[发明专利]一种应用于电子显微镜中的高稳定性扫描探针装置

说明书

技术领域：

本发明涉及材料测试仪器领域，更确切地说涉及在原子尺度和介观尺度下对材料观察，测量和控制以及类似装置。 

背景技术：

进入21世纪以来，随着科学技术的飞速发展，新材料和新技术的研究和探索日新月异；在微观尺度下研究材料的结构和性能，乃至于从材料的基本结构和成分出发，调控以至于改变材料的性能，逐渐成为人类科技发展和进步的原动力。为了得到材料的微观结构甚至原子结构信息，科学界、工艺界发明了一些测量方法和技术。其中，扫描透射电子显微镜(STEM)、扫描探针显微镜(SPM)等都是近几十年发展起来的高科技测量技术。 

透射电子显微镜(英语：Transmission electron microscope，缩写TEM)，简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将在放大、聚焦后在成像器件(如荧光屏、胶片、以及感光耦合组件)上显示出来。透射电子显微镜的分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2纳米，放大倍数为几万～百万倍。因此，使用透射电子显微镜可以用于观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构。 

扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy，缩写为SPM)是所有机械式地用探针在样本上扫描移动以探测样本影像的显微镜的统称。其影像解析度主要取决于探针的大小〔通常在纳米的范围〕。扫描隧道显微镜是第一个被发明的扫描探针显微镜〔1981年〕。扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 

扫描透射电子显微镜(STEM)，作为少数几种可以提供材料的原子结构信息的技术，在材料以及其它科学领域展现了重要的作用。另一方面，扫描探针显微镜(SPM)使用尖锐的探针去探测物质的表面结构，也可以提供表面的原子结构分布信息，甚至使用局域的电场操纵和改变物质的结构和性能。因此如何结合扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的功能，成为21世纪显微镜技术领域的终极目标。 

要实现这一目标，有许多技术上的困难和障碍需要克服。首先，扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的样品是不兼容的；扫描透射电子显微镜是基于样品的减薄部分从而获得高分辨的透视成像，于样品的表面无关。而扫描探针显微镜却要求样品有平整的表面。历史上，L.Marks曾经利用旋进电子衍射技术研究氧化物材料的表面结构。这个工作表明透射电子显微镜是有可能用来研究物质的表面结构的。然而，在实际情况下，由于扫描探针挡住了电子束的路径，两种技术是很难结合在一起的。 

另外，由于扫描透射电子显微镜中的样品空间很小，只有3-5毫米厚；这个使得扫描探针部分的设计变得极为困难。扫描探针在电子显微镜下的精确定位因此变得非常重要。 

目前，市场上有一些商用的产品试图做到这种结合。比如瑞典的Nanofactory instruments公司生产一种透视电镜中使用的样品座。然而，由于他们的扫描探针部分的糟糕设计，使得这种产品在实际使用中很难得到高分辨的成像。我们采用了全新的扫描探针部分的设计，从而实现扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的功能完美的结合。 

发明内容：针对以上提到的问题，提出本发明。 

本发明的内容是提供一种将扫描透射电子显微镜和扫描探针显微镜的功能结合起来的全新设计方案；并构建一种全压电陶瓷控制的三维空间精确定位装置，此装置可以在扫描透射电子显微镜中控制和移动扫描探针，使得探针接近或接触样品的表面，从而获得样品表面成像；可有效避免探针对样品的破坏，可以使用探针在透射电子显微镜下施加控制电场，诱发反应和改变材料的性质。 

本发明涉及的解决方案为：设计一个小型全压电陶瓷控制的三维空间精确定位装置，利用压电陶瓷的特性，通过外加脉冲电压驱动X，Y和Z方向上三个独立的步进马达，从而达到在有限的电镜样品空间内扫描探针的精确定位。 

本发明涉及的装置包含：三个独立的压电陶瓷控制的步进马达，控制X，Y和Z方向上探针的移动。由于扫描探针在此三个方向上的移动距离和精度要求各不相同，因此三个步进马达的设计也不同。X方向所需移动距离较长，对单步步长(精度)要求较高；而Y和Z方向的所需移动距离较短，对单步步长(精度)要求很高。 

本发明的主要特点在于：