一種無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無液氦低溫掃描隧道顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]掃描隧道顯微鏡(STM)于1982年問世，為人類打開了微觀世界和原子世界的一扇窗口。它是人們能夠直接“看到”并“操縱”原子的媒介。它的出現(xiàn)導(dǎo)致了許多學(xué)科的突破性進(jìn)展，如凝聚態(tài)物理、化學(xué)和生物學(xué)。同時(shí)，STM直接促成了納米科學(xué)技術(shù)的興起。所以，STM為數(shù)十年來科學(xué)界最重要的發(fā)明之一。
[0003]STM經(jīng)過三十多年的發(fā)展，人們已經(jīng)研發(fā)出一系列不同性能、各具特色的STM系統(tǒng)。例如，最簡單的STM系統(tǒng)可以放在大氣下工作，獲得表面臺階形貌；性能更好的STM則需要放在超高真空中，以獲得表面的原子級的分辨；而當(dāng)今在凝聚態(tài)物理研究中最強(qiáng)有力的STM系統(tǒng)，是超高真空低溫STM系統(tǒng)，其特點(diǎn)是能將STM探頭整體冷卻到液氦溫區(qū)(4K左右)，在這個(gè)溫度下能獲得超高分辨和穩(wěn)定的掃描隧道譜，乃至實(shí)現(xiàn)對單個(gè)原子的操控。在國外，已經(jīng)有幾家公司能夠商業(yè)化生產(chǎn)超高真空低溫STM,例如德國Omicron公司(現(xiàn)被牛津儀器并購)、美國RHK公司、日本JEOL和Unisoku公司等。而在國內(nèi)最早的商業(yè)化低溫STM是匡泰公司2011年推出的產(chǎn)品。
[0004]目前，所有國內(nèi)外的這些低溫STM，都要采用液氦來實(shí)現(xiàn)降溫到4K的冷卻功能。根據(jù)冷卻的方式不同，可以分為兩類冷卻設(shè)備:一類采用連續(xù)流制冷，在工作中將液氦流連續(xù)通過冷卻管道來實(shí)現(xiàn)冷卻功能；另一類是靜態(tài)杜瓦，即將液氦儲存在杜瓦中，來維持杜瓦接觸面的低溫。無論采用哪種方式，在工作過程中都需要消耗掉大量液氦。以相對消耗量較低的液氦杜瓦而言，典型的較少的消耗量也能達(dá)到幾升/天的程度。眾所周知，由于氦氣是不可再生資源，并且儲量很少，據(jù)測算十幾年內(nèi)就要被完全消耗。當(dāng)前，國際上氦氣供不應(yīng)求，其價(jià)格呈指數(shù)飆漲。更重要的是，在國內(nèi)許多城市，即使出高價(jià)也無法獲得氦氣資源。這對需要使用低溫STM進(jìn)行的科研工作構(gòu)成極大制約。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種無液氦低溫掃描隧道顯微鏡，能夠?qū)崿F(xiàn)制冷劑的無消耗降溫，降低使用成本。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種無液氦低溫掃描隧道顯微鏡，包括:制冷機(jī)，制冷機(jī)包括有制冷劑循環(huán)流動管，制冷劑在制冷劑循環(huán)流動管內(nèi)循環(huán)流動制冷；以及真空室，連接至制冷機(jī)上，并由制冷機(jī)提供低溫環(huán)境。
[0007]進(jìn)一步地，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡還包括第一減震裝置，第一減震裝置密封連接在制冷機(jī)和真空室之間。
[0008]進(jìn)一步地，第一減震裝置包括:波紋管，連接在制冷機(jī)和真空室之間；支撐桿，連接在波紋管的第一端的第一連接板和波紋管的第二端的第二連接板之間，支撐桿包括第一螺桿和連接在第一螺桿第一端的減震墊，第一螺桿連接在第一連接板上，減震墊連接在第二連接板上。
[0009]進(jìn)一步地，真空室內(nèi)設(shè)置有探頭安裝座，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡還包括探頭組件，探頭組件包括探頭架、探頭和罩在探頭架外的銅屏蔽罩，探頭設(shè)置在探頭架上，探頭架通過第二減震裝置設(shè)置在探頭安裝座上。
[0010]進(jìn)一步地，第二減震裝置包括減震彈簧，多個(gè)減震彈簧沿探頭組件的周向均勻分布，探頭架通過減震彈簧吊設(shè)在探頭安裝座上。
[0011]進(jìn)一步地，第二減震裝置還包括渦流減震裝置，渦流減震裝置包括:底盤，設(shè)置在銅屏蔽罩的底部；阻尼片，設(shè)置在探頭架的底部；以及永磁體，對應(yīng)于阻尼片設(shè)置在底盤的頂部。
