一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头

1.本发明属于近常压扫描隧道显微镜的技术领域，具体涉及用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头。

背景技术：

2.传统的超高真空表面分析技术表征单晶表面的模型催化，为多相催化反应研究提供了大量重要信息。然而工业多相催化反应通常发生于高温、高压环境，催化剂表面结构、吸附位点都可能随气压的增加而发生变化。常温真空（极低暴露量）下反应气体在催化剂表面的吸附结构，不能简单向高温高压气氛条件外推。真空条件下的模型研究与真实气氛中的工业反应之间，可能存在催化剂表面结构、吸附活性、位点、催化机理等巨大差异，即所谓“压力鸿沟”。
3.具有原子尺度空间分辨本领的扫描隧道显微技术，因其工作原理（电子隧穿仅发生于样品—探针距离1-5
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）不受真空条件限制，可应用于宽泛的温度、压力范围，甚至液体或其他特殊环境，对于阐明催化过程中的吸附结构和反应物分子的迁移特性能够发挥不可替代的作用，成为催化研究领域越来越重要的实验探测手段。近常压扫描隧道显微技术对于多相催化研究的不可替代性在于，实现催化剂表面在催化过程的原子级可视化，为催化反应机理的探索提供直观可靠的实验基础。
4.近年发展起近常压扫描隧道显微镜技术（near-ambient-pressure scanning tunneling microscopy, nap-stm），用于研究室温下在反应物/产物环境中，压力高达1巴（一个大气压）条件下催化剂的表面结构。一种基于更小反应池和inchworm型扫描头的高温nap-stm，展示了在500 k（227℃）下对0.033巴氮气环境中的石墨烯进行原子成像。然而，市场上的近常压扫描隧道显微镜在实验中，构成扫描头步进的关键部件（一种压电陶瓷管）在气氛和高温环境中性能急速衰退。通常经过2-3实验循环，该部件即损坏。分析原因，是因为采用了inchworm驱动机制，参见图6，驱动马达-部件4（一种内外表面镀镍的压电陶瓷管）内表面和中心步进杆-部件35’（抛光蓝宝石棒）直接接触，在步进过程中两种材料反复摩擦。蓝宝石表面坚硬，镍镀层松软，部件4的内表面蒸镀的镍层在摩擦过程中易损耗，且产生的颗粒大大增大了摩擦阻力。在高温和气氛作用下，摩擦损耗急剧加重，导致扫描头很快损坏。而更换扫描头时间和成本昂贵，此问题亟待解决。

