一种具有近场光学扫描功能的透射电子显微镜

摘要

本发明一种具有近场光学扫描功能的透射电子显微镜，包括透射电子显微镜本体，透射显微镜本体上插装有样品杆，该样品杆的一端安装有用于加载样品的样品夹具，样品杆中空设置，杆身内设置有伸向样品的定位装置，定位装置上安装有采集和引入近场光信号的光纤探针，通过控制定位装置使光纤探针靠近或贴靠在样品上，光纤探针与激发光光源和/或光信号分析仪器光纤连接，实现近场光信号的双向传输。本发明实现了在用透射电子显微镜对样品材料做常规结构观察、表征的同时可用光纤探针对样品进行近场光谱学表征，实现样品微观结构与光学性质的一一关联，还可以同时使用有金属镀层的光纤探针测量样品的电输运性质，是透射电子显微镜功能的巨大扩展。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种透射电子显微镜，尤其是同时具有近场光学扫描功能的透射电子显微镜。

 

背景技术

透射电子显微镜是一种用于材料微观结构表征的大型实验装置，可以做到原子级的分辨率。但是常规的透射电子显微镜仅有结构表征功能。光谱技术是另一个材料表征的有力手段，对物理、化学甚至生物医学等各类样品都可适用，一般其空间分辨率处于宏观到介观尺度范围。近年来发展起来的近场光谱技术，更是把空间分辨率提高到纳米尺度。如何将光谱技术与透射电子显微镜相结合，成为研究人员研究的重点。

 

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有近场光学扫描功能的透射电子显微镜，通过在透射电子显微镜的样品杆中加装光纤探针，实现光信号的引入和引出，并可在透射电子显微镜的高放大倍数下精确控制光纤探针到样品的距离，实现近场光信号的探测。把透射电子显微镜的微观结构分辨本领和近场光谱技术结合起来，建立纳米尺度的微观结构与其光谱性质的一一关联。

并且本发明不涉及改装复杂的透射电子显微镜本体，只是通过重新设计透射电子显微镜样品杆，就实现了透射电子显微镜功能的极大扩展，改变了研究人员的传统思维，具有很强的实用性，投入的成本低。

为了实现上述目的，本发明一种具有近场光学扫描功能的透射电子显微镜，包括透射电子显微镜本体，所述透射显微镜本体上插装有样品杆，该样品杆的一端安装有用于加载样品的样品夹具，所述样品杆中空设置，杆身内设置有伸向所述样品的定位装置，所述定位装置上安装有采集和引入近场光信号的光纤探针，通过控制定位装置使所述光纤探针靠近或贴靠在样品上，所述光纤探针与激发光光源和/或光信号分析仪器光纤连接，实现近场光信号的双向传输。

进一步，该透射电子显微镜还包括电学测试仪表，所述样品夹具由导电金属制成，其上焊接有第一电缆，所述光纤探针外侧包覆有导电金属层，其上焊接有第二电缆，所述第一电缆和第二电缆穿过所述样品杆与所述电学测试仪表连接。

进一步，所述导电金属层至少包覆在所述光纤探针的前端。

进一步，所述定位装置为能够在空间内进行三维定位的三维定位装置，所述三维定位装置与其驱动控制装置通过多根电缆组合成的第三电缆束相连接。

进一步，所述样品杆上远离所述样品夹具的一端封堵有光纤真空法兰和电缆真空法兰将所述透射电子显微镜本体的内部真空环境与外界隔离，所述第一电缆、所述第二电缆和所述第三电缆束通过所述电缆真空法兰与所述电学测试仪表或所述驱动控制装置相连接，连接所述光纤探针的光纤通过所述光纤真空法兰与所述激发光光源和/或所述光信号分析仪器连接。

本发明实现了在用透射电子显微镜对样品材料做常规结构观察、表征的同时可用光纤探针对样品进行近场光谱学表征，实现样品微观结构与光学性质的一一关联，还可以同时使用有金属镀层的光纤探针测量样品的电输运性质，是透射电子显微镜功能的巨大扩展。

 

