Туннельный микроскоп

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микрозондовым приборам, в которых для исследования поверхности используется тунельный ток. Цель изобретения - уменьшение габаритов и упрощение конструкции туннельного микроскопа - достигается за счет совмещения функций сканирования острия и взаимного позиционирования его относительно объектодержателя в одном конструктивном узле. Микроскоп содержит основание и термокомпенсированный узел сканирования из двух трубчатых соосных пьезоэлементов. Узел взаимного позиционирования образован путем закрепления узла сканирования в подвижном относительно основания корпусе по свободному торцу внешнего пьезоэлемента. Корпус при этом зафиксирован относительно основания силой трения, которая больше усилий, возникающих при сканировании острия, и меньше усилий, развиваемых внешним пьезоэлементом, если к его электродам приложено пилообразное напряжение, и несимметричными фронтами импульсов. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (50 4 Н 01 J 37/285

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОсудАРстВенный НОмитет

IlQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4381855/24-21 (22) 21.12.87 (46) 07.11.89. Бюл. М 41 (71) Институт аналитического приборостроения Научно-технического объединения АН СССР (72) С.M.Âîéòåíêî, А.О.Голубок, Д.Н.Давыдов, В.A.Тимофеев и С.Я.Типисев (53) 621.385.833(088.8) (56) Патент Швейцарии М 643397, кл. Н 01 J 37/285, опублик. 1984.

Drake В. Sonnenfeld R. Scherein I.

Hansma P. Scanning Tunelling Microscope of Processes at Liquid-Solid.

Inteifaces — Surface Science, 1987, v.181, N 1/2 March (1), р.92-97. (54) ТУННЕЛЬНЫИ МИКРОСКОП (57) Изобретение относится к электронной технике, в частности к микрозондовым приборам, в которых для исследования поверхности используется туннельный ток. Цель изобретения

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микрозондовым приборам, в которых для исследования поверхности используется туннельный ток.

Цель изобретения — уменьшение габаритов и упрощение конструкции туннельного микроскопа за счет совмещения функций сканирования острия и взаимного позиционирования его относительно объектодержателя в одном конструктивном узле.

„„SU„„1520609 А 1

2 уменьшение габаритов и упрощение конструкции туннельного микроскопа— достигается за счет совмещения функций сканирования острия и взаимного позиционирования его относительно объектодержателя в одном конструктивном узле. Микроскоп содержит основание и термокомпенсированный узел сканирования из двух трубчатых соосных пьезоэлементов. Узел взаимного позиционирования образован путем закрепления узла сканирования в подвижном относительно основания корпусе по свободному торцу внешнего пьезоэлемента. Корпус при этом зафиксирован относительно основания силой трения, которая больше усилий, возникающих при сканировании острия, и меньше усилий, развиваемых внешним пьезоэлементом, если к его электродам приложено пилообразное напряжение, и несимметричными фронтами импульсов. 2 ил.

На фиг.1 и 2 показана туннельная ячейка при вертикальном и горизонтальном расположении оси острия, ва- рианты выполнения.

Туннельный микроскоп содержит термокомпенсированный узел сканирования, состоящий из двух соосно расположенных и скрепленных между собой смежными торцами трубчатых пьезоэлементов 1 и 2. На свободном торце внутреннего пьезоэлемента 1 закреплено острие 3. Внешний пьезо1520609

10 (= (М„+ М, + М) 35 элемент 2 закреплен вторым торцом в подвижном относительно основания

4 корпусе 5. Корпус зафиксирован относительно основания силой трения в направлении, параллельном оси пьезоэлементов. Значение силы трения Я должно находиться в пределах

f, х M „< kQ (f х (М+М ), где f., f — максимальная частота изменения длины и резонансная частота соответственно внутреннего и внешнего пьезоэлемен- 15 тов с х„, х = максимальные изменения длин пьезоэлементов при подаче на них напряжении м; 20

M „М вЂ” массы пьезоэлементов, кг; — коэффициент трения по-, коя между корпусом и ос-. нованием; 25

Q — сила прижима корпуса и основания, кг.