[0012]進(jìn)一步地，多個(gè)阻尼片和多個(gè)永磁體一一對應(yīng)沿底盤的周向方向依次間隔交錯(cuò)排布。
[0013]進(jìn)一步地，阻尼片為銅片，永磁體為釹鐵硼磁鐵。
[0014]進(jìn)一步地，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡還包括推拉裝置，推拉裝置可伸縮地設(shè)置在探頭安裝座的底部，推拉裝置具有支撐探頭組件的第一位置和脫離探頭組件的第二工作位置。
[0015]進(jìn)一步地，推拉裝置包括:第二螺桿，第二螺桿通過軸承設(shè)置在探頭安裝座上，第二螺桿位于探頭安裝座內(nèi)的第一端設(shè)置有頂塊，頂塊與第二螺桿螺紋配合，并由第二螺桿驅(qū)動上下移動，第二螺桿的第二端設(shè)置有第一錐齒輪；以及磁力桿，磁力桿可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在真空室的側(cè)壁上，磁力桿的第一端設(shè)置有與第一錐齒輪嚙合的第二錐齒輪，磁力桿的第二端設(shè)置有磁鐵手柄。
[0016]應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡包括制冷機(jī)和真空室。制冷機(jī)包括有制冷劑循環(huán)流動管，制冷劑在制冷劑循環(huán)流動管內(nèi)循環(huán)流動制冷。該無液氦低溫掃描隧道顯微鏡通過使制冷劑在制冷劑循環(huán)流動管中循環(huán)流動，不產(chǎn)生蒸發(fā)消耗就能夠?qū)呙杼筋^進(jìn)行制冷，從而達(dá)到所要求的低溫環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了無液氦消耗的低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的低溫掃描隧道顯微鏡，其使用成本大大降低。
【附圖說明】
[0017]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0018]圖1示出了本發(fā)明的無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的實(shí)施例的主視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2示出了本發(fā)明的無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的實(shí)施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3示出了圖2的A處的局部放大示意圖；
[0021]圖4示出了本發(fā)明的無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的實(shí)施例的分解結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5示出了根據(jù)圖4的無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的組裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6示出了本發(fā)明的無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的實(shí)施例的渦流減震裝置和探頭組件的立體組裝結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0024]圖7示出了本發(fā)明的無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的實(shí)施例的渦流減震裝置和探頭組件的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]附圖標(biāo)記:
[0026]10、制冷機(jī)；20、真空室；21、探頭安裝座；30、第一減震裝置；31、波紋管；311、第一連接板；312、第二連接板；32、支撐桿；321、第一螺桿；322、減震墊；40、探頭組件；41、探頭架；42、探頭；43、銅屏蔽罩；50、第二減震裝置；51、減震彈簧；52、渦流減震裝置；53、底盤；521、阻尼片；522、永磁體；60、推拉裝置；61、第二螺桿；611、第一錐齒輪；612、頂塊；62、磁力桿；621、第二錐齒輪；622、磁鐵手柄。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下文中將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0028]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該無液氦低溫掃描隧道顯微鏡包括制冷機(jī)10和真空室20。制冷機(jī)10包括有制冷劑循環(huán)流動管，制冷劑在制冷劑循環(huán)流動管內(nèi)循環(huán)流動制冷；真空室20連接至制冷機(jī)10上，并由制冷機(jī)10提供低溫環(huán)境。
[0029]在現(xiàn)有的低溫掃描隧道顯微鏡形成低溫環(huán)境時(shí)，一般需要通過杜瓦來實(shí)現(xiàn)，在杜瓦工作時(shí)，需要在杜瓦內(nèi)儲存大量液氦，然后通過液氦的蒸發(fā)來維持杜瓦接觸面的低溫，從而保證掃描探頭的低溫環(huán)境。由于使用過程中液氦會蒸發(fā)消耗，因此如果要長時(shí)間保持低溫環(huán)境，需要消耗大量的液氦，對企業(yè)成本造成較大壓力。而在本發(fā)明中，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡采用制冷機(jī)來代替杜瓦系統(tǒng)，使制冷劑在制冷機(jī)的制冷劑循環(huán)流動管中循環(huán)流動，通過常規(guī)的換熱來實(shí)現(xiàn)對真空室20內(nèi)環(huán)境的換熱制冷，因此不對參與制冷的制冷劑產(chǎn)生蒸發(fā)消耗，就能夠達(dá)到所要求的低溫環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了制冷劑的無消耗效果，大大降低了低溫掃描隧道顯微鏡的使用成本。
[0030]結(jié)合參見圖2和圖4所示，為了盡量減少制冷機(jī)10在制冷的過程中對無液氦低溫掃描隧道顯微鏡造成的震動，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡還包括第一減震裝置30。第一減震裝置30密封連接在制冷機(jī)10和真空室20之間。優(yōu)選地，第一減震裝置30包括波紋管31和支撐桿32。波紋管31連接在制冷機(jī)10和真空室20之間；支撐桿32連接在波紋管31的第一端的第一連接板311和波紋管31的第二端的第二連接板312之間。支撐桿32包括第一螺桿321和減震墊322，減震墊322連接在第一螺桿321第一端，第一螺桿321連接在第一連接板311上，減震墊322連接在第二連接板312上。
[0031]在本實(shí)施例中，為了保持真空室20的真空穩(wěn)定，該無液氦低溫掃描隧道顯微鏡設(shè)置有真空泵系統(tǒng)。真空泵系統(tǒng)包括離子泵、分子泵和一個(gè)雙級旋片機(jī)械泵，真空泵系統(tǒng)對真空室20進(jìn)行抽真空，保證了無液氦低溫掃描隧道顯微鏡的真空工作環(huán)境。
[0032]在本實(shí)施例中，減震墊322與第二連接板312連接的一端設(shè)置有螺紋連接孔，連接螺栓穿過第二連接板312之后連接在減震墊322的螺紋連接孔內(nèi)，從而將第一減震裝置30固定安裝在第一連接板311和第二連接板312之間。由于第一螺桿321是通過減震墊322連接到第二連接板312上的，因此在發(fā)生震動時(shí)，減震墊322可以在第一連接板311和第二連接板312之間形成緩沖減震作用，降低震動對探頭造成的影響。該減震墊322配合波紋管31 —起使用，可以更好地降低震動對無液氦低溫掃描隧道顯微鏡造成的不利影響。
[0033]結(jié)合參見圖3、圖6和圖7所示，優(yōu)選地，真空室20內(nèi)設(shè)置有探頭安裝座21，并且，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡還包括有探頭組件40，探頭組件40設(shè)置在探頭安裝座21上。具體地，探頭組件40包括探頭架41、探頭42和罩設(shè)在探頭架41外的銅屏蔽罩43，銅屏蔽罩43可以更好地保持探頭42工作時(shí)的低溫環(huán)境。
[0034]為了更進(jìn)一步地減小制冷機(jī)10在制冷的過程中對無液氦低溫掃描隧道顯微鏡造成的震動，無液氦低溫掃描隧道顯微鏡還設(shè)置有第二減震裝置50。探頭架41通過第二減震裝置50設(shè)置在探