СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП Российский патент 1994 года по МПК H01J37/26 

Изобретение относится к электронным приборам, предназначенным для исследования физических свойств поверхностей твердых тел при сверхнизких температурах с разрешающей способностью порядка размеров атома.

Известны различные конструкции сканирующих туннельных микроскопов (СТМ), работающие при температурах жидкого гелия. Однако при работе этих микроскопов в среде с температурой менее 0,4 К, возникают значительные трудности поддержания постоянной рабочей температуры прибора при его регулировке [1].

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности (прототип) является СТМ [2], содержащий полый цилиндрический корпус с коаксиально расположенными в нем и жестко соединенными по нижним смежным торцам внутренним и внешним трубчатыми пьезоэлементами, иглу, закрепленную на верхнем торце внутреннего пьезоэлемента, и расположенный над иглой пружинный держатель образца, причем верхний торец внешнего пьезоэлемента жестко зафиксирован относительно корпуса. Нижняя часть соединенных пьезоэлементов установлена в корпусе с возможностью вертикального упругого регулируемого скольжения по его внутренней поверхности, а держатель образца выполнен в виде подпружиненного упругого диска, жестко закрепленного в корпусе по его краям.

Недостатком прототипа является ограниченный крайним нижним пределом температурный рабочий диапазон прибора, который составляет порядка 1 К. Этот недостаток конструктивно обусловливается тем, что в процессе работы прибора вращение регулировочного винта осуществляется манипулятором, представляющим собой трубку из, например, нержавеющей стали, которую вводят в дьюар с жидким гелием. Если осуществлять таким манипулятором регулировку микроскопа, помещенного в камеру растворения Не³ в НЕ⁴ с температурой порядка сотых долей Кельвина, то за счет неизбежного внешнего теплопровода, привносимого этим манипулятором, температура в камере растворения резко повышается.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка прототипа, а именно, создание конструкции, позволяющей понижение минимальной рабочей температуры СТМ до 20 мК, путем обеспечения полного, автономного пьезоэлектрического управления микроскопом в сверхнизкотемпературной зоне криостата.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом СТМ, содержащем полый цилиндрический корпус с соосно расположенными в нем двумя трубчатыми пьезоэлементами, иглодержатель с иглой, напротив которой расположен держатель образца, и систему питания пьезоэлементов, согласно изобретению, пьезоэлементы ориентированы навстречу друг другу свободными торцами, а держатель образца закреплен на свободном торце нижнего пьезоэлемента. Верхний же пьезоэлемент состоит из двух одинаковых изолированных пьезокерамических полуцилиндров, а иглодержатель содержит два плоских твердосплавных сектора со скошенными рабочими гранями. Эти секторы приклеены к свободным торцам полуцилиндров, между которыми жестко закреплена в верхней части на корпусе прибора прижимная пластина с твердосплавным выступом в своей нижней части. При этом винт, регулирующий силу прижима выступа пластины к игле, проходит через резьбовое отверстие в боковой стенке корпуса и через расширенную часть щели, разделяющей два полуцилиндра. Этот винт упирается своим торцом в прижимную пластину. И, наконец, система питания СТМ снабжена дополнительным двухканальным источником электрических импульсов с треугольной и трапециевидной формой соответственно.

Сопоставительный сравнительный анализ предлагаемого СТМ и прототипа показывает, что предлагаемый микроскоп отличается своей кинематической схемой и конструкцией узла позиционирования иглы,
Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод: предлагаемый микроскоп соответствует критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 схематически, в разрезе, вне масштаба (для удобства изображения) приведена конструкция предлагаемого микроскопа (двухканальный источник питания не изображен); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 подключенным источником питания; на фиг. 3 - вне масштаба, в аксонометрии верхний пьезоэлемент с прикрепленными к нижним торцам его полуцилиндров секторами (для наглядности повернут на 180^о); на фиг. 4 - игла (вид снизу), прижатия к рабочим граням секторов выступом прижимной пластины с векторным изображением сил нормального давления, действующих на эту иглу; на фиг. 5 - изображены зависимости напряжений, подаваемых по первому и второму каналам соответственно двухканальным источником импульсов, от времени (в течение одного периода).

Предлагаемый СТМ состоит из вертикально ориентированного полого цилиндрического корпуса 1, закрепленного на основании 2. В верхней части корпуса 1 размещен узел позиционирования иглы 3, а в нижней - узел позиционирования образца 4.

Узел позиционирования иглы 3 состоит из двух равновеликих пьезокерамических изолированных полуцилиндров 5, закрепленных верхними торцами на верхней внутренней плоской поверхности корпуса 1. На внутренней и внешней боковой поверхности пьезокерамических полуцилиндров 5 нанесено токопроводящее покрытие. К нижним торцам этих полуцилиндров 5 приклеены два плоских твердосплавных сектора 6 со скошенными рабочими гранями 7 (фиг. 3), то есть гранями, к которым прижимается игла 3 твердосплавным выступом 8 прижимной пластины 9, жестко закрепленной в верхней торцевой части корпуса 1. В верхней части боковой цилиндрической стенки корпуса 1 вырезано отверстие, в которое ввернут регулировочный винт 10. Этот винт своей хвостовой частью проходит через окно, то есть через расширенную часть щели между пьезокерамическими полуцилиндрами, и упирается торцом в прижимную пластину 9.

Узел позиционирования образца состоит из пьезокерамической трубки 11, закрепленной нижним торцом на основании 2, и держателя образца 12, приклеенного к верхнему торцу трубки 11.

