[发明专利]一种极简式单扫描管扫描探针显微镜结构和显微镜

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于扫描探针显微镜技术领域，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。

背景技术

扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)自发明以来，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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

为此，我们在本发明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。本发明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。

本发明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。

在本发明的一个实施例中，所述滑杆的自由端的端部的中心位置处固定安装有探针。

进一步地，所述探针下端设置有样品台，用于放置样品。

在本发明的另一个实施例中，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。

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。

本发明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，即本发明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。