附图说明

图1为本发明一种具有近场光学扫描功能的透射电子显微镜的第一种实施方式的结构示意图；

图2为图1中A处剖面示意图；

图3为本发明的第二种实施方式的结构示意图；

图4为本发明的第三种实施方式的结构示意图。

 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，为本发明一种具有近场光学扫描功能的透射电子显微镜的第一种实施例，从另一个角度看，第一种实施例是对样品进行激发光照射。透射电子显微镜本体（图中未示出）内插置有样品杆7，样品杆7中空设置，通过橡胶密封圈19与透射电子显微镜镜筒密封。在样品杆7的一端设置有支撑架3，支撑架3上固定有用于加载样品的样品夹具1，样品杆7上远离样品夹具1的一端封堵有光纤真空法兰8和电缆真空法兰9，通过光纤真空法兰8和电缆真空法兰9将透射电子显微镜本体的内部真空环境与外界隔离，真空区域在图1中为B所示区域，样品杆7的杆身内设置有伸向样品的三维定位装置4，优选的三维定位装置4的活动范围在毫米级，定位精度在亚纳米量级。三维定位装置4的端部安装有光纤探针2，光纤探针2用于采集和引入光信号，光纤探针2是热拉伸或化学腐蚀成的尖端的单模光纤，并且尖端镀有至少2厘米长的金属层。金属层包覆光纤外壁，在最尖端部分有开口，形成纳米级光阑。

在透射电子显微镜本体外部设置有驱动控制装置13、电学测试仪表14和激发光光源12，样品夹具1通过第一电缆6与电学测试仪表14，光纤探针2通过第二电缆5同样与电学测试仪表14连接，三维定位装置4通过多根电缆组合成的第三电缆束11与其驱动控制装置13连接，光纤探针2通过光纤10与激发光光源12连接，第一电缆6、第二电缆5和第三电缆束11由电缆真空法兰9伸出真空区域，光纤10由光纤真空法兰8伸出真空区域。同时，为了保证电信号的传输，样品夹具1由导电金属制成，或者包覆有导电金属层；光纤探针2外侧包覆有导电金属层, 至少包覆在光纤探针2的前端，这样作用有三点：（1）作为光纤探针2尖端孔径限制和光纤探针2尖端部分光信号反射层；（2）可以作为光纤探针2的导电层，把光纤探针2电信号引出透射电子显微镜本体；（3）作为导电层，防止透射电子显微镜观察是电子束轰击在光纤探针2尖端造成电荷积累影响电子显微镜观察。

使用时，通过驱动控制装置13能够控制三维定位装置4使光纤探针2靠近或贴靠在样品上，由激发光光源12发出的激发光经过光纤10传导最终从光纤探针2出射照射到样品上，连接在样品上的第一电缆6和连接在光纤探针2上的第二电缆5连接到电学测量仪表14上，测试激发光照下样品的电学性质。

 

如图2所示为本发明的第二种实施例，其结构与第一种实施例基本相同，不同之处在于，将激发光光源12换成光信号分析仪器15，光信号分析仪器15例如光谱仪等。

采集样品近场发射光时，通过三维定位装置4将光纤探针2靠近样品，采集样品近场发射光，光信号通过光纤10传导出来，最终送入光谱仪等光信号分析仪器15。连接在样品夹具1上的第一电缆6和连接在光纤探针2上的第二电缆5可将电信号传送接到电学测量仪表14上，测试样品的光电性质。

 

如图3所示为本发明的第三种实施例，其结构与第一种实施例基本相同，不同之处在于，第三种实施是在传入激发光的同时采集发射光，在光纤10尾端使用一个准直透镜16将光纤10出射光会聚成平行光，然后通过一个镜形分光片（半透半反镜）17，将平行光束分为两束，一束经过会聚镜18后聚焦在光信号分析仪器等光信号分析仪器15等，另一束平行光进入激发光光源15。这样，激发光光源15出来的平行光可耦合进光纤10，光纤探针12采集的光信号可进入光信号分析仪器15。实现一根光纤探针2同时送入激发光和采集发射光。连接在样品夹具1上的第一电缆6和连接在光纤探针2上的第二电缆5将电信号送到电学测量仪表14上，测试样品的光电性质。

上述示例只是用于说明本发明，本发明的实施方式并不限于这些示例，本领域技术人员所做出的符合本发明思想的各种具体实施方式都在本发明的保护范围之内。