阅读说明：本技术 一种多样品快速更换型扫描探针显微镜 (Multi-sample quick-replacement type scanning probe microscope ) 是由 郭颖 卞翔 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多样品快速更换型扫描探针显微镜,包括样品台、探针,XY限位装置、质量块、扫描管、压电管,所述样品台与探针两者之一安装于质量块,另一者安装于扫描管自由端,初始状态时探针正对着样品台中间位置；所述质量块设于XY限位装置内,质量块安装在压电管顶端,对压电管施加尖峰信号,通过控制压电管甩动来带动质量块在XY限位装置内XY方向上的移动；扫描管与压电管两者之一连接驱动机构,另一者连接基座。本发明通过二维方向移动质量块,使得样品台四个角和中心的样品都能精确处于扫描管正下方,能够实现多种样品的依次扫描与快速切换。(The invention discloses a multi-sample quick-change type scanning probe microscope, which comprises a sample stage, a probe, an XY limiting device, a mass block, a scanning tube and a piezoelectric tube, wherein one of the sample stage and the probe is arranged on the mass block, the other one of the sample stage and the probe is arranged at the free end of the scanning tube, and the probe is just opposite to the middle position of the sample stage in an initial state; the mass block is arranged in the XY limiting device, is arranged at the top end of the piezoelectric tube, applies a peak signal to the piezoelectric tube, and drives the mass block to move in the XY direction in the XY limiting device by controlling the piezoelectric tube to swing; one of the scanning tube and the piezoelectric tube is connected to the driving mechanism, and the other is connected to the base. According to the invention, the mass blocks are moved in the two-dimensional direction, so that samples at four corners and the center of the sample table can be accurately positioned right below the scanning tube, and sequential scanning and rapid switching of various samples can be realized.)

一种多样品快速更换型扫描探针显微镜

技术领域

本发明属于扫描探针显微镜技术，具体涉及一种多样品快速更换型扫描探针显微镜。

背景技术

扫描探针显微镜是使用探针对样品进行逐行扫描从而得到样品表面信息的显微镜，其核心原理是通过探针和样品之间的隧穿电流(扫描隧道显微镜)或原子力作用(原子力显微镜)或磁相互作用(磁力显微镜)等对样品进行表征。为了表征样品在极端或恶劣环境(如高真空、极低温、超强磁场等)中的表面信息，需将样品以及扫描装置置于这样的空间。然而环境设置均需要长时间周密的准备，这就使得在更换样品时需要付出巨大的时间、经济成本。

现有技术中，有能够实现样品大范围扫描的专利，其实现方式为将载物台用多个控制信号实现X、Y轴的移动，如专利201780082870.X和201480077349.3都涉及到大范围样品扫描但并没有涉及到多种样品扫描以及样品更换的问题，而且其实现载物台移动的方式存在以下缺陷：(1)为实现其X、Y方向的移动需要加入多个驱动器，从而引入更多的噪声源，降低成像质量；(2)载物台移动精度有限，体积庞大导致热涨落大，而且控制移动过程会引入振动，对扫描成像不利；(3)载物台需要置于内、外框之中造成结构复杂，导致其热膨胀系数、整体刚性在低温强磁中无法保证；

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种能够实现多种样品扫描及更换、适用于极端或恶劣环境且便于控制的多样品快速更换型扫描探针显微镜。

技术方案：本发明包括样品台、探针，还包括XY限位装置、质量块、扫描管、压电管，所述样品台与探针两者之一安装于质量块，另一者安装于扫描管自由端，且初始状态时探针正对着样品台的中间位置；所述质量块设于XY限位装置内，质量块安装在压电管顶端，对压电管施加尖峰信号，通过控制压电管甩动来带动质量块在XY限位装置内XY方向上的移动；扫描管与压电管两者之一连接驱动机构，另一者连接基座。

