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一種測量微納金屬纖維表面形貌的裝置及其使用方法和該裝置中驅(qū)動器運動距離的測量方法

文檔序號:8556815閱讀:461來源:國知局
一種測量微納金屬纖維表面形貌的裝置及其使用方法和該裝置中驅(qū)動器運動距離的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量微納金屬纖維表面形貌的裝置及其使用方法和該裝置中驅(qū)動器運動距離的測量方法.。
【背景技術(shù)】
[0002]納米科學技術(shù)(Nano — ST)是20世紀80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技,它的基本涵義是在納米尺寸(10-10—10 — 7m)范圍內(nèi)認識和改造自然,通過直接操作和安排原子、分子,創(chuàng)造新物質(zhì)。納米科技是21世紀科技產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容之一,它是高度交叉的綜合性學科,涉及到物理、化學、生物學、材料科學和電子學等多個學科的相關(guān)知識。它不僅包含以觀測、分析和研宄為主線的基礎(chǔ)學科,同時還有以納米工程與微機械為主線的技術(shù)科學,所以納米科學與技術(shù)也是一個融科學前沿和高技術(shù)于一體的完整體系,正在逐漸成為本世紀的主導技術(shù)。
[0003]1924年,德布羅意提出了微觀粒子具有波粒二象性的概念,于是,人們在物質(zhì)領(lǐng)域找到了一種波長更短的媒質(zhì)一電子(λ=0.001ηπι)。1931年德國科學家恩斯特?魯斯卡利用電子透鏡可以使電子束聚焦的原理和技術(shù),成功地發(fā)明了電子顯微鏡。電子顯微鏡的放大倍數(shù)提高到上萬倍,分辨率達到了 0.01 μπι。其后的幾十年里,許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問世,如透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、場電子顯微鏡、場離子顯微鏡、低能電子衍射、俄歇譜儀、光電子能譜、電子探針等。這些技術(shù)在表面科學各領(lǐng)域的研宄中起著重要的作用,但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都存在著這樣或那樣的局限性,例如低能電子衍射和X射線衍射等衍射方法要求樣品具備周期性結(jié)構(gòu),光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡的分辨率不足以分辨出表面原子,高分辨透射電子顯微鏡主要用于薄層樣品的體相和界面研宄,場電子顯微鏡和場離子顯微鏡只能探測在半徑小于10nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì),且制樣技術(shù)復雜,可用來作為樣品的研宄對象十分有限;還有一些表面分析技術(shù),如X射線光電子能譜、紫外光電子能譜和能量損失譜等只能提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息。此外,上述一些分析技術(shù)對測量環(huán)境也有特殊要求,例如真空條件等。
[0004]自80年代中期以來,STM作為一種儀器被商品化,不僅掃描范圍已可達到10umX 10um,還與原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,簡稱AFM)、場離子顯微鏡、低能電子衍射等其它表面分析手段聯(lián)用,大大擴展了儀器的應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種測量微納金屬纖維表面形貌的裝置及其使用方法和該裝置中驅(qū)動器運動距離的測量方法,通過產(chǎn)生的隧道電流效應(yīng)來掃描被測物體的表面,通過電流大小的不一樣得到被測物體表面的立體形態(tài)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種測量微納金屬纖維表面形貌的裝置,其特征是,包括底座、橫梁、模板、基座、支梁以及電極; 所述基座通過導軌安裝在底座上,所述支梁兩端分別通過支架安裝在底座上,且支梁置于基座上方;所述模板一端安裝在基座一側(cè),其中部搭在支梁上,另一端通過彈性元件連接在基座另一側(cè);
