá)可脫離掃描結(jié)構(gòu)的掃描探針顯微鏡鏡體包括壓電定位器，樣品座，探針座，粗逼近馬達(dá)，其特征是還包括導(dǎo)軌，粗逼近馬達(dá)和壓電定位器設(shè)置于導(dǎo)軌上，樣品座和探針座雙方之一設(shè)置于壓電定位器上，另一方設(shè)置于導(dǎo)軌上，樣品座、探針座和壓電定位器三者之一作為動體受粗逼近馬達(dá)推動沿導(dǎo)軌進(jìn)行樣品座和探針座間的粗逼近，粗逼近馬達(dá)在回撤時(shí)與動體分開，獨(dú)自回撤。動體和粗逼近馬達(dá)間可連松弛的繩子，動體在粗逼近馬達(dá)回撤時(shí)不立即隨之回撤，而是等粗逼近馬達(dá)回撤到把繩子拉直后才由繩子拖著回撤。本發(fā)明能阻止粗逼近馬達(dá)的不穩(wěn)定性如熱漂移、機(jī)械振動等傳到掃描結(jié)構(gòu)中，大大改善成像質(zhì)量、減少畸變，尤適于變溫變場等環(huán)境劇變的情況。
文檔編號G01Q60/00GKCN102866265SQ201110187402
公開日2013年1月9日 申請日期2011年7月5日
發(fā)明者王 琦, 陸輕鈾 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan