一种扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪，包括机械组件、工作电路和控制电源。控制电源包括控制电路和操控面板。控制电路包括调压稳压�？�、电压测量�？�、电流测量�？�、阈值设定�？�、采样比较�？楹偷缪故涑瞿？椋餮刮妊鼓？樗貌裳缱鑂2位于高电位处，采样比较�？椴捎肔M319型比较器。由于本发明所设计控制电路将以往针尖腐蚀仪控制电路中的采样电阻从整个负载电压采集系统中移走，改在高电位处，通过这样的方式可以精确测量实时电流，同时保证负载电阻两端的恒压输出，而电流随着负载电阻的增大而逐渐减�。庋ゲ瘟康谋浠侨菀卓刂坪头治龅模銮苛烁垂痰奈榷ㄐ裕佣岣吡苏爰庵谱鞯某晒β�。
【专利说明】一种扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种扫描隧道显微镜针尖制作装置，特别是一种扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪。
【背景技术】
[0002]扫描隧道显微镜(STM)是一种分辨率很高的表面研宄仪器，它使人们第一次在实空间上观测到了原子。近些年，伴随着表面科学的发展，得到了广泛的应用，并逐渐成为凝聚态和表面物理实验室必备的研宄手段。作为与研宄表面直接接触的部件，针尖在STM的各组成部分中扮演了极其重要的角色。对大部分的STM实验而言，常用的针尖材料是钨W或者铂铱Pt-1r，针尖的质量直接影响到STM的分辨率。
[0003]由于扫描探针显微镜对高质量针尖的需求，很多种方法被用于探针制作。其中，最方便和经济的是基于电化学腐蚀理论而发展出来的针尖制作技术。电化学方法腐蚀针尖，可以分为交流和直流腐蚀两种不同的途径，其获得的针尖外形类似于抛物型和双曲型。相比较而言，直流腐蚀过程产生的气泡只在阴极出现，一般不会引起阳极液面的波动因而更加有利，经常被用于钨(W)针尖的制作。直流腐蚀中最常用的一种技术就是直流断落法。该方法中，针尖浸入溶液之中，在液面附近形成较细的颈部并最终断裂，钨丝的上半部分形成所需的针尖。这种方法的主要缺点是，如果不能及时的切断电路就会继续反应而导致针尖变钝，因此需要设计一种自动断电的电路系统来满足其要求。传统针尖腐蚀仪所设计的电路系统的腐蚀电压、负载电阻和腐蚀电流均要发生变化，多个反应参数的不确定性和持续变化会增加实验控制的难度，导致实验结果的不稳定性，降低针尖制作的成功率。
【发明内容】
[0004]为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以克服腐蚀过程中电压变化，提高针尖制作成功率的扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪。
[0005]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪，包括机械组件、工作电路和控制电源。
[0006]所述的机械组件包括底座、支架、上盖、顶盖旋钮、铜套A、螺纹杆、指针、升降固定块、阳极电极杆、固定旋钮、电极固定端、三爪卡具A、旋钮、三爪卡具B、负极电极杆、圆盘、电极环、烧杯和铜套B。
[0007]所述底座分别与支架、圆盘采用螺钉连接固定，起到总体的支承作用；所述上盖与支架采用螺钉连接固定；所述螺纹杆两端分别与铜套A和铜套B间隙配合，铜套A和铜套B分别固定在上盖和底座上；所述顶盖旋钮上标有刻度，采用螺钉与螺纹杆紧固连接；所述指针通过螺钉固定在上盖上，其配合顶盖旋钮上的刻度确定顶盖旋钮的旋转角度。所述电极固定端通过螺钉固定在升降固定块上，固定旋钮与电极固定端之间为螺纹配合，阳极电极杆通过固定旋钮固定在电极固定端上；所述三爪卡具A和三爪卡具B分别通过螺钉固定在阳极电极杆上，三爪卡具A和三爪卡具B将钨丝垂直夹紧；所述负极电极杆采用螺钉固定在底座上，旋钮与负极电极杆螺纹配合，旋转旋钮将电极环夹紧固定在负极电极杆上；所述圆盘采用螺钉固定在底座上，盛有腐蚀溶液的烧杯置于圆盘的圆孔之中，电极环没入烧杯所盛溶液液面以下。
[0008]所述的工作电路包括阳极电极杆、电极固定端、三爪卡具A、旋钮、三爪卡具B、负极电极杆、圆盘、电极环和烧杯。电极固定端通过电线接电源正极，电流通过与电极固定端连接的阳极电极杆传导到三爪卡具A和三爪卡具B所夹持的钨丝；所述负极电极杆接电源负极，并与电极环通过螺钉连接；三爪卡具A和三爪卡具B所夹持的钨丝与电极环共同处于烧杯所盛的腐蚀溶液中但不直接接触，通电时钨丝在腐蚀溶液中发生电解反应使电路构成回路。
[0009]所述的控制电源包括控制电路和操控面板。所述控制电路包括调压稳压�？�、电压测量�？�、电流测量�？�、阈值设定�？椤⒉裳冉夏？椤⒉罘直冉夏？楹偷缪故涑瞿？椋龅牡餮刮妊鼓？榉直鹩氲缪共饬磕？楹偷缌鞑饬磕？榱樱龅牡缪共饬磕？榛褂氲缪故涑瞿？榱樱凰龅牡缪故涑瞿？橥ü豄lB分别与采样比较�？楹筒罘直冉夏？榱樱凰龅牟裳冉夏？榫兄瞪瓒？�、开关KlC后与电流测量�？榱樱龅牟罘直冉夏？榈牧硪欢司豄lC后与电流测量�？榱�。所述的调压稳压�？樗貌裳缱鑂2位于高电位处，所述的采样比较�？椴捎肔M319型比较器。
[0010]所述的调压稳压�？橥ü渥杵鱎Tl输出O?1v直流电压，输出电压通过Pl接口接负载，即针尖腐蚀仪的正负极。
[0011]所述的电压测量模块采集负载电压，然后由P2接口外接电源内部集成的处理�？榻导实母涸氐缪瓜允镜讲倏孛姘迳�。
[0012]所述的电流测量模块采集采样电阻R2两端的电压，然后由P3接口外接电源内部集成的处理�？榈玫酵ü裳缱鑂2的电流即腐蚀电流并显示在操控面板上。
[0013]所述的操控面板是一块位于控制电源外壳正面中间位置的触摸屏，操控面板上设置有电压设定voltage、电流监控current、电流切断阈值设定threshold、差分设定Differential、针尖高度调节监控TipAdj、工作模式和开关显示框。
[0014]本发明的顶盖旋钮上标有刻度，采用螺钉与螺纹杆紧固连接，工作时旋转顶盖旋钮可使与其连接在一起的螺纹杆旋转，从而使与螺纹杆螺纹配合的升降固定块升降；旋转顶盖旋钮使螺纹杆转动，从而使与螺纹杆螺纹配合的升降固定块上下移动，从而可以调整钨丝浸入烧杯所盛溶液的长度。调整钨丝长度之前触摸操作面板上TipAdj显示框，当钨丝刚接触液面时TipAdj电源内部的蜂鸣器蜂鸣提示，之后再观察盖旋钮上的刻度来调整钨丝浸入液面的长度；调整好钨丝长度以后，触摸电压设定voltage和电流切断阈值设定threshold显示框来设定腐蚀电压和切断电流；在腐蚀过程中电流监控current显示框可以实时显示腐蚀电流的大小变化。
[0015]本发明工作时，各�？榈墓ぷ髟砣缦�:
[0016]调压稳压�？橥ü渥杵鱎Tl输出O?1v直流电压，此电压值为预设负载电压，本发明在使用时预设电压一般设为4?ΙΟν，输出电压通过Pl接口接负载，即针尖腐蚀仪的正负极。可以通过触摸屏上Voltage选项来控制变阻器RTl来调节预设负载电压。
[0017]电压测量�？椴杉涸氐缪梗缓笥蒔2接口外接电源内部集成的处理�？榻导实母涸氐缪谷缓笙允疚ッ罺oltage的值(触摸屏Voltage选项兼具反应前调节预设负载电压和反应过程显示实际负载电压的功能)，由于本电路改变了采样电阻R2的位置使得实际反应过程中的负载电压十分稳定，基本上等于预设电压，所以可以看到在反应过程中Voltage的值只在某些瞬时有0.02v以内的上下波动。
[0018]电流测量�？椴杉裳缱鑂2两端的电压，由然后由P3接口外接电源内部集成的处理�？榈玫酵ü齊2的电流即腐蚀电流并显示为触摸屏Current的值，从而实现了腐蚀电流的实时显不。
[0019]阈值设定�？楹筒裳冉夏？�:当通过触控屏幕将腐蚀仪工作模式调节到Thr.模式时，电路中阈值设定�？楹筒裳冉夏？榻尤氲降缏分校ü鹘诖ッ辽蟃hreshold选项的值来控制阈值设定�？楸渥杵鱎T2来改变预设切断电流的大�。徊裳冉夏？椴杉ü裳缱鑂2的电流即实际腐蚀电流的大小然后通过比较器IC2B与预设切断电流进行比较，若实际腐蚀电流小于预设切断电流，则Pl接口处串联的三级管Ql关闭，将负载从电路中切断，即针尖腐蚀仪停止工作。
[0020]差分比较�？�:当通过触摸屏将腐蚀仪工作模式调节到Diff.模式时，电路中采样比较�？橛脬兄瞪瓒？榇拥缏分星卸希罘帜？榻尤氲缏分�。通过调节触摸屏上Differential的值来控制差分比较�？橹斜渥杵鱎T3来改变电容C5右端预设电压值的大�。佣谋洳罘直冉夏？榈牧槊舳龋坏闭爰飧唇崾乃布浼次偎慷下渌布洌吹缌骰嵊幸桓霰冉洗蟮奶洌罘直冉夏？榛崤卸细吹缌魈涞拇笮。碧涞拇笮〈笥谝欢ㄖ档氖焙颍騊l接口处串联的三级管Ql关闭，将负载从电路中切断，即针尖腐蚀仪停止工作。
[0021]当设定好腐蚀参数以后，触摸触摸屏上的“0N”，腐蚀仪开始工作，且“ON”变为“OFF”，再次触控可以将腐蚀仪工作停止。
[0022]与现有技术相比，本发明具有以下改进效果:
[0023]1、由于本发明所设计控制电路将以往针尖腐蚀仪控制电路中的采样电阻从整个负载电压采集系统中移走，改在如图2中R2所示的高电位处，通过这样的方式可以精确测量实时电流，同时保证负载电阻两端的恒压输出。所设计控制电路用�？榛姆椒ǜ隽说缏废低掣鞑糠值木咛骞δ芎凸ぷ鞯某绦�。实际腐蚀电压不变，电流随着负载电阻的增大而逐渐减�。庋ゲ瘟康谋浠侨菀卓刂坪头治龅模銮苛烁垂痰奈榷ㄐ裕佣岣吡苏爰庵谱鞯某晒β省�
[0024]2、本发明触控面板的设计，实时显示腐蚀电压、电路电流、截止电流、针尖高度调节等参数，操作方便。
[0025]3、本发明的控制电路采用LM319型比较器，反应迅速，可以在200ns之内作出判断，提高了电路判断和动作的速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]本发明共有附图3张，其中:
[0027]图1为本发明的机械部分总装图。
[0028]图2为本发明的控制电路原理图。
[0029]图3为本发明的操作面板示意图。
[0030]图中:1、底座；2、支架；3、上盖；4、顶盖旋钮；5、铜套；6、螺纹杆；7、指针；8、升降固定块；9、阳极电极杆；10、固定旋钮；11、电极固定端；12、三爪卡具A;13、旋钮；14、三爪卡具B ;15、负极电极杆；16、圆盘；17、电极环；18、烧杯；19、铜套B。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。
[0032]如图1-3所示，一种扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪，包括机械组件、工作电路和控制电源。