При вертикальном расположении острия 3 (фиг.1) прижим осуществляется, например, упругими элементами 6, 30 а при горизонтальном (фиг.2) прижим обеспечивается за счет веса узла, т.е. в этом случае где М вЂ” масса корпуса, кг;

g — - ускорение свободного падения, м/с

Внутренний пьезоэлемент 1 имеет разрезной электрод для управления сканированием острия по трем координатам, а к электродам внешнего пьезоэлемента 2 подключен выход источника 7 пилообразного напряжения с несимметричными фронтами импульсов.

Микроскоп работает следующим образом.

При подаче пилообразного напряжения от источника 7 на электроды внеш- 50 него пьезоэлемента 2 он изменяет свою длину медленно при пологом фронте импульса и быстро при крутом фронте импульса. При медленном изменении длины корпус 5 не сдвигается относительно основания 4. При резком изменении длины сила инерции превышает силу трения, корпус 5 проскальзывает относительно основания„ После того, как острие 3, закрепленное на узле сканирования 1, приблизится к объектодержателю 8, переходят к режиму сканирования, в котором внешний пьезоэлемент 2 не участвует. Благодаря тому, что масса внутреннего пьезоэлемента 1 много меньше массы внешнего, силы инерции, возникающие при сканировании, существенно меньше силы трения между подвижным корпусом

5 и основанием 4, поэтому во время сканирования корпус не сдвигается.

Пример. Параметры внутренне- . го пьезоэлемента — длина 20 мм; толщина стенок 0 5 мм; внешний диаметр

10 мм; рабочая частота fq =500 Гц; максимальное смещение х „ =10 м; масса (с острием) M,= 6.10 кг.

Параметры внешнего пьезоэлемента— длина 27 мм, толщина стенок 1 мм, внешний диаметр 18 мм; рабочая частота f. = 2 10 Гц; максимальное смещение х = 10 м; масса M =14 10 кг °

-6 -3

Коэффициент трения принят k=0 3 что справедливо для широкого класса материалов. Масса корпуса 5 составляет 20 г, сила прижима должна быть больше 130 r. Поэтому в варианте (фиг.1) сила прижима может выбираться в пределах

130 (О 268.

Аналогичные расчеты делаются для других вариантов. формула изобретения

Туннельный микроскоп, содержащий основание, термокомпенсированный узел сканирования, выполненный из двух соосно. расположенных и скрепленных между собой смежными торцами трубчатых пьезоэлементов, иа внутреннем из которых со стороны свободного торца установлено острие, узел взаимного позиционирования острия и объектодержателя, включающий подвижный относительно основания корпус, а также систему питания пьезоэлементов, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и упрощения конструкций, система питания снабжена источником пилообразного напряжения с несимметричными фронтами импульсов, выход которого соединен с внешним пьезоэлементом, а узел взаимного позиционирования образован путем завнешнего пьезоэлементов, с °

1 х „х 2 — максимальное изменение

M„t М7

Фиг. 2

Составитель В.Гаврюшин

Редактор А.Мотыль Техред Л. Сердюкова Корректор Т.Малец

Заказ 6765/54

Тираж 696

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.ужгород, ул. Гагарина, 101

5 1520609 крепления узла сканирования в подвижном корпусе по свободному торцу внешнего пьезоэлемента, при этом корпус зафиксирован относительно основания

5 силой трения в направлении, параллельном оси пьезоэлементов, удовлетворяю@ей условию, й,х,М, (Щ (й х (М„+ М )

У

10 где Г,, fz — максимальная частота изменения длины и резонансная частота соответственно внутреннего и длин пьезоэлементов при подаче на них напряжений, м; массы пьезоэлементов, кг, коэффициент трения покоя между корпусом и основанием; сила прижима корпуса к основанию, кг.