所述扫描管与压电管嵌套设置、并列设置或者竖直设置，实现多种方式扫描。

所述样品台安装于扫描管自由端时，扫描管对样品进行扫描，且扫描过程中探针不动作。

所述探针安装于扫描管自由端时，扫描管控制探针，通过探针对样品进行扫描。

所述扫描管与压电管嵌套设置时，基座上设有固定端，位于外部的管道末端通过固定端安装在基座上，便于安装。

所述扫描管与压电管竖直设置时，压电管位于扫描管正下方；此时，扫描管连接驱动机构，压电管连接基座。

所述扫描管的自由端设有安装座，样品台或探针通过安装座安装在扫描管自由端。

所述扫描管和压电管的材料相同，且扫描管和压电管均为圆环形结构；材料相同能够保证热涨落一致，对于扫描成像精度的提高有积极帮助。。

所述驱动机构为制动马达；只需要对压电体施加类似惯性压电马达的甩动信号即可控制样品，方便控制。

所述扫描管与压电管嵌套设置时，基座竖直放置，基座与扫描管、压电管相互平行；当所述扫描管与压电管并列设置或者竖直设置时，基座水平放置。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)实现多种样品进行快速扫描切换，通过二维方向移动质量块，使得样品台四个角和中心的样品都能精确处于扫描管正下方，实现依次扫描多种样品；(2)适用于极端或恶劣环境中，如超高真空、极低温、超强磁场等；(3)体积小，使用压电体携带质量块移动的方式可以做到体积很小；(4)方便控制，这种甩动方式控制样品移动，控制信号方便，只需要对压电体施加类似惯性压电马达的甩动信号即可；(5)限位装置的设定使得我们不需要计算质量块甩动的步长，只要在XY平面甩动足够的时间就可以精确地进行样品切换；(6)热涨落匹配，扫描用的扫描管和移动质量块用的压电体可以使用同种压电材料，因此，热涨落一致，对于扫描成像精度的提高有积极帮助。

附图说明

图1为本发明中实施例一的结构示意图；

图2为图1中质量块处于XY限位装置中心位置时的样品示意图；

图3为图1中质量块处于XY限位装置右下角位置时的样品示意图；

图4为本发明中实施例二的结构示意图；

图5为本发明中实施例三的结构示意图；

图6为图5中质量块处于XY限位装置中心位置时的样品示意图；

图7为图5中质量块处于XY限位装置右下角位置时的样品示意图；

图8为本发明中实施例四的结构示意图；

图9为本发明中实施例五的结构示意图；

图10为本发明中实施例六的结构示意图；

图11为本发明中实施例七的结构示意图；

图12为本发明中实施例八的结构示意图；

图13为本发明中实施例九的结构示意图；

图14为本发明中实施例十的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步详细介绍。

如图1所示，本发明包括样品台1、探针2，XY限位装置3、质量块4、扫描管5、压电管6、安装座7，样品台1与探针2两者之一安装于质量块4，另一者安装于扫描管5自由端，且初始状态时探针2正对着样品台1的中间位置；安装座7设置在扫描管5的自由端，样品台1或探针2通过安装座7安装在扫描管5自由端；质量块4设于XY限位装置3内，质量块4安装在压电管6顶端，对压电管6施加尖峰信号，通过控制压电管6甩动来带动质量块4在XY限位装置3内XY方向上的移动；扫描管5与压电管6两者之一连接驱动机构8，本实施例中，驱动机构8为制动马达，另一者连接基座9。扫描管5与压电管6嵌套设置、并列设置或者竖直设置。扫描管5和压电管6的材料相同，本实施例中，扫描管5和压电管6均为圆环形结构。扫描管5与压电管6嵌套设置时，基座9竖直放置，基座9与扫描管5、压电管6相互平行，基座9上设有固定端10，位于外部的管道末端通过固定端10安装在基座9上。扫描管5与压电管6竖直设置时，压电管6位于扫描管5正下方，此时，扫描管5连接驱动机构8，压电管6连接基座9。当扫描管5与压电管6并列设置或者竖直设置时，基座9水平放置。

