[实用新型]一种强电场表面聚合装置

说明书

本实用新型属于扫描隧道显微技术领域，具体涉及一种强电场表面聚合装置。

当针尖和导电基底处于隧道距离时(比如：1纳米)，如果在针尖和基底之间加有一定的电压(比如：1伏)，那么，针尖和基底之间具有极高的电场。这一强电场可以引发有机单体聚合成高分子聚合物薄膜，这就是用扫描隧道显微技术聚合制备高分子薄膜的方法(用扫描隧道显微技术聚合制备高分子微晶薄膜的方法，见CN95111660.6。

但是，用扫描隧道显微镜(STM)来聚合有机单体具有许多固有的缺陷。这是因为STM仪器价格非常昂贵，用它来聚合有机单体不仅会沾污仪器，也得不偿失。此外，STM仪器固有的结构限制了针尖作较大范围的运动，使用起来极不方便，不利于广泛应用。因此，需要设计一种专门用于制备聚合物薄膜的强电场表面聚合装置以取代STM仪器。

本实用新型的目的在于设计一种价格便宜、使用方便且能使针尖作大范围移动，因而能制备大面积聚合物薄膜的装置。

本实用新型设计的制备聚合物薄膜的聚合装置，由机械调节系统和电路控制系统两部分组成。其中，机械调节系统由距离调节装置、聚合头、样品台及底座有机组合构成。其结构如图1所示。其中，底座为一个不锈钢平台。距离调节装置由支架、齿条、滑块机构、滑筒机构和各种调节螺丝和松紧螺母等部件组合而成。支架1下部固定于底座的一侧，上部一侧安装有一斜齿齿条2，齿条2的左右二侧分别设置有粗调螺丝3和细调螺丝4。齿条2的另一侧与滑块机构固定相连，该机构为一个长形腔体5。粗调螺丝3和细调螺丝4用以调节齿条右侧的机构上下移动。腔体5内侧底部设有弹簧6，上部为一个滑块7，其顶部设有一个细牙螺母8。滑块7通过腔体5侧面的空隙与右边滑筒机械固定连接。调节细牙螺母8用以调节滑块及其右边的筒体上下微小移动。

滑筒机构有一个园形外筒体9，其侧面开有一螺旋线导轨10，外筒9内有一个与之紧密配合的内筒体11，内筒体11的侧面设有一个松紧螺母12，该松紧螺母12透过导轨10露于外筒体9的外面。沿导轨10移动松紧螺母12，可以调节内筒体11上下作较大的移动。内筒体11下端与聚合头固定连接。

聚合头由PZT陶瓷体13、扫描管14和针尖15构成。PZT陶瓷管13有一组导线引出，加电压，可以使其在Z方向(上、下)伸缩，150V电压可以伸缩约0.5微米。扫描管14上端粘连在PZT陶瓷管13的下端，扫描管下端固定针尖15，且有3组导线引出，其中一组导线控制Z方向伸缩(几个纳米)，另有二组导线分别控制扫描管14在X方向和Y方向的弯曲，可以使针尖作扫描运动。扫描管14上的导线连接方式与STM仪器中的类似。针尖15插在扫描管14下端的小孔中，和扫描管绝缘。针尖15也有导线引出，并和样品台上的导电基底构成外加偏电压的正负二极。

样品台16设置于底座的平台上，正对着聚合头，并设有X方向的调节螺丝17和Y方向调节螺丝18，这两个调节螺丝控制样品台在X、Y方向的移动。样品台16上设置导电基底，导电基底和样品台之间用绝缘体隔离。导电基底用导线和偏置电源连接，并和聚合头上的针尖构成正负二级。

控制系统由稳压电源、压电陶瓷控制器、隧道电流放大器和一台计算机组成。见图2所示。其中，压电陶瓷控制器19一端与陶瓷管13的引出导线连接，另一端与计算机21的D/A转换卡连接。隧道电流放大器20的一路线与针尖15的引出线连接，一路与样品台上的导电基底连接，另两路分别与计算机21的D/A转换卡和A/D转换卡连接。其中隧道电流放大器20由一个运算放大器D₁和一个反馈电阻Rf和电阻R连接组成，见图3所示。

由于隧道电流非常小，典型的是从0.01纳安到50纳安。所以电流放大器是一个重要部件，图3所示的放大器是一个反馈皮安计，它采用输入偏置电流很小的运算放大器。运算放大器有非常高的输入阻抗，作为很好的近似，输出电压通过反馈电阻R_f提供一个反馈电流用以补偿输入电流，使进入运算倒相输入的净电流为零。非倒相输入端接地，而倒相输入端的电压应等于地电位。当R_f为100兆欧时，1纳安的输入电流可形成100毫伏的输出电压。

压电陶瓷控制器19由一个高电压运算放大器D₂和电阻R₁、R₂、R₃连接构成，见图4所示。它可以把D/A转换卡输出的±10V的电压转换或±150V，这个电压可以驱动电陶瓷管伸缩。

控制系统的主要作用是使针尖和导电基底维持在隧道距离。其工作原理如下：