所述橫梁置于支梁正上方,其一端通過支撐腿與底座連接;所述橫梁與支梁之間設(shè)有側(cè)梁,側(cè)梁一端與橫梁的支撐腿連接,另一端設(shè)有兩個驅(qū)動器,側(cè)梁另一端搭在其中一個驅(qū)動器頂部,另一個驅(qū)動器的一端與橫梁連接,另一端頂住側(cè)梁端部;所述側(cè)梁與橫梁之間設(shè)有彈性元件,該彈性元件一端與橫梁連接,另一端拉緊側(cè)梁;
所述電極一端安裝在側(cè)梁上,另一端置于模板上方,并指向模板表面,電極指向模板的一端與模板表面的距離為0.01-100nm。
[0007]所述電極為導體,指向模板表面的一端為針尖狀,針尖頂端直徑為0.0lnm-lOOnm。
[0008]所述電極指向模板表面的一端,其針尖用導電的單程碳納米管制成。
[0009]所述側(cè)梁為柔性的銅片材料制成。
[0010]所述驅(qū)動器材料為壓電陶瓷、壓電單晶或者壓電復合材料。
[0011]還設(shè)有用于拉緊電極的彈性元件,該彈性元件一端固定在橫梁的支撐腿上,另一端拉緊電極。
[0012]所述模板為導電柔性體或半導體,形狀為纖維狀或帶狀,其朝向電極的兩端設(shè)有凹槽或凸起。
[0013]測量微納金屬纖維表面形貌的裝置的使用方法,其特征是,首先利用導軌實現(xiàn)基座在X、Y兩個方向的位置調(diào)節(jié),使模板表面能與電極的尖端做到完全對準;
對準完后,通過對驅(qū)動器提供限定直流電壓來逐步縮短電極尖端和模板表面之間的距離,對驅(qū)動器供電,驅(qū)動器會產(chǎn)生形變,通過這個變化來驅(qū)動電極尖端的高度,電壓由小到大逐步遞增,直至電極尖端到模板表面的距離為0.01-20nm,此時才會產(chǎn)生隧道效應(yīng),電極與模板表面之間才會有隧道電流的產(chǎn)生;
隧道電流產(chǎn)生后,斷開供給驅(qū)動器的直流電壓,進行電流數(shù)據(jù)采集;然后調(diào)節(jié)基座在X方向的位置,讓電極尖端對模板表面進行掃描;
由于電極尖端與模板表面相對高度的不同,產(chǎn)生的隧道電流值也不一樣,此時便得到一系列的電流變化數(shù)據(jù),再將這些電流數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為利于采集的電壓數(shù)據(jù),將電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的形式來呈現(xiàn)微納金屬纖維的表面形貌。
[0014]測量微納金屬纖維表面形貌的裝置中驅(qū)動器運動距離的測量方法,包括以下步驟:
步驟一:在測量樣品上標注測量開始和測量結(jié)束的標志,測量樣品由寬度為0.0lnm-1Onm的直線段或曲線段組成,標定測量樣品上每個測量點到測量開始標志的長度值;
步驟二:以標定的測量點的長度值為一個坐標,以測量到的測量點的表面高度值作為另一個坐標,畫出測量點的表面高度曲線,形成測量樣品表面直線段或曲線段已標定的高度曲線;
步驟三:將測量微納金屬纖維表面形貌的裝置中的驅(qū)動器連接上,該裝置可以測量已標定高度曲線的測量樣品的表面高度;
步驟四:驅(qū)動器移動時,帶動該裝置同步移動; 步驟五:利用該裝置測量已標定高度曲線的測量樣品的表面高度值,把連續(xù)測量到的表面高度值連成曲線,和測量樣品已標定的高度曲線比較,判定該裝置所測量部分在測量樣品已標定高度曲線中的位置,并據(jù)此定位該裝置所測量部分在測量樣品直線段或曲線段中的位置;
步驟六:根據(jù)驅(qū)動器和該裝置的位置和運動關(guān)系,定位驅(qū)動器在測量樣品直線段或曲線段中的位置,或直接計算驅(qū)動器的運動距離。
