一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在各種設(shè)定的工作環(huán)境中通過程序控制原位切換具有不同功能的探針，從而在同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、表面形貌掃描、晶體結(jié)構(gòu)演變探測和摩擦能量耗散測量等功能。該系統(tǒng)在原位切換探針時(shí)，無需破壞工作環(huán)境，有效避免外界環(huán)境對樣品表面的污染。
【專利說明】
一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于精密儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在各種設(shè)定的工作環(huán)境中對同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、表面形貌掃描、晶體結(jié)構(gòu)演變探測和摩擦能量耗散測量等功能。
【背景技術(shù)】
[0002]原子力顯微鏡是一種通過檢測被測樣品與探針之間的弱相互作用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的精密儀器。原子力顯微鏡已經(jīng)在材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，推動了納米科技的發(fā)展，是開展微納尺度下研究的重要儀器。通常情況下，原子力顯微鏡只能安裝一根功能單一的探針。隨著微納尺度下的摩擦磨損研究逐步深入，在一些研究中，需要在不破壞工作環(huán)境的前提下原位更換其他具有不同功能的探針。以真空環(huán)境下的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)為例，首先，選用曲率半徑較小的探針對樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行形貌掃描。然后，選用曲率半徑較大的探針對樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行摩擦磨損測試。繼而，再選用曲率半徑較小的探針對摩擦磨損后的樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行形貌掃描。最后，再對樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分表征，綜合分析實(shí)驗(yàn)中的摩擦系數(shù)和實(shí)驗(yàn)前后的表面形貌、化學(xué)成分等數(shù)據(jù)，推斷得出對磨副材料的摩擦磨損機(jī)理。但是，在更換具有不同功能的探針以及表征化學(xué)成分時(shí)，勢必會破壞原有的真空環(huán)境，引入許多不確定因素(如空氣中的氧氣和水蒸氣等)，造成樣品表面污染，從而無法獲得真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且上述實(shí)驗(yàn)過程操作復(fù)雜、效率較低，嚴(yán)重阻礙了微納尺度下的摩擦磨損機(jī)理研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在各種設(shè)定的工作環(huán)境中通過程序控制原位切換具有不同功能的探針，從而在同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、表面形貌掃描、晶體結(jié)構(gòu)演變探測和摩擦能量耗散測量等功能。該系統(tǒng)在原位切換探針時(shí)，無需破壞工作環(huán)境，有效避免外界環(huán)境對樣品表面的污染。
[0004]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，包括真空腔體、安裝在真空腔體上的腔體上蓋和安裝在腔體上蓋上的光窗頂蓋；光窗頂蓋與腔體上蓋之間放置通光通光透明板;真空腔體內(nèi)部安裝探針切換平臺和樣品臺。其中，探針切換平臺安裝在樣品臺上方。
[0005]進(jìn)一步的，所述探針切換平臺為旋轉(zhuǎn)式。
[0006]進(jìn)一步的，所述探針切換平臺包括用于實(shí)現(xiàn)不同功能探針原位切換的壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺、安裝在壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺下的探針載動圓盤和搭載在探針載動圓盤下的多組可相互切換的具有不同功能的探針組件。
[0007]進(jìn)一步的，所述光窗頂蓋成內(nèi)凹狀。
[0008]進(jìn)一步的，所述腔體上蓋的中部設(shè)有半圓狀的通光孔和用于安裝壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺的凸臺。
[0009]進(jìn)一步的，所述探針載動圓盤上均勻設(shè)有用于安裝探針組件盲孔。
[0010]進(jìn)一步的，所述探針組件包括用于固定探針的探針托架和彈簧壓片、以及探針。
[0011]進(jìn)一步的，所述探針包括表面形貌掃描的探針、微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的探針、針尖增強(qiáng)拉曼光譜的探針以及待擴(kuò)展功能的探針。
[0012]進(jìn)一步的，所述通光通光透明板為石英玻璃。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下:
[0014]1、該系統(tǒng)可以通過程序控制原位切換具有不同功能的探針，從而在同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、表面形貌掃描、晶體結(jié)構(gòu)演變探測和摩擦能量耗散測量等功能，具有探針切換靈活便捷、定位精度高以及不破壞工作環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。
[0015]2、光窗頂蓋設(shè)計(jì)成內(nèi)凹狀，可以顯著增大其上方空間，便于集成其他設(shè)備。
[0016]3、探針組件安裝在探針載動圓盤下，通過精密加工保證探針載動圓盤上、下面的平行度，從而保證具有不同功能的探針在同一平面上。
[0017]4、探針切換平臺通過旋轉(zhuǎn)方式切換探針，有效節(jié)約腔體內(nèi)部的工作空間。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)視角的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)視角的爆炸圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為腔體上蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5為探針切換平臺一個(gè)視角的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6為壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖7為探針切換平臺另一個(gè)視角的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖8為探針載動圓盤結(jié)構(gòu)不意圖；
[0026]圖9為探針組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]其中，真空腔體I，腔體上蓋2，凸臺2.1，通光孔2.2，光窗頂蓋3，石英玻璃4，探針切換平臺5，壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺5.1，盲孔5.2.1，探針載動圓盤5.2，探針組件6，探針托架6.1，彈簧壓片6.2，探針6.3。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0029]如圖1-3所示，一種能在各種設(shè)定的工作環(huán)境中在同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、表面形貌掃描、晶體結(jié)構(gòu)演變探測和摩擦能量耗散測量等不同功能的多功能組合探針系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)施例，基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，包括真空腔體