[0033]所述的机械组件包括底座1、支架2、上盖3、顶盖旋钮4、铜套A5、螺纹杆6、指针7、升降固定块8、阳极电极杆9、固定旋钮10、电极固定端11、三爪卡具A12、旋钮13、三爪卡具B14、负极电极杆15、圆盘16、电极环17、烧杯18和铜套B19。
[0034]所述底座I分别与支架2、圆盘16采用螺钉连接固定，起到总体的支承作用；所述上盖3与支架2采用螺钉连接固定；所述螺纹杆6两端分别与铜套A5和铜套B19间隙配合，铜套A5和铜套B19分别固定在上盖3和底座I上；所述顶盖旋钮4上标有刻度，采用螺钉与螺纹杆6紧固连接；所述指针7通过螺钉固定在上盖3上，其配合顶盖旋钮4上的刻度确定顶盖旋钮4的旋转角度。所述电极固定端11通过螺钉固定在升降固定块8上，固定旋钮10与电极固定端11之间为螺纹配合，阳极电极杆9通过固定旋钮10固定在电极固定端11上；所述三爪卡具A12和三爪卡具B14分别通过螺钉固定在阳极电极杆9上，三爪卡具A12和三爪卡具B14将钨丝垂直夹紧；所述负极电极杆15采用螺钉固定在底座I上，旋钮13与负极电极杆15螺纹配合，旋转旋钮13将电极环17夹紧固定在负极电极杆15上；所述圆盘16采用螺钉固定在底座I上，盛有腐蚀溶液的烧杯18置于圆盘16的圆孔之中，电极环17没入烧杯18所盛溶液液面以下。
[0035]所述的工作电路包括阳极电极杆9、电极固定端11、三爪卡具A12、旋钮13、三爪卡具B14、负极电极杆15、圆盘16、电极环17和烧杯18。电极固定端11通过电线接电源正极，电流通过与电极固定端11连接的阳极电极杆9传导到三爪卡具A12和三爪卡具B14所夹持的钨丝；所述负极电极杆15接电源负极，并与电极环17通过螺钉连接；三爪卡具A12和三爪卡具B14所夹持的钨丝与电极环17共同处于烧杯18所盛的腐蚀溶液中但不直接接触，通电时钨丝在腐蚀溶液中发生电解反应使电路构成回路。
[0036]所述的控制电源包括控制电路和操控面板。所述控制电路包括调压稳压�？椤⒌缪共饬磕？�、电流测量�？�、阈值设定模块、采样比较�？�、差分比较�？楹偷缪故涑瞿？椋龅牡餮刮妊鼓？榉直鹩氲缪共饬磕？楹偷缌鞑饬磕？榱樱龅牡缪共饬磕？榛褂氲缪故涑瞿？榱樱凰龅牡缪故涑瞿？橥ü豄lB分别与采样比较�？楹筒罘直冉夏？榱樱凰龅牟裳冉夏？榫兄瞪瓒？椤⒖豄lC后与电流测量�？榱樱龅牟罘直冉夏？榈牧硪欢司豄lC后与电流测量模块连接。所述的调压稳压�？樗貌裳缱鑂2位于高电位处，所述的采样比较�？椴捎肔M319型比较器。
[0037]所述的调压稳压�？橥ü渥杵鱎Tl输出O?1v直流电压，输出电压通过Pl接口接负载，即针尖腐蚀仪的正负极。
[0038]所述的电压测量模块采集负载电压，然后由P2接口外接电源内部集成的处理�？榻导实母涸氐缪瓜允镜讲倏孛姘迳�。
[0039]所述的电流测量模块采集采样电阻R2两端的电压，然后由P3接口外接电源内部集成的处理�？榈玫酵ü裳缱鑂2的电流即腐蚀电流并显示在操控面板上。
[0040]所述的操控面板是一块位于控制电源外壳正面中间位置的触摸屏，操控面板上设置有电压设定voltage、电流监控current、电流切断阈值设定threshold、差分设定Differential、针尖高度调节监控TipAdj、工作模式和开关显示框。
[0041]本发明的钨丝浸入腐蚀溶液之中接通电源后发生如下电解反应:
[0042]阳极:W+80!T—WO 广+4H20+6e-
[0043]阴极:6H20+6e-—3Η2+60Γ
[0044]总反应:W+20!T+2H20— WO广+3?