Микроскоп работает следующим образом.

Перед началом работы микроскоп помещается в камеру растворения Не³в Не⁴ и для виброизоляции подвешивается в камере растворения на шелковых нитях. Условие осевого перемещения иглы будет понятно из следующих рассуждений. Если игла 3 находится в равновесии, то сумма всех сил (весом иглы можно пренебречь), действующих на нее, должна быть равна нулю + + = 0 (фиг, 4). Векторы указанных сил можно изобразить как стороны треугольника, если пренебречь точками приложения этих сил. Так как сектор 6 и выступ 8 изготовлены из одинакового твердосплавного материала, то при перемещении иглы вдоль вертикальной оси должно выполняться следующее условие: сумма абсолютных величин любых двух сил трения скольжения больше абсолютной величины третьей силы.

При подаче импульсов от двухканального источника 13 (фиг. 5) на наружные электроды полуцилиндров происходит следующее.

В течение первой трети периода следования импульсов происходит синхронное удлинение полуцилиндров, сопровождаемое продольным осевым перемещением иглы в сторону образца. В течение второй и третьей периода происходит сокращение длины соответственно первого и второго полуцилиндров, не сопровождаемое осевым перемещением иглы. Таким образом, за один период происходит перемещение иглы на один шаг в сторону образца. Движение в противоположном направлении осуществляется при подаче на электроды импульсов от источника напряжения противоположного знака. При появлении в цепи между иглой и образцом туннельного тока подача импульсов прекращается и производится сканирующая туннельная микроскопия. Сканирование иглы по кадру происходит аналогичным, как и в прототипе, образом, то есть на пару противоположных наружных электродов пьезоэлемента 11 подаются пилообразные напряжения строчной развертки: на один из электродов - положительное напряжение, на другой - отрицательное. На другую пару электродов аналогичным образом также подаются пилообразные напряжения кадровой развертки. За счет этих напряжений происходит осевой изгиб пьезоэлемента 11, который и приводит к перемещению образца 4. На общий для всех секторов внутренний электрод пьезоэлемента 11 подают напряжение обратной связи, под действием которого этот пьезоэлемент изменяет свою длину, поддерживая постоянным туннельный ток и расстояние между иглой 3 и образцом 4 во время сканирования.

В институте физических проблем АН СССР было изготовлено два опытных образца предлагаемого микроскопа со следующими параметрами.

Пьезоэлементы были изготовлены из пьезокерамики ПКР-7М диаметром 6 мм и длиной 15 мм. Пьезокерамические полуцилиндры 5 были получены разрезанием одного из трубчатых пьезоэлементов алмазным диском на две равные части вдоль вертикальной оси. К титановому корпусу пьезоэлементы приклеивались. Секторы 6 и выступ 8 были изготовлены из победитового сплава. Рабочие грани секторов 6 составля- ли угол 60^о с плоскостью прижимной пластины 9, которая изготавливалась из бронзы КМЦ. Вольфрамовая игла, по технологическим причинам, была вставлена в кварцевую трубку-иглодержатель диаметром 0,5 мм и фиксировалась в ней силой трения. При комнатной температуре амплитуда импульсов была не менее 200 В, при сверхнизкой температуре - не менее 1200 В. В зависимости от параметров управляющего напряжения величина шага менялась от 0,1 до 4 мкм, а скорость иглы - от 0,1 до 1 мкм. Габаритные размеры микроскопа составили: диаметр 16 мм, длина 45 мм.

Сущность изобретения: устройство содержит вертикально ориентированный полый цилиндрический корпус 1, закрепленный на основание 2. В верхней части корпуса 1 размещен узел позиционирования иглы 3, а в нижней - узел позиционирования образца 4, узел позиционирования иглы 3 состоит из двух равновеликих пьезокерамических изолированных полуцилиндров 5, закрепленных верхними торцами на верхней внутренней плоской поверхности корпуса 1, к нижним торцам полуцилиндров 5 прикреплены два плоских твердосплавных сектора 6 со скошенными рабочими гранями, к которым прижимается игла 3 твердосплавным выступом 8 прижимной пластины 9. В верхней части корпуса ввернут регулировочный винт 10. А узел позиционирования образца состоит из пьезокерамической трубки 11, закрепленной нижним торцом на основании 2, и держателя образца 12, приклеенного к верхнему торцу трубки 11. 5 ил.

СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП, содержащий полый цилиндрический корпус с соосно расположенными в нем двумя трубчатыми пьезоэлементами, иглодержатель с иглой и расположенный со стороны острия иглы держатель образца, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования путем понижения минимальной рабочей температуры прибора до 20 мК, пьезоэлементы ориентированы навстречу друг другу свободными торцами, держатель образца закреплен на свободном торце нижнего пьезоэлемента, верхний пьезоэлемент состоит из двух равновеликих изолированных полуцилиндров, а иглодержатель содержит два плоских со скошенными рабочими гранями сектора, прикрепленных к свободным торцам полуцилиндров, и расположенную между полуцилиндрами и закрепленную в верхней части на корпусе прибора прижимную пластину, при этом регулировочный винт, проходящий через резьбовое отверстие в боковой стенке корпуса и через отверстие в боковой стенке верхнего пьезоэлемента, своим торцом упирается в прижимную пластину, а система питания снабжена дополнительным двухканальным источником электрических импульсов треугольной и трапециевидной формы соответственно.