一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构和显微镜制造技术

本发明专利技术公开了一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构，包括压电扫描管和镜体框架，所述压电扫描管设置在镜体框架内，所述压电扫描管上部分为自由端且通过固定环安装于镜体框架，下部分为自由端且其内壁上通过绝缘环连接滑杆，绝缘环的内环壁安装有弹簧片，弹簧片弹性抵接滑杆；本发明专利技术还提出了一种应用上述结构的基于Qplus技术的单扫描管的原子力显微镜，探针安装在石英音叉上，石英音叉、压电陶瓷、激励振荡器依次设置。本发明专利技术结构可靠性高，仅需要一根完整的四象限压电扫描管就可以完成步进和扫描，只在马达步进方向依赖惯性，而扫描方向可以连续进行，压电管不需要经过切割，保持了原有的完整性和刚性，所以能够更稳健，更精确地步进和扫描。精确地步进和扫描。精确地步进和扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构和显微镜


[0001]本专利技术属于扫描探针显微镜
，更具体地说，涉及一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构和显微镜。

技术介绍

[0002]扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)自专利技术以来，因其具有独特优异的微观表征能力在各研究领域得到了广泛应用，成为探索微观世界的重要工具，同时还是人们操纵和改造原子、分子的重要手段。
[0003]扫描探针显微镜通常由三部分核心部件组成：步进马达、扫描头和样品。扫描头负责携带探针在样品表面进行扫描，步进马达负责将扫描头推送至样品表面。目前，绝大多是的扫描探针显微镜的主体结构均是将步进马达和扫描头分开设计，因此整体结构较为复杂，体积也相对较大，进而带来热噪声和电涨落的增大，给成像带来干扰，导致成像不稳定，可靠性降低。
[0004]专利201510477975.8提出了单扫描利管驱动的多维压电马达及可搜索扫描探针显微镜，其主要阐述了单个压电管作为多维压电马达和扫描探头的机械结构和工作方式，其利用压电管的惯性力控制滑块进行XYZ三个方向的运动。但惯性力进行扫描就会导致扫描过程的不连续，成像效果会受到很大干扰。
[0005]专利CN113406360A提出了嵌套式扫描探针显微镜的结构，整体结构是由两个扫描管嵌套而成，其中外扫描管负责步进，内扫描管负责扫描，功能结构设计较为复杂。