技术实现要素：

5.为了提高在高温和气氛作用下扫描头的使用寿命，本发明提供一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头。
6.一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头包括扫描管1、固定限位环2和扫描头主体3；所述扫描头主体3包括支架31和中心步进杆35，所述扫描管1套装于中心步进杆35的上端；所述固定限位环2空套在中心步进杆35，并固定连接着支架31的上部，改进在于：所述扫描头主体3还包括压电马达33、蓝宝石片34、导轨36、红宝石球37和铍铜弹
片38；所述支架31包括上固定环311和下固定环312，上固定环311的外周和下固定环312的外周之间由直立的立板固定连接，使上固定环311的外周和下固定环312呈上下平行状态；所述中心步进杆35贯穿位于上固定环311和下固定环312内，中心步进杆35的上端伸至上固定环311外部，中心步进杆35的下端位于下固定环312内，所述压电马达33设于支架31内，压电马达33的一侧面与支架31的立板绝缘贴合，压电马达33的另一侧面通过蓝宝石片34与中心步进杆35的一侧杆身贴合；所述导轨36为槽钢状，中部开设有通孔，通孔为与红宝石球37配合的圆弧孔；导轨36的槽口与中心步进杆35的另一侧杆身贴合；所述红宝石球37位于导轨36的通孔处，红宝石球37的外侧被铍铜弹片38顶住固定，对导轨36施加压力；铍铜弹片38的中部开设有通孔，通孔与红宝石球37对应；铍铜弹片38的上端固定连接着上固定环311，铍铜弹片38的下端固定连接着下固定环312；所述导轨36和中心步进杆35通过红宝石球37和铍铜弹片38夹持，保证中心步进杆35在运动过程中与导轨36的适应性；所述中心步进杆35的材料和导轨36的材料均为蓝宝石；工作时，在压电马达33上施加三角波形电压，压电马达33发生切向形变，周期性伸缩，通过中心步进杆35和蓝宝石片34之间的摩擦力驱动中心步进杆35沿导轨36运动，实现驱动扫描管1的前进或后退。
7.进一步的技术方案如下：所述支架31的材料为镍铁合金。
8.所述压电马达33的一侧面和支架31的立板之间设有陶瓷垫片32，实现绝缘。
9.所述压电马达33由四片压电陶瓷片堆叠组成，用绝缘胶包覆，引出两个电极。
10.所述蓝宝石片34的一侧面为抛光面，抛光面与中心步进杆35贴合；蓝宝石片34的另一侧面为粗糙面，粗糙面通过绝缘胶粘贴固定连接着压电马达33。
11.本发明的有益技术效果体现的以下方面：1.本发明创新地设计了扫描头的结构，采用了完全不同的运动结构，运动接触的中心步进杆35和导轨36均采用同样坚硬的蓝宝石，替代了原来一方较松软的压电陶瓷镀镍的表面，抛光的蓝宝石表面之间经久耐磨。同时将易损的压电陶瓷马达用绝缘胶、蓝宝石片、陶瓷片包覆封装，与反应气氛隔绝。而没有反应气体影响，一般压电陶瓷材料的工作温度可达到400℃。本发明根本上解决了摩擦、反应气体导致的寿命问题。实验证明，采用不易磨损的蓝宝石作为运动接触面极大地提高了扫描头的稳定性和耐用性，寿命能达到5-10年；2.本发明结构紧凑、稳定，通过铍铜弹片和红宝石球点压方式，在运动过程中可以自动进行压力调整，保证了步进过程中中心步进杆35中与导轨36的适应性。
附图说明
12.图1为本发明结构示意图。
13.图2为图1的主视图。
14.图3为图2的a-a剖视图。
15.图4为图2的b-b剖视图。
16.图5为图1中扫描头主体的爆炸图。
17.图6为现有技术中的中心步进杆上套装着内外表面镀镍的压电陶瓷管4的结构示意图。
18.图7为近常压扫描隧道显微镜工作原理示意图。
19.上图中序号：扫描管1、固定限位环2、扫描头主体3、压电陶瓷管4、支架31、陶瓷垫片32、压电马达33、蓝宝石片34、中心步进杆35、导轨36、红宝石球37、铍铜弹片38、上固定环311、下固定环312、针尖5、样品6、加热装置7、气氛池8。
具体实施方式
20.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的描述。
实施例
21.参见图1和图2，一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头包括扫描管1、固定限位环2和扫描头主体3。
22.参见图3，扫描头主体3包括支架31和中心步进杆35，扫描管1套装于中心步进杆35的上端；固定限位环2空套在中心步进杆35，并固定连接着支架31的上部。
23.具体改进在于：参见图3，扫描头主体3还包括压电马达33、蓝宝石片34、导轨36、红宝石球37和铍铜弹片38。
24.支架31包括上固定环311和下固定环312，上固定环311的外周和下固定环312的外周之间由直立的立板固定连接，使上固定环311的外周和下固定环312呈上下平行状态。中心步进杆35贯穿位于上固定环311和下固定环312内，中心步进杆35的上端伸至上固定环311外部，中心步进杆35的下端位于下固定环312内。支架31的材料为镍铁合金。
25.压电马达33由四片压电陶瓷片堆叠组成，用绝缘胶包覆，引出两个电极。压电马达33固定安装于支架31内，压电马达33的一侧面和支架31的立板之间通过安装的陶瓷垫片32贴合，并实现绝缘；压电马达33的另一侧面通过蓝宝石片34与中心步进杆35的一侧杆身贴合。蓝宝石片34的一侧面为抛光面，抛光面与中心步进杆35贴合；蓝宝石片34的另一侧面为粗糙面，粗糙面通过epoxy h77绝缘胶粘贴固定连接着压电马达33。
26.导轨36为槽钢状，中部开设有通孔，通孔为与红宝石球37配合的圆弧孔；导轨36的槽口与中心步进杆35的另一侧杆身贴合。红宝石球37位于导轨36的通孔处，红宝石球37的外侧被铍铜弹片38顶住固定，对导轨36施加压力；铍铜弹片38的中部开设有通孔，通孔与红宝石球37对应。铍铜弹片38的上端固定连接着上固定环311，铍铜弹片38的下端固定连接着下固定环312。
27.导轨36和中心步进杆35通过红宝石球37和铍铜弹片38夹持，保证中心步进杆35在运动过程中与导轨36的适应性；中心步进杆35的材料和导轨36的材料均为蓝宝石。
28.本发明扫描头的工作温度为室温至100℃。
29.本发明的工作原理详细说明如下：
工作时，在压电马达33上施加三角波形电压，压电马达33发生切向形变，周期性伸缩，通过中心步进杆35和蓝宝石片34之间的摩擦力驱动中心步进杆35沿导轨36运动，实现驱动扫描管1的前进或后退。
30.参见图7，近常压扫描隧道显微镜具体工作原理，在样品6上施加电压（ 1～10v），当扫描管1轴向端部的针尖5接近但不接触样品表面时（约一个原子的距离～0.1nm），样品6和针尖5之间发生量子隧穿效应，在样品6和针尖5之间形成电流（即探测的针尖电流～1na），电流的大小取决于样品6和针尖5之间的距离。在针尖5无限接近样品6表面的过程中，循环探测针尖电流，如果电流未达到设定的进针电流值，步进马达33将驱动中心步进杆35上的扫描管1向样品6表面前进一步，直至电流达到设定值。针尖5和样品6距离足够近，进入隧穿状态后，停止前进步进杆，扫描管1开始工作，对样品6进行扫描。扫描完成后，需要退针。步进马达33将驱动中心步进杆35上的扫描管1进行后退，远离样品6表面。加热装置7和气氛池8是为近常压扫描隧道显微镜提供高温和气氛实验条件。

