Сканирующий туннельный микроскоп Советский патент 1991 года по МПК H01J37/26 

изобретение откосится к технике электронной микроскопии и может быть использовано при исследованиях физических свойств поверхностей твердых тел при Hi-пких температурах с разрешающей способностью порядка размеров атома.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей микроскопа счет проведения измерений в среде жидкого гелия путем повышения собственной частоты механических колесрчий.

На г. Ьг. 1 показана схема микроскопа, оогднй вии на фиг, 2 - вид корпуса с уиругну элементом , па фиг.З - сечение А-А на фиг. 2,

Сканирующий туннельный микроскоп состст из пологе циликцрнчоского корпуса 1, имеющего в своем средней части на внутренней нсрархнпсти два KOHb4eBoo6pa3Hvx выступа 2 и 3. К боковой цилиндрической поверхности выступа 3 приклеен своей верхней торцовой частью внешний трубчатый пьезо- злемеьт , а нткней частью этот пье-

1 SSS2

лиэлемент установлен по скользящей посадке относительно выступа 5 нижней части корпуса 1. С внешним трубчатым пьезоэлементом 4 коаксиально

1

расположен внутренний трубчатый пьезоэлемент 6г который приклеен нижней

зстью, как и внешний пьезоэлемент, « торцовому кольцу 7, К верхнему iо цу пьезоэлемента 6 приклеен игло- шатель 8, з котором закреплена г.трием вверх игла 9, Образец 10 приклеен на нижнюю поверхность упругого диска 11 держателя образца. Полый стакан 12 вставлен в верхнюю часть чорпуса и своим нижним торцом приживает диск 11 к выступу 2. В дне стакана имеется резьбовое отверстие с винтом 13, взаимодействующим с диском 11 через пружину 14. В нижней половине корпуса 1 (фиг. 2) выполнены две параллельные вертикальные прорези 15, образующие лепесток 16 шириной R/2 (R - наружный радиус корпуса)..

На внутренних и внешних цилиндрических -поверхностях пьезоэлементов 4 и 6 нанесено токопроводящее покрытие, которое выполнено в виде четырех изольрованных секторов,

I

Микроскоп работает следующим образом,

Приближение острия иглы к исследуемой поверхности образца осуществляется в две стадии,

На первой стадии производится сближение иглы с образцом ё помощью специального манипулятора, представляющего собой металлический стержень, который вводится во внутреннюю по- лость внутреннего пьезоэлемента 6 до соприкосновения с торцом иглы 9. Под действием усилия5 создаваемого манипулятором, игла, проскальзывая в иглодержателе, приближается к поверхнос- ти образца до расстояния, позволяющего создать туннельный ток с помощью системы тонкого регулирования, т.е. на расстояние порядка 10 мкм. Контрол расстояния между острием движущей иглы и поверхностью образца осуществ- ляется с помощью оптического микроскопа через окно в корпусе, ,

Затем микроскоп укрепляют на труб- ке из нержавеющей стали, в которой размещаются соединительные провода и манипулятор вращения винта 13. После этого сто опускают в дьюар с жидким гелием, где он охлаждается до температуры 2-3 К.

За счет того, что внутренний 6 и внешний 4 пьезоэлементы изготовлены из одинакового материала и имеют почти одинаковую длину, а внешний пьезозлемент установлен в нижней части по скользящей посадке, оба пьезоэлемента при охлаждении одинаково изменяют свою длину. При этом иглодержатель 8 и игла 9 остаются на прежнем расстоянии относительно образца 10.

На второй стадии вращение винта 13 приводит к деформации диска 11 и сближению держателя образца и иглы. При соответствующем выборе материалов и размеров элементов один оборот винта соответствует смещению держателя образца на 2 мкм.

При возникновении туннельного тока в цепи между иглой и образцом вращение винта 13 прекращается и проводятся измерения.

Установка нижней части пьезоэлементов по скользящей посадке, обеспечение упругого скольжения с помощью поджатого внутрь корпуса лепестка 16, а также повышение жесткости держателя образца за счет введения упругого диска 11 позволяет повысить жесткость конструкции и увеличить частоту собственных колебаний по крайней мере в 2 раза, В результате обеспечивается повышенная стабильность туннельного промежутка и может быть достигнуто разрешение микроскопа до .

Формула изобретения

Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий вертикально ориентированный 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, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет проведения измерений в среде жидкого гелия путем повышения собственной частоты механических колебаний, верхний торец внешнего пьезоэлемента жестко зафиксирован относительно корпуса, нижняя

часть соединенных пьезоэлементов установлена в корпусе с возможностью вертикального упругорегулируемого скольжения по его внутренней поверхности, а держатель образца выполнен в виде подпружиненного упругого диска, жестко закрепленного s Кбрпусгё по его краям.

Изобретение относится к электронной микроскопии и может быть использовано при исследованиях свойств и поверхности при низких температурах. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей микроскопа за счет проведения измерений в среде жидкого гелия путем повышения собственной частоты механических колебаний. Микроскоп содержит вертикально ориентированный полый цилиндрический корпус, в котором коаксиально расположены и жестко соединены по нижним смежным торцам внешний и внутренний трубчатые пье- зоэлемечты (И), Измерительная игла закреплена на верхнем торце внутреннего П. Верхний торец внешнего ГТ жестко зафиксирован относительно корпуса, а нижняя часть соединенных П установлена ь корпусе с возможностью вертикального упруго регулируемого скольжения по сг внутренней поверхности. При этом лераатель образца выполнен в я где ьстко закрепленного по .RM подпружиненного упругого диска, J ил„ S

13

фиг.1