扫描隧道显微镜微动台的有限元分析与实验研究

　　0　引　言

　　扫描隧道显微镜(STM)是20世纪80年代初发展起来的高分辨力的表面分析仪器和加工工具,被广泛应用于表面科学、材料科学等领域[1, 2]。STM系统大多依赖进口,因此,价格昂贵、操作复杂,维护要求极其严格。STM需要有高精度的定位工作台。各种纳米级驱动装置不断涌现,其中,压电陶瓷结构简单、频率响应高、动态反应快、承载大,已达到实用化阶段,是目前纳米驱动中较为理想的微位移器件[3~7]之一。

　　本文提出一种新型的STM样品移送系统的扫描隧道显微镜机械结构,对微动台进行有限元分析,并对系统进行了实验研究。

　　1　结构设计与运动原理

　　考虑到“STM机械结构既小巧又坚硬”的要求[8]和热流动现象, STM机械结构的基座和微动台金属材料选用热膨胀系数最小的因瓦合金,基于自然界中尺蠖的运动理[9, 10]设计微动台,使其既很容易伸缩又可以以纳米为单位运动。

　　STM机械结构和运动原理如图1(a)所示,主要由微动台(包括夹紧器、驱动器、样品工作面)、基座(包括导轨)、扫描器(包括扫描压电陶瓷管和探针)等部分组成。结构长60mm,宽32mm,高34mm(其中,微动台长40mm,宽20mm,高12mm)。

　　STM装置的机械运动包括微动台的z向移动和压电扫描器的x, y方向扫描。微动台结构和运动过程如图1(b), (c)所示,开始时处于自由状态。1)夹紧压电陶瓷1伸长,左侧与约束基座夹紧; 2)驱动压电陶瓷伸长,带动右侧夹紧压电陶瓷2一起向右移动1个位移; 3)夹紧压电陶瓷2伸长,右侧与约束基座实现夹紧; 4)夹紧压电陶瓷1收缩松开,左侧夹紧压电陶瓷与约束基座分离; 5)驱动压电陶瓷收缩,带动夹紧压电陶瓷1一起回缩; 6)夹紧压电陶瓷1伸长夹紧,夹紧压电陶瓷2松开,开始重复(1)过程,这样,即实现向右方向的连续运动。夹紧压电陶瓷和驱动压电陶瓷固定在微动台上,每一个步进周期,相对于基座移动一步。改变(2), (5)加电的顺序,可实现微动台向左运动.

　　根据STM原理,当探针针尖和样品表面非常接近时(通常小于1nm),在电场的作用下,电子穿过针尖与样品之间的势垒形成隧道电流。这一电流与针尖和样品表面之间的距离呈指数关系。当检测的隧道电流达到设定值时,微动台停止运动,夹紧压电陶瓷1, 2伸长,使微动台固定在基座上,避免微动台振动。然后,扫描器在样品表面上与样品工作面平行的x,y方向扫描,通过记录针尖与样品间的隧道电流的变化就可以得到样品表面形貌的信息。

　　2　有限元分析

　　采用ANSYS9. 0有限元软件对微动台进行分析,压电陶瓷指定单元类型为耦合场单元SOLID5,金属材料指定为固体结构单元SOLID45。金属材料的弹性模量为120MPa,泊松比为0. 29,密度为8200 kg/m³,压电陶瓷的参数如表1所示。