纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体.pdf

本发明纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体包括探针、样品和并排站立并固定于基座上的两个压电管，探针与样品分别设置于这两个压电管的自由端，探针与样品间的间隙调节方向与两个压电管的轴线方向垂直，两个压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、一个Y定位和一个Z定位。本发明是一种把探针与样品间距的调节方向设置成与压电管轴线方向垂直以提高探针-样品间距的调节范围，使得在全部使用小于18V的低电压情况下也能实现以往必须使用大于18V的高电压才能实现的粗逼近、细逼近和对大起伏表面成像的功能，并具有很高热稳定性的扫描探针显微镜镜体。

1、  一种纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，包括探针、样品，其特征在于还包括并排站立并固定于基座上的两个压电管，探针与样品分别设置于这两个压电管的自由端，所述探针与样品间的间隙调节方向与所述两个压电管的轴线方向垂直，所述两个压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、一个Y定位和一个Z定位。

2、  根据权利要求1所述的纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，其特征在于所述的两个压电管是两个相同的XYZ定位压电管。

3、  根据权利要求1所述的纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，其特征在于所述探针或样品与其所处的压电管之间可增设质量块。

4、  一种纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，包括探针、样品，其特征在于还包括基座和站立并固定于基座上的XYZ定位压电管以及与该XYZ定位压电管并排站立并固定于所述基座上的立杆，探针和样品分别设置于所述XYZ定位压电管和立杆的自由端，所述探针与样品间的间隙调节方向与所述XYZ定位压电管的轴线方向垂直。

5、  根据权利要求4所述的纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，其特征在于所述探针与其所处的压电管之间可增设质量块。

6、  一种纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，包括探针、样品，其特征在于还包括基座和站立并固定于基座上的XYZ定位压电管以及与该XYZ定位压电管并排站立并固定于所述基座上的立杆，样品和探针分别设置于所述XYZ定位压电管和立杆的自由端，所述探针与样品间的间隙调节方向与所述XYZ定位压电管的轴线方向垂直。

7、  根据权利要求6所述的纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，其特征在于所述样品与其所处的压电管之间可增设质量块。

纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体
技术领域
本发明涉及扫描探针显微镜镜体，特别涉及一种纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，具体说是一种把探针与样品间距的调节方向设置成与压电管轴线方向垂直以提高探针-样品间距的调节范围，使得在全部使用小于18V的低电压情况下也能实现以往必须使用大于18V的高电压才能实现的粗逼近、细逼近和对大起伏表面成像的功能，并具有很高热稳定性的扫描探针显微镜镜体。
背景技术
现有扫描探针显微镜(SPM)的探针-样品粗逼近一般使用压电马达、步进电机或螺丝调节三种技术，它们的步距较大、定位重复性不理想，在粗逼近之后必须使用高于18V的高电压进行细逼近(细调)来控制压电管定位才能将探针-样品间距可靠地、精确地缩减到能产生成像信号的最终间距。此外，若样品表面起伏较大，一般也需要大于18V的高电压才能获得较大的探针-样品问距调节范围以追踪样品表面的较大起伏。
上述对大于18V的高电压的依赖，导致控制电路必须使用高电压运算放大器，而高压运算放大器一般在噪音、速度、精度、功耗等重要方面均远远不如低压运算放大器，且价格要昂贵得多。所以用高压运算放大器做出的扫描探针显微镜在性能和质量方面就比全低压运算放大器做出的扫描探针显微镜差很多，也贵很多。
发明内容
本发明为了克服现有技术中扫描探针显微镜需要使用高电压的缺点，提供了一种无须高压控制的扫描探针显微镜镜体。
本发明摆脱对高电压的依赖所采用的技术方案是：
本发明纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体包括探针、样品、还包括并排站立并固定于基座上的两个压电管，探针与样品分别设置于这两个压电管的自由端，所述探针与样品间的间隙调节方向与所述两个压电管的轴线方向垂直，所述两个压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、一个Y定位和一个Z定位。
所述的两个压电管是两个相同的XYZ定位压电管。
所述探针或样品与其所处的压电管之间可增设质量块。
本发明摆脱对高电压的依赖所采用的另一种技术方案是：
本发明纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体包括探针、样品、还包括基座和站立并固定于基座上的XYZ定位压电管以及与该XYZ定位压电管并排站立并固定于所述基座上的立杆，探针与样品分别设置于所述XYZ定位压电管和立杆的自由端，所述探针与样品间的间隙调节方向与所述XYZ定位压电管的轴线方向垂直。
所述探针与其所处的XYZ定位压电管之间可增设质量块。
本发明摆脱对高电压的依赖所采用的再一种技术方案是：
本发明纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体包括探针、样品、还包括基座和站立并固定于基座上的XYZ定位压电管以及与该XYZ定位压电管并排站立并固定于所述基座上的立杆，样品与探针分别设置于所述XYZ定位压电管和立杆的自由端，所述探针与样品间的间隙调节方向与所述XYZ定位压电管的轴线方向垂直。
所述样品与其所处的XYZ定位压电管之间可增设质量块。
本发明纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体的工作原理为：
压电管在长度大于直径时，其轴线方向(Z方向，又称纵向或轴向)的伸缩范围小于横向(与轴向垂直的方向，又称XY方向)的扫描范围。压电管轴向的压电伸缩位移ΔL等于：ΔL＝d₃₁LV/d，其中L为压电管的长度，d₃₁为压电系数，d为压电管壁厚，V为外加电压。压电管横向的压电伸缩位移ΔX等于：ΔX＝ΔL(2×2^0.5/π)L/D＝0.9ΔL×L/D，其中D为压电管的内径。由此可知：当压电管的长度比其内径大很多时，同等的外加电压可使压电管的横向移动ΔX远大于轴向移动ΔL。利用这一原理，可将探针-样品间距的调节由传统的通过压电管沿其轴向的压电伸缩实现改为本发明通过压电管沿其横向的扫描来实现。即：探针-样品间距的调节由传统的轴向(纵向)设置改成横向设置，这使得探针-样品间距的调节范围在不需要增加电压的情况下就可以得到较大提高。由于压电管的横向有两个自由度，其中一个用于探针-样品间距的调节，另一个依然可以用于探针沿样品表面的扫描。与该扫描方向垂直的扫描由压电管的轴向伸缩来提供(该方向的扫描范围有所减小，但由于另一个扫描方向的扫描范围不减，样品的大尺寸信息不会全部丢失)。
如此获得的大范围探针-样品间距的调节，可以使探针与样品在低驱动电压下就能借助质量块相互以惯性步进方式实现粗逼近，还可以在低压下实现细逼近和对样品大起伏表面的成像功能。
本发明还能有效抑制探针-样品间距的温度漂移。传统扫描探针显微镜的探针-样品间距因为是轴向调节所以压电管长度方向的热胀冷缩不均匀会影响探针-样品间距的热稳定性。而本发明的探针-样品间距与压电管的长度变化无关，仅由支撑探针与样品的压电管或立杆在基座上的立足点之间的间距有关，而这一间距可以小到近似为零，从而使得探针-样品间距受温度变化的影响很小，且可通过选用热膨胀系数低的材料制作基座进一步抑制探针-样品间距的温度漂移。
我们利用本发明的纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，以全部小于18V的低电压驱动和控制对高序石墨(HOPG)样品进行扫描隧道电流成像，在大气环境下就获得了极高质量的原子分辨率图像，见附图3。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)在相同电压下，探针-样品间距的可调节范围高于现有技术给出的可调节范围。
(2)完全不需要大于18V的高电压就可制成全套系统，实现了粗逼近、细逼近和对大起伏表面的成像，可使用价格低、性能高、质量好的低压器件制作全部所需电路。
(3)探针-样品间距具有高度的温度稳定性。
(4)使用了本发明制成的大气扫描隧道显微镜对高序石墨(HOPG)样品的成像数据显示：原子分辨率图像非常清晰，成像质量的确领先于现有技术(见附图3)。
附图说明
图1是本发明双压电管型纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体的基本结构示意图。
图2是本发明单压电管型纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体的基本结构示意图。
图3是使用本发明纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体对高序石墨样品在大气环境中所成的扫描隧道电流图像。
图中标号：1探针、2样品、3探针与样品之间的间隙调节方向、4a第一压电管、4b第二压电管、4c XYZ定位压电管、5压电管的轴线方向、6基座、7立杆。
以下通过具体实施方式，结构附图对本发明作进一步描述。
具体实施方式
实施例1：双压电管型纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体
图1是双压电管型纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体的基本结构示意图。两个压电管4a，4b并排站立并固定于基座6上，探针1与样品2分别设置于这两个压电管的自由端，所述探针1与样品2之间的间隙调节方向3与所述两个压电管的轴线方向5垂直，所述两个压电管中至少包含一体或分体设置的一个X定位、一个Y定位和一个Z定位。
工作时，由于第一压电管4a和第二压电管4b中至少包含一体或分体设置的一个X定位、一个Y定位和一个Z定位，所以这两个压电管配合起来可以使探针1相对于样品2进行X、Y和Z方向定位。
第一压电管4a或第二压电管4b在沿探针1与样品2间的间隙调节方向3的定位用于调节探针1和样品2之间的间距。第一压电管4a或第二压电管4b在沿其轴线方向的定位用于实现探针1沿样品2表面的扫描。第一压电管4a或第二压电管4b在沿与上述两个方向相垂直方向的定位用于实现探针1沿样品2表面的另一个扫描。由于第一压电管4a或第二压电管4b在沿探针与样品间的间隙调节方向3的定位范围远大于它们轴线方向5的定位范围，所以不需要大于18V的高电压就可以使得探针1和样品2之间能有足够大的压电精密调节范围，完成探针1和样品2之间粗逼近过后的细调节任务，也可完成对样品大起伏表面的成像任务。
此外，第一压电管4a和第二压电管4b在基座6上的立足点可以靠得很近(小于5毫米)，在温度变化时探针1与样品2随基座6热胀冷缩产生的探针-样品间距的变化不大，具有高度的抗温漂能力，特别是当基座由低热膨胀系数材料制成时。第一压电管4a或第二压电管4b也可选为一样的压电管，进一步抑制探针1与样品2在扫描方向的热漂移。
图1所示的探针与样品间的间隙调节方向3是沿第一压电管4a和第二压电管4b的排列方向的，但也可以是垂直于该排列方向(即垂直于纸面)。
实施例2：单压电管型纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体
实施例1中的两个压电管，如果其中之一选为XYZ定位压电管，则另一个压电管不必具有定位功能，可用任一立杆7取代，构成单压电管型纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体，见附图2。具体做法是：XYZ定位压电管4c与立杆7并排站立并固定于基座6上，探针1与样品2分别设置于所述XYZ定位压电管4c和立杆8的自由端，探针1与样品2的位置也可以对调，所述探针1与样品2间的间隙调节方向3与所述XYZ定位压电管4c的轴线方向垂直。
附图2所示的探针与样品间的间隙调节方向3是沿压电管4c和立杆7的排列方向的，但也可以是垂直于该排列方向(即垂直于纸面)。
实施例3：具有惯性步进马达的纵横转置全低压低温漂扫描探针显微镜镜体
实施例1-2中所述的压电管的自由端和其上设置的探针或样品之间可增设质量块，构成探针-样品粗逼近惯性步进马达。