一種應用于電子顯微鏡中的高穩定性掃描探針裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及材料測試儀器領域，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。本發明的內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合起來的全新設計方案；并構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，誘發反應和改變材料的性質。
【專利說明】-種應用于電子顯微鏡中的高穩定性掃描探針裝置

【技術領域】：
[0001] 本發明涉及材料測試儀器領域，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】：
[0002] 進入21世紀以來，隨著科學技術的飛速發展，新材料和新技術的研究和探索日新 月異；在微觀尺度下研究材料的結構和性能，乃至于從材料的基本結構和成分出發，調控以 至于改變材料的性能，逐漸成為人類科技發展和進步的原動力。為了得到材料的微觀結構 甚至原子結構信息，科學界、工藝界發明了一些測量方法和技術。其中，掃描透射電子顯微 鏡（STEM)、掃描探針顯微鏡（SPM)等都是近幾十年發展起來的高科技測量技術。
[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，從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關，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顯微鏡高的很多，可以達到0. 1?0. 2納米，放 大倍數為幾萬?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結構，甚至可 以用于觀察僅僅一列原子的結構。
[0004] 掃描探針顯微鏡（Scanning probe microscopy,縮寫為SPM)是所有機械式地用 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明的掃描探針顯微鏡〔1981年〕。 掃描隧道顯微鏡可以讓科學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)，作為少數幾種可以提供材料的原子結構信息的技 術，在材料以及其它科學領域展現了重要的作用。另一方面，掃描探針顯微鏡（SPM)使用尖 銳的探針去探測物質的表面結構，也可以提供表面的原子結構分布信息，甚至使用局域的 電場操縱和改變物質的結構和性能。因此如何結合掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡 的功能，成為21世紀顯微鏡【技術領域】的終極目標。
[0006] 要實現這一目標，有許多技術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。而掃描探針顯微鏡卻要求樣品有平整的表面。 歷史上，L. Marks曾經利用旋進電子衍射技術研究氧化物材料的表面結構。這個工作表明 透射電子顯微鏡是有可能用來研究物質的表面結構的。然而，在實際情況下，由于掃描探針 擋住了電子束的路徑，兩種技術是很難結合在一起的。
[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品試圖做到這種結合。比如瑞典的Nanofactory instruments公司生產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 糕設計，使得這種產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 部分的設計，從而實現掃描透射電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡的功能完美的結合。


【發明內容】
[0009] ：針對以上提到的問題，提出本發明。
[0010] 本發明的內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合 起來的全新設計方案；并構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，誘發反應和改變材料的性質。
[0011] 本發明涉及的解決方案為：設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動X，Y和Z方向上三個獨立的步進馬達，從 而達到在有限的電鏡樣品空間內掃描探針的精確定位。
[0012] 本發明涉及的裝置包含：三個獨立的壓電陶瓷控制的步進馬達，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 步進馬達的設計也不同。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，獨立穩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，通過粗動進針和自動細致 進針的結合，將掃描探針移動到感興趣的區域，利用壓電陶瓷掃描管，讓探針在二維面內掃 描，得到樣品表面形貌像，實現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域施加可控的電場，操縱或改變材料的結構和性能，利 用掃描透射電子顯微鏡實時的觀測，提供原子結構的信息。避免由于掃描探針的不穩定，導 致對樣品的破壞。
[0015] 2.說明1中所述的壓電陶瓷馬達可以為：慣性滑動壓電陶瓷馬達，尺蠖壓電陶瓷 馬達，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模型。
[0019] 圖2. -種PAN型壓電陶瓷馬達。其中三棱柱可以在V型槽內滑動，彈簧片通過寶 石半球將三棱柱壓住，松緊度可以用螺絲調節。
[0020] 圖3.電子顯微鏡中高穩定性掃描探針裝置結構圖，其中：
[0021] ① X方向壓電陶瓷馬達；②Y方向壓電陶瓷馬達；③Z方向壓電陶瓷馬達；④壓電 陶瓷掃描管；⑤掃描探針。

【具體實施方式】
[0022] 下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0023] 實例一：參照圖3。
[0024] X方向需要移動距離達到0-2厘米，步長最高精度要達到50納米，因此我們采用的 是慣性滑動條狀壓電陶瓷馬達（圖1);而Y和Z方向的所需移動距離是1-2毫米，步長的 精度要達到20納米；由于空間的限制，Z方向上的壓電陶瓷馬達要非常小，但又要很穩定； 因此我們采用的是棱柱狀PAN型壓電陶瓷馬達（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（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，調節掃描探針的Y和Z方向的位置，使 之精確定位在樣品的邊緣。采用自動細致進針模式，使得掃描探針驅動至距離樣品〇. 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構的改變。
【權利要求】
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合起來的全新設計方案； 其設計原理在于：設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動X，Y和Z方向上三個獨立的步進馬達，從而達到在有限的電 鏡樣品空間內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，誘發反應和改變材料的性質。
2. 根據權利要求1所述的設計方案，構建一種系統，系統包括：三個獨立的壓電陶瓷控 制的步進馬達，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. 根據權利要求2所述的壓電陶瓷馬達，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，尺蠖壓電陶瓷馬達等。
4. 根據權利要求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. 根據權利要求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 優先權日:2014年7月25日
【發明者】潘明虎 申請人:潘明虎