[0015]本發(fā)明中,在裝置的底座上安裝一個懸臂梁(橫梁)和一個雙自由度的微工作臺(由導軌和基座構(gòu)成,基座可以沿導軌作Χ、γ兩個方向移動),工作臺在規(guī)定的方向上能實現(xiàn)自動或手動微進給的功能。該裝置分別夾持兩個金屬電極,可單獨具有規(guī)定的自由度操作性,兩電極之間留有距離。在懸臂梁上固定一個柔性的銅片材料(側(cè)梁),將金屬探針(電極)固定在此柔性銅片上作為一個電極,另一端電極就是所要測試的物體(模板)。被測物體表面與探針尖端之間的高度是通過壓電疊堆(驅(qū)動器)實現(xiàn),將壓電疊堆放置在銅片與懸臂梁之間,通過對壓電疊堆材料進行供電,它會產(chǎn)生形變,通過這個變化來驅(qū)動探針的高度,一般控制兩電極之間的高度為0.01-20nm之間,此時才有所謂的隧道效應(yīng),兩金屬電極之間才有隧道電流的產(chǎn)生。
[0016]當兩電極距離在1nm左右及其以下但不接觸時(0.01-20nm之間),兩金屬電極便會有隧道電流的產(chǎn)生,再通過控制針尖在樣品表面掃描,即是使針尖沿X、y兩個方向作二維運動從而得出被測物體表面的形貌(驅(qū)動器22可控制探針的上下高度,控制探針與被測物體表面的距離;還設(shè)有一伸縮裝置12,即驅(qū)動器25,作用是調(diào)節(jié)探針左右位置,對被測物體表面進行橫向掃描。)。利用這種電流對被測物體表面進行掃描得到電流數(shù)據(jù),再將電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行分析處理便可得到被測物體的表面形貌。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下技術(shù)效果和特點:
第一,操作更為簡單方便。本發(fā)明裝置設(shè)計較新穎,此裝置采用的是恒高模式,保證探針與被測物體表面高度在產(chǎn)生隧道電流的高度范圍內(nèi),并且保持探針的高度不變,只要移動被測物體的位置就可以了。
[0018]第二,呈像更清晰明了。STM的另一個缺陷是其針尖的選擇問題,普通STM裝置所選擇的電極針尖的制取方式無非兩種:一種是用剪刀剪切,另一種是通過電化學腐蝕的方式制取。這兩種方式皆存在弊端,剪刀剪切的方式制取的針尖截面斷層不規(guī)整,是否有尖端完全是一種概率問題,而且我們前期實驗也做過相關(guān)的工作,截面類似于拋物線形狀,尖端也不是足夠的尖,從而掃描之后呈像比較模糊不清;較之第二種方式電化學腐蝕的方法獲得的針尖效果要好的多,但傳統(tǒng)的腐蝕思路一直一承不變,最細的針尖尖端大約在1nm左右,要想得到更細的針尖很難做到,我們對電化學腐蝕的方法也做了進一步改進,可以得到更細的針尖,比以往的針尖更細,但還是遠遠不夠,因此我們開創(chuàng)性的引用導電的單程碳納米管作為針尖使用,單層碳納米管外徑為2nm左右,經(jīng)過我們處理之后,尖端肯定小于lnm,尖端更細,則掃描所呈像肯定更清晰更準確。
[0019]第三,穩(wěn)定性更好。在距離控制上,只需要采用手動調(diào)節(jié)一個模板的X、Y方向的位置來保證他們的對準就可以了,而垂直放的的距離是通過壓電疊堆(驅(qū)動器)來控制的,并且距離固定不變。所以相對STM而言,這個裝置的穩(wěn)定性高更好。
[0020]第四,測量范圍廣。STM只能掃描100um*100um范圍內(nèi)的微金屬纖維的表面形態(tài),而此裝置它能夠在STM裝置的基礎(chǔ)上掃描更長更寬纖維的表面形態(tài)。
[0021]全球掃描隧道顯微鏡相關(guān)的市場每年為1000億美元,本發(fā)明將拓寬掃描隧道顯微鏡的使用場合,帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明測量微納金屬纖維表面形貌的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖中:1底座、2橫梁、3導軌、4橫梁、5基座、6支撐腿
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