СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Полезная модель относится к технике, в частности, микроскопостроению и может быть использована в качестве сканирующего устройства при создании сканирующих зондовых микроскопов различного типа.
Сканирующие устройства предназначены для перемещения объекта относительно острия в пространстве по трем координатам и должны иметь высокую собственную резонансную частоту, малый тепловой дрейф, а также не должны нагреваться при работе.
Известно сканирующее устройство для зондовой микроскопии, которое представляет собой три взаимно перпендикулярных бруска из пьезокерамики, соединенных между собой в вершине (Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., and Weibel E. Surface studies by scanning tunneling microscopy //Phys. Rev. Lett.- 1982. - V.49, N.I. - P.57-61). Данное устройство позволяет перемещать объект или измерительный датчик по трем координатам и не нагревается при работе. К недостаткам этой конструкции относятся малый диапазон перемещения (не более 10 мкм) и низкая резонансная частота (ниже 8 кГц), что снижает частоту сканирования и увеличивает требования к внешним виброизолирующим устройствам.
Известно сканирующее устройство для зондовой микроскопии (Быков В.А. Приборы и методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования и модификации поверхности. Диссертация док. тех. наук. /В.А.Быков; (Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В.Лукина), - Москва, 2000. - 297 с.), состоящее из основного и внутреннего пьезокерамических элементов, вставки и держателя объекта.
Пьезокерамические элементы выполнены в форме цилиндров, имеющих разные диаметры. Пьезоцилиндр меньшего диаметра - внутренний, нижним основанием закреплен на вставке внутри основного пьезоцилиндра коаксиально. В верхней части внутреннего пьезоцилиндра крепится держатель объекта. Основной пьезоцилиндр верхней частью жестко крепится к корпусу устройства сканирования.
Работа устройства основана на линейном пьезоэффекте. Внутренний цилиндр перемещает объект (или измерительное острие) по двум координатам в плоскости сканирования, а внешний - в направлении перпендикулярном данной плоскости.
Данная конструкция имеет больший диапазон перемещения (до 60×60×4 мкм),
однако резонансная частота остается низкой (примерно 12 кГц). При данной резонансной частоте для обеспечения высокого (атомарного) разрешения зондового микроскопа должны использоваться внешние устройства виброизоляции. Кроме того, для обеспечения перпендикулярности перемещения внешнего пьезоцилиндра появляется необходимость в сложной многоступенчатой процедуре подгонки его электродов, которая требует специального вспомогательного оборудования, и при этом, не обеспечивает перпендикулярности лучше 73 градусов.
Задачей полезной модели является создание устройства имеющего высокую резонансную частоту и одновременно обеспечивающее диапазон перемещения более 100×100×10 мкм и исключив при этом процедуру подгонки.
Задача решается предлагаемым сканирующим устройством для зондовой микроскопии.
Устройство состоит из основного пьезокерамического элемента в форме параллепипеда на сдвиговом эффекте (1), пьезоцилиндрического цилиндра с держателем объекта (3) и вставки (2). Одна из боковых поверхностей основного пьезокерамического элемента жестко прикреплена к корпусу устройства сканирования (4), а к противоположной крепится вставка, на которой закреплен нижним основанием пьезоцилиндр с держателем объекта.
Отличительной особенностью заявляемого сканирующего устройства является выполнение основного пьезоэлемента в форме параллепипеда, работающего на сдвиговом эффекте, что позволяет увеличить перемещение по вертикали до 10 мкм и повысить частоту сканера до 40 кГц и исключить сложную процедуру подгонки сканера.
Перпендикулярность перемещения достигается автоматически свойствами пьезоэлемента, при этом перпендикулярность составляет не менее 88,3 градусов.
Устройство работает следующим образом.
На диаметрально противоположные электроды пьезоцилиндра (3) подаются напряжения противоположной полярности, что приводит к изгибу пьезоцилиндра и перемещению исследуемого объекта, помещенного на держатель объекта, по двум координатам в плоскости сканирования. При подаче напряжения на параллепипед (1) происходит сдвиг его незакрепленной боковой поверхности относительно жестко закрепленной к корпусу сканирования. Это приводит к перемещению объекта в направлении, перпендикулярном плоскости сканирования.
При необходимости вместо держателя объекта с объектом на пьезоцилиндре (3) может крепиться измерительное острие.
Устройство поясняется чертежом. Таким образом, заявляемое устройство осуществляет сканирование по трем
координатам на расстоянии не менее 100×100×10 мкм и одновременно обладает высокой резонансной частотой (не менее 40 кГц), что позволяет повысить частоту сканирования и получить атомарное разрешение зондового микроскопа при использовании предлагаемого сканера без использования внешних виброизолирующих устройств.
Устройство компактно, отсутствует необходимость специальных условий эксплуатации, что снижает требования к его применению и повышает эффективность работы.