技术特征：

1.一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头，包括扫描管（1）、固定限位环（2）和扫描头主体（3）；所述扫描头主体（3）包括支架（31）和中心步进杆（35），所述扫描管（1）套装于中心步进杆（35）的上端；所述固定限位环（2）空套在中心步进杆（35），并固定连接着支架（31）的上部，其特征在于：所述扫描头主体（3）还包括压电马达（33）、蓝宝石片（34）、导轨（36）、红宝石球（37）和铍铜弹片（38）；所述支架（31）包括上固定环（311）和下固定环（312），上固定环（311）的外周和下固定环（312）的外周之间由直立的立板固定连接，使上固定环（311）的外周和下固定环（312）呈上下平行状态；所述中心步进杆（35）贯穿位于上固定环（311）和下固定环（312）内，中心步进杆（35）的上端伸至上固定环（311）外部，中心步进杆（35）的下端位于下固定环（312）内，所述压电马达（33）设于支架（31）内，压电马达（33）的一侧面与支架（31）的立板绝缘贴合，压电马达（33）的另一侧面通过蓝宝石片（34）与中心步进杆（35）的一侧杆身贴合；所述导轨（36）为槽钢状，中部开设有通孔，通孔为与红宝石球（37）配合的圆弧孔；导轨（36）的槽口与中心步进杆（35）的另一侧杆身贴合；所述红宝石球（37）位于导轨（36）的通孔处，红宝石球（37）的外侧被铍铜弹片（38）顶住固定，对导轨（36）施加压力；铍铜弹片（38）的中部开设有通孔，通孔与红宝石球（37）对应；铍铜弹片（38）的上端固定连接着上固定环（311），铍铜弹片（38）的下端固定连接着下固定环（312）；所述导轨（36）和中心步进杆（35）通过红宝石球（37）和铍铜弹片（38）夹持，保证中心步进杆（35）在运动过程中与导轨（36）的适应性；所述中心步进杆（35）的材料和导轨（36）的材料均为蓝宝石；工作时，在压电马达（33）上施加三角波形电压，压电马达（33）发生切向形变，周期性伸缩，通过中心步进杆（35）和蓝宝石片（34）之间的摩擦力驱动中心步进杆（35）沿导轨（36）运动，实现驱动扫描管（1）的前进或后退。2.根据权利要求1所述的一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头，其特征在于：所述支架（31）的材料为镍铁合金。3.根据权利要求1所述的一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头，其特征在于：所述压电马达（33）的一侧面和支架（31）的立板之间设有陶瓷垫片（32），实现绝缘。4.根据权利要求1所述的一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头，其特征在于：所述压电马达（33）由四片压电陶瓷片堆叠组成，用绝缘胶包覆，引出两个电极。5.根据权利要求1所述的一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头，其特征在于：所述蓝宝石片（34）的一侧面为抛光面，抛光面与中心步进杆（35）贴合；蓝宝石片（34）的另一侧面为粗糙面，粗糙面通过绝缘胶粘贴固定连接着压电马达（33）。

技术总结

本发明涉及一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头，属于近常压扫描隧道显微镜的技术领域。包括扫描管、固定限位环和扫描头主体；扫描头主体包括驱动马达、支架和中心步进杆：扫描头主体还包括压电马达、蓝宝石片、导轨、红宝石球和铍铜弹片；支架的材料为镍铁合金；压电马达由四片压电陶瓷片堆叠组成，且固定安装于支架内；导轨为槽钢状，导轨的槽口与中心步进杆的杆身贴合；红宝石球位于导轨中部的通孔处，红宝石球的外侧被铍铜弹片顶住固定，对导轨施加压力；导轨和中心步进杆通过红宝石球、铍铜弹片夹持，保证中心步进杆在运动过程中与导轨的适应性；中心步进杆的材料和导轨的材料均为蓝宝石。本发明结构紧凑、稳定，寿命能达到5-10年。10年。10年。