多场调控磁电功能透射电镜样品杆制造技术

本发明专利技术公开了多场调控磁电功能透射电镜样品杆，多场调控磁电功能透射电镜样品杆，包括样品杆头、样品杆身、手握柄，所述的样品杆身由同轴设置的前端细杆和后端粗杆组成，所述的样品杆身中，前端细杆与后端粗杆通过密封圈连接，前端细杆与样品杆头连接，后端粗杆与手握柄连接；所述的样品杆头设置有微型电磁铁及四电极压电陶瓷管。申请人应用对称性原理和沟槽轨道的设计，使本发明专利技术中的样品杆结构对称布置，平衡性好，尺寸紧凑，直线运动，在一定的程度上还减小了内应力和抵消温度引起的形变。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及透射电子显微镜配件，属于纳米材料测量领域。更具体地，涉及多场调控磁电功能透射电镜样品杆。
技术介绍
材料的宏观性能往往与其本身的成分、结构以及晶体缺陷中原子的位置等密切相关，在电子显微镜下观察微观结构离不开样品杆或者样品台。透射电子显微镜中的原位技术是当前迅速发展的研宄领域，其优点为:可以在微观尺寸条件下实时观察研宄材料和器件的结构变化和物理性质，有利于准确了解材料和器件的实际使用效果。透射电子显微镜是利用电子的波动性来观察固体材料内部的显微结构的仪器。透射电镜类似光学显微镜的原理，可将放大倍数提高到上千万倍，远大于光学显微镜的放大倍数。电磁学性质是材料和器件的重要性质，可以反映材料和器件的诸多物理性能，例如磁滞回线种类不同可以反映材料微观磁畴结构排布方式不同，磁阻效应可以反映材料的畴壁位移和磁畴反转的特点等。当需要原位研宄电、磁、力信号对材料和器件性质影响时，需要将电流、电压、磁场和作用力分别加到样品上，通过分别改变外加电学、磁学或力学信号的强弱、方向来研宄其性能变化。目前，在透射电镜样品杆上加装电磁力三场是原位电镜技术发展的一个重要分支。现有技术中商业和自主开发透射电镜样品杆功能单一，价格昂贵，更重要的是以静态磁性研宄为主要方式，无法实现多场调控条件下性质研宄。国内外尚无多场调控的磁电功能透射电镜样品杆，针对此问题，申请人开发了一种可以多自由度压电力学操纵，磁、电、力多场调控的透射电镜样品杆。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供多场调控磁电功能透射电镜样品杆。本专利技术是通过以下技术方案来实现的:多场调控磁电功能透射电镜样品杆，包括样品杆头、样品杆身、手握柄，所述的样品杆身由同轴设置的前端细杆和后端粗杆组成，所述的样品杆身中，前端细杆与后端粗杆通过密封圈连接，前端细杆与样品杆头连接，后端粗杆与手握柄连接；所述的样品杆头设置有微型电磁铁及四电极压电陶瓷管，四电极压电陶瓷管与针尖固定头连接，纳米针尖与针尖固定头连接。进一步，所述的样品杆身中还包含有四电极压电陶瓷管，四电极压电陶瓷管通过Z轴连接器与Z轴驱动器连接，Z轴驱动器是由压电陶瓷片、三氧化二铝片、驱动导轨、石英柱组成，压电陶瓷片上下表面均粘有三氧化二铝片，驱动导轨下表面也粘有三氧化二铝片，压电陶瓷片置于驱动导轨侧面，石英柱位于驱动导轨内部。进一步，所述的样品杆身中还包括有Y轴驱动器与Y轴连接器，Z轴驱动器通过中间传动杆与Y轴连接器连接，所述的样品杆身中的Y轴连接器与Y轴驱动器连接，Y轴驱动器是由压电陶瓷片、三氧化二铝片、驱动导轨、石英柱组成，压电陶瓷片上下表面均粘有三氧化二铝片，驱动导轨下表面也粘有三氧化二铝片，压电陶瓷片置于驱动导轨下，石英柱位于驱动导轨内部。进一步，所述的样品杆身中还包括有X轴驱动器与X轴连接器，Y轴驱动器与X轴驱动器连接，并位于后端粗杆内部，X轴连接器通过后端固定杆与手握柄，所述的样品杆身中的Y轴驱动器通过驱动导轨与X轴驱动器连接，X轴驱动器是由压电陶瓷片、三氧化二铝片、驱动导轨、石英柱组成，压电陶瓷片上下表面均粘有三氧化二铝片，驱动导轨下表面也粘有三氧化二铝片，压电陶瓷片置于驱动导轨上，石英柱位于驱动导轨内部。进一步，Z轴驱动器与中间传动杆连接处设置有小凸台。进一步，手握柄侧面和样品杆身前端细杆均设有导向销。进一步，前端细杆和后端粗杆通过锥形过渡段连接。进一步，所述的纳米针尖与针尖固定头之间还有针尖套杆，纳米针尖嵌套于针尖套杆，针尖套杆嵌套于针尖固定头。进一步，手握柄上还连接有手握柄盖。进一步，导线在后端粗杆的内部至分线接头，在分线接头另一端导线进入手握柄内部后经引出口向外伸出，最后连接至透射电子显微镜外部的控制装置中。