1、安裝在真空腔體I上的腔體上蓋2和安裝在腔體上蓋2上的光窗頂蓋3，腔體上蓋2通過螺釘連接安裝在真空腔體I上，真空腔體I和腔體上蓋2均設(shè)有用于密封的橡膠密封圈凹槽，通過橡膠密封圈進(jìn)行密封。光窗頂蓋3通過螺釘連接安裝在腔體上蓋2上，光窗頂蓋3成內(nèi)凹狀，顯著增大了光窗頂蓋3上方空間，便于在腔體上方集成其他設(shè)備。
[0030]腔體上蓋2的中部設(shè)有半圓狀的通光孔2.2和用于安裝壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺5.1的凸臺2.1，壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺5.1通過螺釘連接在凸臺2.1上。光窗頂蓋3與腔體上蓋2之間放置有用于透射激光的石英玻璃4;真空腔體I內(nèi)部設(shè)置有探針切換平臺5和樣品臺，探針切換平臺5安裝在樣品臺上方。
[0031]如4-8所示，探針切換平臺5包括用于實(shí)現(xiàn)不同功能探針原位切換的壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺5.1、安裝在壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺5.1下的探針載動圓盤5.2，探針載動圓盤5.2上搭載有多組可相互切換的具有不同功能的探針組件6，探針載動圓盤5.2上均勻設(shè)有多組用于安裝探針組件盲孔5.2.1，探針組件6通過螺釘與盲孔5.2.1連接。
[0032]探針載動圓盤5.2通過螺釘連接安裝在壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺5.1，通過精密加工探針載動圓盤5.2來保證探針載動圓盤5.2上、下面的平行度，從而保證具有不同功能的探針組件6在同一平面上，探針組件6通過壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺5.1帶動探針載動圓盤5.2，探針載動圓盤5.2帶動探針組件6進(jìn)行原位切換。探針切換平臺5通過旋轉(zhuǎn)方式切換探針，可以有效地節(jié)約真空腔體I內(nèi)部的工作空間。
[0033]如圖9所示，探針組件6包括用于固定探針的探針托架6.1和彈簧壓片6.2、以及探針6.3。探針6.3包括表面形貌掃描的探針、微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的探針、針尖增強(qiáng)拉曼光譜的探針以及待擴(kuò)展功能的探針。
[0034]該系統(tǒng)的工作原理是在同一設(shè)定的工作環(huán)境中通過程序控制原位切換具有不同功能的探針，從而在同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、表面形貌掃描、晶體結(jié)構(gòu)演變探測和摩擦能量耗散測量等功能，可同時(shí)安裝多組探針組件6。
[0035]具體連接安裝以及工作過程如下:將不同功能的探針(包括表面形貌掃描的探針、微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的探針以及針尖增強(qiáng)拉曼光譜的探針)安裝在探針托架上;放置樣品并將設(shè)備調(diào)至工作狀態(tài)(進(jìn)行針尖增強(qiáng)拉曼光譜實(shí)驗(yàn)需要集成拉曼光學(xué)系統(tǒng))，通過程序控制，將表面形貌掃描的探針或者針尖增強(qiáng)拉曼光譜的探針定位到樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域的形貌或者拉曼光譜;進(jìn)行上一步實(shí)驗(yàn)后，通過控制程序?qū)⒂糜谖⒂^摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的探針定位到樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn);進(jìn)行微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后，再通過程序控制將表面形貌掃描的探針或者針尖增強(qiáng)拉曼光譜的探針切換定位到樣品表面實(shí)驗(yàn)區(qū)域，得到微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的形貌或者拉曼光譜。上述工作過程均在同一工作環(huán)境中通過程序控制原位切換具有不同功能的探針，使得多種工作模式可以相繼協(xié)同完成，不需要打開腔體更換探針。探針切換通過程序控制完成，操作靈活便捷、定位精度高。該系統(tǒng)保證了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性和可靠性，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可靠、實(shí)驗(yàn)效率更高。
[0036]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:包括真空腔體(I)、安裝在真空腔體(I)上的腔體上蓋(2)和安裝在腔體上蓋(2)上的光窗頂蓋(3);光窗頂蓋(3)與腔體上蓋(2)之間放置通光透明板;真空腔體(I)內(nèi)部安裝探針切換平臺(5)和樣品臺。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述探針切換平臺(5)為旋轉(zhuǎn)式。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述探針切換平臺(5)包括用于實(shí)現(xiàn)不同功能探針原位切換的壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺(5.1)、安裝在壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺(5.1)下的探針載動圓盤(5.2)和搭載在探針載動圓盤(5.2)下的多組可相互切換的具有不同功能的探針組件(6)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述光窗頂蓋(3)成內(nèi)凹狀。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述腔體上蓋(2)的中部設(shè)有半圓狀的通光孔(2.2)和用于安裝壓電旋轉(zhuǎn)定位平臺(5.1)的凸臺(2.1)06.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述探針載動圓盤(5.2)上均勻設(shè)有多組用于安裝探針組件盲孔(5.2.1)。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述探針組件(6)包括用于固定探針的探針托架(6.1)和彈簧壓片(6.2)、以及探針(6.3)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述探針(6.3)包括表面形貌掃描的探針、微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的探針、針尖增強(qiáng)拉曼光譜的探針以及待擴(kuò)展功能的探針。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)，其特征在于:所述通光通光透明板為石英玻璃(4)。
【文檔編號】G01Q60/38GK105891549SQ201610214796
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】錢林茂, 張超杰, 江亮, 余丙軍, 鄒乙稼
【申請人】西南交通大學(xué)