[0045]钨丝由于发生电解反应被消耗在液面附近形成较细的颈部并最终断裂，钨丝的上半部分形成所需的针尖。
【权利要求】
1.一种扫描隧道显微镜针尖腐蚀仪，其特征在于:包括机械组件、工作电路和控制电源； 所述的机械组件包括底座(1)、支架(2)、上盖(3)、顶盖旋钮(4)、铜套A(5)、螺纹杆(6)、指针(7)、升降固定块(8)、阳极电极杆(9)、固定旋钮(10)、电极固定端(11)、三爪卡具A(12)、旋钮(13)、三爪卡具B(14)、负极电极杆(15)、圆盘(16)、电极环(17)、烧杯(18)和铜套B (19)； 所述底座(I)分别与支架(2)、圆盘(16)采用螺钉连接固定，起到总体的支承作用；所述上盖(3)与支架(2)采用螺钉连接固定；所述螺纹杆(6)两端分别与铜套A(5)和铜套B(19)间隙配合，铜套A(5)和铜套B(19)分别固定在上盖(3)和底座(I)上；所述顶盖旋钮(4)上标有刻度，采用螺钉与螺纹杆(6)紧固连接；所述指针(7)通过螺钉固定在上盖(3)上，其配合顶盖旋钮(4)上的刻度确定顶盖旋钮(4)的旋转角度；所述电极固定端(11)通过螺钉固定在升降固定块(8)上，固定旋钮(10)与电极固定端(11)之间为螺纹配合，阳极电极杆(9)通过固定旋钮(10)固定在电极固定端(11)上；所述三爪卡具A(12)和三爪卡具B(14)分别通过螺钉固定在阳极电极杆(9)上，三爪卡具A(12)和三爪卡具B(14)将钨丝垂直夹紧；所述负极电极杆(15)采用螺钉固定在底座(I)上，旋钮(13)与负极电极杆(15)螺纹配合，旋转旋钮(13)将电极环(17)夹紧固定在负极电极杆(15)上；所述圆盘(16)采用螺钉固定在底座⑴上，盛有腐蚀溶液的烧杯(18)置于圆盘(16)的圆孔之中，电极环(17)没入烧杯(18)所盛溶液液面以下； 所述的工作电路包括阳极电极杆(9)、电极固定端(11)、三爪卡具A(12)、旋钮(13)、三爪卡具B(14)、负极电极杆(15)、圆盘(16)、电极环(17)和烧杯(18);电极固定端(11)通过电线接电源正极，电流通过与电极固定端(11)连接的阳极电极杆(9)传导到三爪卡具A(12)和三爪卡具B(14)所夹持的钨丝；所述负极电极杆(15)接电源负极，并与电极环(17)通过螺钉连接；三爪卡具A(12)和三爪卡具B(14)所夹持的钨丝与电极环(17)共同处于烧杯(18)所盛的腐蚀溶液中但不直接接触，通电时钨丝在腐蚀溶液中发生电解反应使电路构成回路； 所述的控制电源包括控制电路和操控面板。所述控制电路包括调压稳压�？�、电压测量�？�、电流测量模块、阈值设定�？�、采样比较�？�、差分比较�？楹偷缪故涑瞿？椋龅牡餮刮妊鼓？榉直鹩氲缪共饬磕？楹偷缌鞑饬磕？榱樱龅牡缪共饬磕？榛褂氲缪故涑瞿？榱樱凰龅牡缪故涑瞿？橥ü豄lB分别与采样比较�？楹筒罘直冉夏？榱樱凰龅牟裳冉夏？榫兄瞪瓒？�、开关KlC后与电流测量�？榱樱龅牟罘直冉夏？榈牧硪欢司豄lC后与电流测量�？榱樱凰龅牡餮刮妊鼓？樗貌裳缱鑂2位于高电位处，所述的采样比较�？椴捎肔M319型比较器； 所述的调压稳压�？橥ü渥杵鱎Tl输出O?1v直流电压，输出电压通过Pl接口接负载，即针尖腐蚀仪的正负极； 所述的电压测量�？椴杉涸氐缪梗缓笥蒔2接口外接电源内部集成的处理模块将实际的负载电压显示到操控面板上； 所述的电流测量�？椴杉裳缱鑂2两端的电压，然后由P3接口外接电源内部集成的处理�？榈玫酵ü裳缱鑂2的电流即腐蚀电流并显示在操控面板上； 所述的操控面板是一块位于控制电源外壳正面中间位置的触摸屏，操控面板上设置有电压设定voltage、电流监控current、电流切断阈值设定threshold、差分设定Differential、针尖高度调节监控TipAdj、工作模式和开关显示框。
【文档编号】G01Q60/16GK104483512SQ201410836854
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】臧侃, 侯宾宾, 薛冬冬, 游 燕, 郭方准, 董华军 申请人:大连交通大学
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