技术实现思路

[0006]针对以上出现的体积大，结构复杂，成像有干扰的问题。如果可以将扫描头代替步进器的功能，即单个扫描头就能彻底实现步进加扫描的功能，则既可以减小显微镜的体积，将复杂的结构化繁为简，增加可靠性，从而提高显微镜的成像的稳定性，又可以降低设备制造价格。这无疑是具有积极意义的设计。
[0007]为此，我们在本专利技术中设计出一种结构紧凑，体积小，设计结构极其简单的扫描探针显微镜结构，即一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构。本专利技术仅使用一根完整的四象限压电扫描管就可以实现精准的步进和扫描，且在结构上具有高度的对称性，结构简单、稳固、可靠，不易受外界干扰，这对于原子级定位精度的仪器是十分重要的。
[0008]本专利技术一方面提出了一种极简式单扫描管扫描探针显微镜，包括压电扫描管和镜体框架，所述压电扫描管设置在镜体框架内，所述压电扫描管上部分为固定端，下部分为自由端，所述镜体框架的内壁的上部固定安装有固定环，所述固定端固定安装在固定环上，所述自由端的内壁上固定安装有绝缘环，所述绝缘环的环内设置有滑杆，所述绝缘环的内环壁安装有弹簧片，所述弹簧片弹性抵接滑杆。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述滑杆的自由端的端部的中心位置处固定安装有探针。
[0010]进一步地，所述探针下端设置有样品台，用于放置样品。
[0011]在本专利技术的另一个实施例中，所述滑杆的自由端的端部的中心位置处用于固定设置样品。
[0012]进一步地，所述样品远离滑杆的一侧设置有探针台，所述探针台上设置有探针。
[0013]本专利技术还公开了一种显微镜，包括上述的极简式单扫描管扫描探针显微镜结构，即本专利技术的极简式单扫描管扫描探针显微镜结构可应用于多种显微镜，如扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜AFM，磁力显微镜MFM等。
[0014]在本专利技术优选地一个实施例中，公开了一种基于Qplus技术的单扫描管的原子力显微镜，其基于上述的极简式单扫描管扫描探针显微镜结构，包括石英音叉、压电陶瓷、激励振荡器、探针，其中，所述探针安装在石英音叉上，所述石英音叉安装在压电陶瓷上，所述压电陶瓷安装在激励振荡器上，所述探针设置于滑杆的延伸轴线上。
[0015]本专利技术结构紧凑，体积小，设计结构极为简单，仅仅需要一根完整的四象限压电扫描管就可以完成步进和扫描两件事。
[0016]本专利技术只在马达步进方向依赖惯性，而扫描方向可以连续进行。
[0017]结构简单会带来更高的可靠性。
[0018]本设计所涉及的压电管不需要经过切割，因此保持了原有的完整性和刚性，所以能够更稳健，更精确地步进和扫描。
[0019]本专利技术在结构上还具有高度的对称性，结构简单稳固，不易受外界干扰，能大大减少温度变化而引起的热漂移，提高扫描成像的质量。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例一的扫描探针显微镜的结构示意图。
[0021]图2为本专利技术实施例二的扫描探针显微镜的结构示意图。
[0022]图3为本专利技术实施例三的扫描探针显微镜的结构示意图。
[0023]图4为本专利技术实施例一的压电扫描管(四象限扫描管)，图中示出了压电扫描管的各个电极。
[0024]图中：1、压电扫描管；101、X电极；102、Y电极、；103、
‑
X电极、；104、
‑
Y电极；105、内电极；2、固定环；3、弹簧片；4、滑杆；5、绝缘环；6、压电扫描管；7、探针；8、样品台；9、样品；10、探针台；11、石英音叉；12、压电陶瓷、13、激励振荡器。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]实施例一：
[0027]请参阅图1所示，图中显示了本实施例的扫描探针显微镜的结构组成，包括压电扫描管1，固定环2，弹簧片3，实心的滑杆4，绝缘环5等组成。压电扫描管1上部分为固定端，固定端通过固定环2固定在镜体框架6的内壁上。压电扫描管1的下部分为自由端，扫描管自由
端的内侧固定一圈绝缘环5，绝缘环5的一侧与实心滑杆4接触，另一侧用弹簧片3卡住绝缘环5和实心滑杆4，以保证滑杆4能够在绝缘环5上自由伸缩移动。滑杆4自由端的中心粘接一个扫描样品的探针7，探针7的下方是一个样品台8，用于放置样品9伸缩方向沿轴向方向运动。
[0028]本实施例所述的压电扫描管1、绝缘环5、滑杆4为：
[0029]压电扫描管1：压电扫描管1与传统的用于SPM扫描的压电扫描管并无区别，是一个完整的四象限扫描管。如图4所示，具体电极分为内电极105和外电极，外电极又分为四个象限，依次为：X电极101、Y电极102、
‑
X电极103、
‑
Y电极104，外电极以及内电极105的位置如图所示。
[0030]绝缘环5：一种绝缘材料制成的环状物体。承担了两方面的功能，一方面将扫描管与内部滑杆电气隔离，防止压电扫描管漏电影响扫描成像的品质。另一方面它为弹簧片提供受力平台。
[0031]滑杆4：可以是圆柱形、方形或其他形状的实心滑杆。或采用较高密度的材质的非实心滑杆，它们的质量较大，能够提供较大的惯性。同时滑杆4表面进行抛光处理，可以与弹簧片之间进行较为轻松的滑动。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构，包括压电扫描管(1)和镜体框架(6)，所述压电扫描管(1)设置在镜体框架(6)内，其特征在于，所述压电扫描管(1)上部分为固定端，下部分为自由端，所述镜体框架(6)的内壁的上部固定安装有固定环(2)，所述固定端固定安装在固定环(2)上，所述自由端的内壁上固定安装有绝缘环(5)，所述绝缘环(5)的环内设置有滑杆(4)，所述绝缘环(5)的内环壁安装有弹簧片(3)，所述弹簧片(3)弹性抵接滑杆(4)。2.根据权利要求1所述的一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构，其特征在于：所述滑杆(4)的自由端的端部的中心位置处固定安装有探针(7)。3.根据权利要求2所述的一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构，其特征在于：所述探针(7)下端设置有样品台(8)，用于放置样品(9)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭颖，张徐开，王佳丽，赵兴强，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：