本专利技术中样品杆工作原理是:采用聚焦离子束电镜(FIB)制备样品，放于样品杆头样品处，并通过合适的微加工方式在样品表面制备电极，焊接银线实现电气连接。样品杆头处的微型电磁铁在样品平面内产生一个可调节的平面磁场，纳米针尖受样品杆内部多自由度操纵器的控制，实现在可加电、磁和力场的情况下原位探宄材料电阻、磁阻、磁致伸缩等磁学、电学及力学多场耦合特性。本专利技术样品杆身为多自由度纳米驱动部分，由四电极压电陶瓷管，X轴驱动器、Y轴驱动器和Z轴驱动器四个部分构成，X、Y、Z轴驱动器均采用压电陶瓷片通过面接触惯性式驱动方式实现样品杆的高精度三维移动，具体运动过程以Y轴驱动器为例:压电陶瓷片上下表面粘有三氧化二铝片，驱动导轨下表面也粘有三氧化二铝片，增加表面光洁度，减小与驱动导轨长时间面接触相对移动引起的摩擦损耗。在压电陶瓷上下表面引电极添加电信号，使驱动导轨沿石英柱方向线性相对移动，根据所加电信号的强度、频率及时间差异移动不同的距离。样品杆外壳与样品杆内部多自由度操纵器部分为同轴结构，四电极压电陶瓷管通过Z轴连接器与Z轴驱动器连接，Z轴驱动器放置于前端细杆内部用于克服长距离驱动产生的震动问题，并通过中间传动杆与Y轴连接器连接，进而实现与Y、Z轴的机械连接。在Z轴驱动器与中间传动杆连接处添加一个小凸台，搭载中间传动杆至中轴线高度，用于抵消由于引进中间传动杆造成的长力矩，使后端Z轴驱动器可以稳定驱动，增加样品杆整体机械稳定性。Y轴驱动器与X轴驱动器直接连接在一起，并放于后端粗杆内部，这种驱动设计结构紧凑，响应快，驱动力大，可以实现平面内的大量程纳米驱动，模块化构造，减小了各部分之间影响，位移控制精度高。X轴连接器通过后端固定杆与手握柄连接，后端固定杆固定于手握柄内部，实现搭载样品杆内部所有多自由度操纵器，控制其位于样品杆同轴位置，样品杆内部整体多自由度驱动部分只有X轴连接器与样品杆外壳连接，多自由度驱动部分前端轴向悬空，完全通过压电陶瓷片与四电极压电陶瓷管驱动控制实现前端纳米针尖与样品之间的力学加载研宄。本专利技术的有益效果是:本专利技术采用微型电子线圈构建微型电磁铁，可在较小电流的条件下产生尽可能大的平行磁场，并能保证样品处的磁场近似平行于样品平面，解决了焦耳热问题。申请人应用对称性原理和沟槽轨道的设计，使本专利技术中的样品杆结构对称布置，平衡性好，尺寸紧凑，直线运动，在一定的程度上还减小了内应力和抵消温度引起的形变。同时为了减小甚至避免各种误差，如迟滞引入的误差、非线性引入的误差，申请人设计单向运动的方式和脉冲电压补偿驱动的方法，极好的提高了透射电镜多自由度操纵的运动精度和减小了漂移，且选择了应力和弹性模量大的材料，使得其有很好的回弹性，保证了驱动机械系统的可靠性和精度。为了能够大尺度的运动，申请人采用X、Y、Z轴面接触剪切力惯性式驱动方式，前端采用四电极纳米压电陶瓷管3D空间弯折方式，完美的实现了大尺度、高精度的运动。【附图说明】本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中:图1是本专利技术的透射电子显微镜样品杆的样品杆整体图；图2是本专利技术的透射电子显微镜样品杆剖面图；图3是本专利技术的前端样品杆头的局部结构示意图；图4是本专利技术透射电子显微镜样品杆Z轴驱动部分局部图；图5是本专利技术透射电子显微镜样品X、Y轴驱动部分局部图。其中，1-样品杆头；2_前端细杆；3_后端粗杆；4_手握柄；5_手握柄盖；6_导向销；7_密封圈；8_引出口 ；9_锥形过渡段；1-Z轴驱动器；11-中间传动杆本文档来自技高网...

【技术保护点】
多场调控磁电功能透射电镜样品杆，包括样品杆头(1)、样品杆身、手握柄(4)，所述的样品杆身由同轴设置的前端细杆(2)和后端粗杆(3)组成，其特征在于：所述的样品杆身中，前端细杆(2)与后端粗杆(3)通过密封圈(7)连接，前端细杆(2)与样品杆头(1)连接，后端粗杆(3)与手握柄(4)连接；所述的样品杆头(1)设置有微型电磁铁(15)及四电极压电陶瓷管(19)，四电极压电陶瓷管(19)与针尖固定头(18)连接，纳米针尖(16)与针尖固定头(18)连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勇，郑修军，张军伟，王宏涛，张奕志，马鸿斌，关超帅，朱士猛，杨保林，胡阳，薛德胜，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62