实施例一：

如图1至图3所示，制动马达推动扫描管5和探针2逼近(或者远离)样品表面(Z方向)，扫描管5控制探针2进行XY方向二维扫描。压电管6和扫描管5属于嵌套关系，对压电管施加尖峰信号可以控制质量块在XY方向甩动(相当于惯性马达)。样品台1固定在质量块4上，如图2所示，初始状态(即质量块4处于XY限位装置3中心)时，探针2正对着正中心的样品，可以对其进行扫描成像。扫描结束后，控制探针2向后撤退一定距离，然后控制压电管6甩动从而质量块4带动样品进行XY方向移动。这个移动不需要计算步长，只需要将其移动至限位装置边角即可。此时其对角线中心区域恰置于探针2上方位置。如图3所示，质量块4移动至XY限位装置3右下角时，质量块4左侧左上角样品移动至原中心样品处。以此类推，探针可以分别扫描到样品台中心和四个边角的样品。

实施例二：

如图4所示，在实施例一的基础上，将探针2和样品台1的位置互换，压电管6带动质量块4在XY位置移动位置，XY限位装置3可以使探针2分别对准样品台1上的5个样品(初始状态质量块4处于限位装置中心，探针2正对着中心样品)。扫描时，扫描管5施加扫描信号，带动样品进行扫描，且扫描过程中探针2不动作。

实施例三：

如图5至图7所示，在实施例一的基础上，将扫描管5与压电管6的作用互换。样品台1固定在与压电管6连接的质量块4上，将探针2固定扫描管5自由端上。压电管6控制质量块4进行XY方向惯性甩动，扫描管5控制探针2进行扫描，同样可以实现5个样品的扫描。

实施例四：

如图8所示，在实施例三的基础上，将探针2和样品台1的位置互换。压电管6带动质量块4在XY位置移动位置，XY限位装置3可以使探针2分别对准样品台1上的5个样品。扫描时，扫描管5施加扫描信号，带动样品进行扫描，探针2不动。

实施例五：

如图9所示，制动马达推动扫描管5和探针2逼近(或者远离)样品表面(Z方向)，扫描管5控制探针2进行XY方向二维扫描。扫描管5和压电管6属于并列关系，对压电管6施加尖峰信号可以控制质量块4在XY方向甩动，样品台1固定在质量块4一侧，质量块4带动样品可以在XY限位装置3内进行XY方向移动。扫描管5控制探针2进行扫描，同样可以实现5个样品的扫描。

实施例六：

如图10所示，在实施例五的基础上，将探针2和样品台1的位置互换。压电管6带动质量块4在XY位置移动位置，XY限位装置3可以使探针2分别对准样品台1上的5个样品。扫描时，扫描管5施加扫描信号，带动样品进行扫描，探针2不动。

实施例七：

如图11所示，在实施例五的基础上，将扫描管5与压电管6的作用互换。样品台1固定在与压电管6连接的质量块4上，将探针2固定扫描管5自由端上。压电管6控制质量块4进行XY方向惯性甩动，扫描管5控制探针2进行扫描，同样可以实现5个样品的扫描。

实施例八：

如图12所示，在实施例七的基础上，将探针2和样品台1的位置互换，压电管6带动质量块4在XY位置移动位置，XY限位装置3可以使探针2分别对准样品台1上的5个样品。扫描时，扫描管5施加扫描信号，带动样品进行扫描，探针2不动。

实施例九：

如图13所示，制动马达推动扫描管5和探针2逼近(或者远离)样品表面(Z方向)，扫描管5控制探针2进行XY方向二维扫描。扫描管5和压电管6属于上下关系，对压电管6施加尖峰信号可以控制质量块4在XY方向甩动，样品台1固定在质量块4一侧，质量块4带动样品台1可以在XY限位装置3内进行XY方向移动。扫描管5控制探针2进行扫描，同样可以实现5个样品的扫描。

实施例十：

如图14所示，在实施例九的基础上，将探针2和样品台1的位置互换。压电管6带动质量块4在XY位置移动位置，XY限位装置3可以使探针2分别对准样品台1上的5个样品。扫描时，扫描管5施加扫描信号，带动样品进行扫描，探针2不动。