[发明专利]差动滑行的单管扫描隧道显微镜主体装置

说明书

本发明是扫描隧道显微镜的新型主体装置。

1982年IBM公司在苏黎世实验室的葛宾尼博士和海雷罗尔博士共同研制成功了世界第一台扫描隧道显微镜（STM），由此荣获1986年诺贝尔物理奖。

STM使人类第一次能够实时地观察到原子在物质表面的排列状态。这对表面科学等领域有着十分重大的意义，被认为是表面科学和表面分析技术的一次革命。所以它一问世立即得到了世界科技界的高度重视，其发展甚快。美国、西欧和日本等国的不少大学和公司积极地开展这一领域的研究。1986、1987、和1988年，分别在西班牙、美国和英国召开了三届扫描隧道显微学国际会议，一些公司已推出诸种STM商品仪器（参见附表）。截止1988年8月10日已发表文章650多篇，有关专利20项。从而推动了STM类仪器的制造与完善，活跃了人们对样品与探针距离逼近机构的寻求与研究。

在已研制的各类STM的逼近机构中，有运用压电器件做蠕动爬行者（United    States    Patent    4.343.993）因加工困难，不稳定因素居多，而更多的是运用机械传动的逼近机构，如螺纹杠杆式，（Digital公司Nanoscope    I样本）弹性变形元件式[《国外科学仪器》（2），11（1988）]等。1988年2月公布的欧洲共同体EP-252-174-A20号专利，则是通过金属弹性元件进行逼近调节的。

上述诸机构虽然在STM类仪器设计中都有应用，但对于既要便于自动控制，又要利于样品的低温和真空测试来讲，则都显得不能尽如人意。

我们知道，为使扫描探针与样品之间产生足以能探测到的隧道效应电流，其间距一般小于10，即使加上压电器件通过电路反馈可退让的部分在内，每步调节量一般也只能在50NM之内。这要求调节机构十分精细才能不使两者相碰，同时因实验（如更换样品和探针）所需要，又要求样品和探针之间距离能在一个较大范围内可调。

本发明从机械传动角度出发，以简单的方式设计制造了既便于自动控制，又利于样品在低温和真空下测试的逼近调节装置。此装置能方便地实现上述要求，能灵活精细地对探针与样品间距做自动进退调节，并且兼有在不同方位上都能稳定地工作，易于制造，体积可做得相当小等优点。

作为本发明差动滑行的单管STM主体装置一个实施实例（参见图1和图2），其组成包括五个部分：差动滑行部件（由差动螺杆14、带有不同差动螺纹的滑块12和滑轨13组成）、自动控制驱动部件（由步进电机1、活络轴套2和支架15组成）、样品台部件（由样品台4、样品5和调节螺杆3组成）、探针台部件（由探针6、探针台10、探针座7、金属螺母8和压电陶瓷管9组成）以及施力元件11。

样品5固定在样品台4上，探针6固定在探针台10上，台的下面有施力元件11把探针和样品分别拉紧在两个形状相同，而具有不同螺纹的滑块12上，并且通过施力元件11，同时又把滑块12夹紧在滑轨13上。差动螺杆14旋入滑块12对应的螺纹中，差动螺杆14的右端由活络轴套2联在装于支架15上的步进电机1的轴端上。

差动螺纹螺距之差，由压电陶瓷管9的性质、几何尺寸、施加电压范围以及步进电机的每转步数等因素决定，一般在0.001-0.05毫米之间，本例螺距差采用0.007毫米。

两个带有不同螺纹的滑块12，可以做成一个为固定的，另一个做滑动，也可以两个滑块12都不固紧，让两滑块12都做滑行。本例采用双滑块滑动形式。

滑轨13是直线移动型导轨，可为一个平面接触、直线接触或单V槽接触。本例采用单V槽接触方式。

滑轨13和滑块12间的滑动摩擦系数不大于0.25，本例摩擦系数为0.15。

步进电机1每转步数最好选用480步或240步的微型步进电机，本例采用480步/转步进电机。

活络轴套2是一个能拨动差动螺杆14转动，同时又允许差动螺杆14右部可在轴套2内做轴向移动的特殊套筒。

样品台4由预调节螺杆3驱动，可在滑块12上滑动，由于施力元件11的作用而处于随遇夹紧的稳定状态。

施力元件11是磁性元件或金属弹性元件。本例采用永磁元件。施力元件11对滑块施加的夹持力一般在滑块重力的30倍之内。本例夹持力6倍于滑块重力。

所用压电陶瓷管9外径6.5毫米，内径5毫米，长15毫米。探针6为金属丝制作，本例采用直径0.5毫米钨丝制作。