[实用新型]一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪

说明书

技术领域

本实用新型属于磁学及磁性材料领域，尤其涉及一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪。

背景技术

就目前的电镜原位研究而言，大部分工作仅仅局限于材料的力学、光学、热学和电学等性能，而与磁学性质相关的研究少之又少，仅仅在透射电子显微镜中有少量的报道。可是，磁学的出现和发展对整个自然科学的发展意义重大，尤其是自1988年Fert教授首次发现金属Fe/Cr多层薄膜中的巨磁阻效应(GMR)以后[3]，这一领域的基础研究和工程应用在全球范围内有了很大的突破，并获得了巨大的成就。

磁电阻效应是磁结构单体最重要的物理效应之一。近三十年来，对磁电阻效应的不断研究和应用不仅诞生了与电子自旋相关的自旋电子学理论，同时也促进了磁电子学器件的快速发展，形成了今天规模庞大的高科技产业。随着各种器件基本结构单元的逐渐微型化发展，如磁阻传感器、磁随机存储器等器件的微型化，迫切需要在电镜中对单个磁结构单元实现全程实时、动态化原位读写等物理过程测量与记录的磁输运测量仪，以便我们能够更加直观、更加全面的了解和研究电子器件基本单元的工作原理，以及不同单元器件之间的相互影响，为推动自旋电子学基础研究的发展以及为未来设计更好的电子学器件提供基础和可能。

电子显微镜原位纳米操纵器的问世，使得专门用于微/纳米空间上纳米单体磁输运性质测量仪器的研发成为了可能。这套测量系统将具有价格低、效率高以及可控性好的特点，并可实现对测量过程和结果实时、动态和图像化的记录和分析，方便、快捷、准确地实现各领域的磁输运测量。这一设备的研发有望替代耗资巨大的半导体微加工实验，有效地解决磁性纳米材料、磁电子学和半导体自旋电子学三个领域中材料单体、器件单元在微/纳米尺度上直接、直观的磁输运性质测量问题。

扫描电镜原位纳米操纵器控制材料运动的精度最高可达0.4nm。对纳米操纵器的z轴运动调控是技术难点之一。z轴运动部件的质量太大，压电陶瓷片提供的驱动力不能大于自身重力，所以z轴很难运动。导致现有技术设计的z轴运动不理想。扫描电镜加磁场样品台漏磁对扫描电镜成像部分的影响又是一大技术难点。漏磁导致在扫描电镜下成像时，由于漏磁对电子束像散影响太大，并不能清晰的成像。

发明内容

本实用新型针对上述三个领域急需解决的纳米尺度下磁输运性质的测量问题，改善设计、制造出了一套能安装到扫描电子显微镜上的专门用于实时、动态、图像化测量磁输运性质的前沿科学仪器系统。它主要包含两个核心部分：能够对样品进行磁化、同时能任意调节外磁场方向和样品间角度的扫描电镜磁阻测量样品台，和能够导入、导出电输运测量信号的扫描电镜原位纳米操纵器。

一种纳米操纵器原位磁输运性质测量仪包括四个纳米操纵器，磁输运特性测量仪器，底座，PCB电路板；四个纳米操纵器组装在底座的四边，底座中间安装磁输运特性测量仪器，底座下固定PCB电路板；PCB电路板用于纳米操纵器原位磁输运性质测量仪的线路布局。

优选的，所述的磁输运特性测量仪器包括样品台、卡台、旋转体、压电陶瓷片和氧化铝片组合体、磁罩、电磁线圈、铁磁体、旋转轴、和仪器底座；所述的旋转体通过旋转轴与仪器底座相连，旋转体上设置铁磁体；铁磁体上缠绕电磁线圈；铁磁体内设置卡台，卡台上设置样品台；铁磁体外围设置磁罩，磁罩底部与旋转体连接；样品台台面穿出旋转体和磁罩；所述的仪器底座上设有凹槽，凹槽内设置有压电陶瓷片和氧化铝片组合体。

优选的，所述的纳米操纵器包括X轴运动装置、Y轴运动装置、Z轴运动装置、四电极压电陶瓷管、铜管和针尖；X轴运动装置、Y轴运动装置、Z轴运动装置均包括运动轨道、压电陶瓷和运动块；压电陶瓷设置在运动轨道上，通过给压电陶瓷施加脉冲电压驱动运动块在运动轨道上运动；所述的Y轴运动装置设置在X轴运动装置的运动块上，Z轴运动装置设置在Y轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管设置在Z轴运动装置的运动块上；四电极压电陶瓷管驱动铜管在小范围内运动，铜管的运动带动针尖运动。

本实用新型的纳米操纵器将y轴和z轴进行了调换，极大地减小了z轴的重力影响，使得压电陶瓷片提供的驱动力能够大于重力，所以纳米操纵器在z轴方向上可以平稳运动，实现了纳米操纵器全面、高精度的运动。本实用新型将磁场引入扫描电子显微镜，实现纳米空间上的实时、动态、图像化磁输运性质测量，降低磁电子学、半导体自旋电子学和磁性纳米单体三个领域的样品测量成本，实现定点、快速、直观、全程监控且物性测量。本实用新型专门在所加磁化样品台的线圈部分设计了防漏磁装置，使得磁化样品台的漏磁可以忽略不计。