[发明专利]具有双倾功能的透射电镜原位样品杆

说明书

具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，包括杆身，设于杆身内、与杆身同轴的转轴和设置于转轴头端的纳米驱动器；纳米驱动器头端安装倾转台，倾转台具有与纳米驱动器固定的基座，基座上设有弹簧片和动子，动子预紧于弹簧片与基座之间，动子与弹簧片、动子与基座分别为平面接触，动子与弹簧片之间设有第一压电驱动件，基座和动子之间设有第二压电驱动件；基座上设有圆弧导轨，动子设有与圆弧导轨匹配的滑动件，动子上设有样品安装部位。本发明具有兼具原位测试功能和双轴倾转功能的优点。

技术领域

本发明涉及一种透射电子显微镜的样品杆，特别是一种的具有双倾功能的原位实验样品杆。

背景技术

透射电子显微镜(TEM)是表征材料微观结构的重要设备，样品杆是TEM的重要组件之一，样品杆起到承载样品，并对样品施加物理场，如力、热、电、光等作用。目前，材料科学研究的深入对透射电子显微镜及其原位技术提出了更高的要求，如何在对材料施加外场作用的同时，实现TEM原位双倾观测，称为研究的热点。

根据倾转的方式，商业化的TEM样品杆分为单轴倾转和双轴倾转(双倾)两种。沿样品杆轴线的旋转为X轴旋转，垂直于样品杆轴和电子束入射方向的旋转为Y轴旋转，Y轴的旋转需要在样品杆上通过旋转样品载台来实现。双倾样品杆可以在X轴和Y轴两个维度转动样品，从而方便观测晶体结构物质的表面形貌和衍射花样，表征样品的晶体结构。通常，Y轴倾转主要通过以下几种方式实现：方式1、偏心曲轴驱动的Y轴旋转：通过在偏心曲轴前端镶嵌陶瓷小球，小球卡在样品倾转台卡槽中心，通过后端步进电机转动带动曲柄和小球转动，推动倾转台在Y轴方向实现±30°倾转。Gatan公司的646型和652型样品杆均采用这种方式。但这种方式采用的机械结构的装配精度要求高，装配工艺复杂，前端镶嵌的小球极易损坏；而且该倾转装置的体积较大，几乎占用了整个样品杆前段的空间，无法加装额外的测量装置。方式2、推杆和斜面驱动的Y轴倾转：Rodrigo A.Bernal等人在《Double-tiltin situTEMholder with multiple electrical contacts and its application in MEMS-basedmechanical testing of nanomaterials》设计了一种双轴倾转透射样品杆，利用步进电机连接推动杆前后运动推动前端倾转台斜面，使倾转台绕中心倾转轴旋转，实现Y轴倾转。该方式增大了样品杆前段的可用空间，适合与多种MEMS芯片搭配使用，但Y轴倾转的角度受到较大限制，样品的Y轴倾转角度只能在±15°以内。但是，采用方式1或方式2实现双轴倾转的样品杆都主要用于对材料显微结构的观测，很难同时兼具原位测试功能，如加热、制冷和力学测试(拉伸或压缩)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼具原位测试功能和双轴倾转功能的透射电镜样品杆。

具有双倾功能的透射电镜原位样品杆，包括杆身，设于杆身内、与杆身同轴的转轴和设置于转轴头端的纳米驱动器；其特征在于：纳米驱动器头端安装倾转台，倾转台具有与纳米驱动器固定的基座，基座上设有弹簧片和动子，动子预紧于弹簧片与基座之间，动子与弹簧片、动子与基座分别为平面接触，动子与弹簧片之间设有第一压电驱动件，基座和动子之间设有第二压电驱动件；基座上设有圆弧导轨，动子设有与圆弧导轨匹配的滑动件，动子上设有样品安装部位。

转轴提供样品绕X轴转动的自由度，倾转台提供样品绕Y轴摆动的自由度。使样品绕Y轴倾转时，用导线连接第二压电驱动件和第一压电驱动件，对两个压电驱动件施加锯齿波信号，使两个压电驱动件同时、同向作“缓慢变形、快速撤回”的周期性运动，压电驱动件缓慢变形时，驱动动子绕Y轴摆动；压电驱动件快速撤回时，动子停留在原位，或仅发生较小幅度的撤回位移，但压电驱动件已恢复形变。如此，两个压电驱动件通过多次小位移累积的获得样品在Y轴的大角度位移。

这种多次小位移累积的驱动方式，压电驱动件与动子之间的摩擦力是至关重要的。摩擦力过大，则可能无法驱动动子运动；摩擦力过小，又会导致动子无法自锁定位置。本发明使用弹簧片预紧动子，通过调节弹簧片的预紧程度，来调节动子受到的压力，从而调节动子与弹簧片、基座之间的摩擦力。