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一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置制造方法及图纸

技术编号:19776436 阅读:24 留言:0更新日期:2018-12-15 10:40
本发明专利技术属于原子力显微镜与金刚石氮空位测磁领域,具体为一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,装置由实验座、中央磁场台、AFM实验台和NV激发收集系统组成。其中由外基座通过减震弹簧连接中央减震台;磁场固定台上搭载AFM系统,其中AFM系统由四象限光电座、探针台、样品台和激光台组成;磁场固定台搭载NV激发收集系统,激光器发射的激光经过激发光纤在转换头由二色镜反射后聚焦于探针针尖激发金刚石NV。多次聚焦的激光聚焦于靠近样品的探针针尖上,激发生成的荧光由位于探针下方的荧光收集镜采集经收集光纤传送至光子计数器分析其荧光信号;激光台控制激光聚焦于探针的悬臂反射至四象限光电转换器,检测探针振动频率的偏移计算原子作用力。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置
本专利技术属于原子力显微镜与金刚石氮空位测磁领域,具体为一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置。
技术介绍
金刚石氮空位NV由于具有很好的光学性质和顺磁性容易采用光学和顺磁共振的手段进行区分,并且稳定性好,电子自旋相干时间长,可以被激光和微波操控,近年已成为研究热点。近年基于金刚石NV色心的高精度磁强计在蓬勃发展,在磁场测量领域,NV具有高分辨率可用于高精度的弱磁场检测,具有极大的磁场测量发展潜力。通过测量自旋方向的不同感知其产生磁场的变化,就可以制成高精度的原子陀螺仪、新一代的量子计算机。这些新一代的量子元件,将会比传统电子元件的精确度和灵敏度高几个数量级,信息储存量高很多,而寿命却长的多,并可以多次重复使用,同时这些元件还具有固有的记忆功能。所以,微弱磁场测量仪器的研制和发展在国民经济、科学技术、军事和医疗等领域发挥了重要作用。现阶段,超高真空环境下的原子、分子精密测量(控制)系统对纳米或者原子级磁现象的研究与控制,对于理解物质的基本物理性质以及开发基于磁现象的导航定位、新型纳米材料、数据存储、新一代量子计算机以及自旋电子器件起到关键的作用。它们可以利用人类已经了解的原子、分子或光子来制造理想干净的量子系统,不但是量子信息和量子模拟的最佳选择,同时提供了精密测量各种物理量的最佳环境。现阶段对微弱磁信息的研究和成像的精密测量系统主要有超高灵敏度的磁强计(比如,利用气相碱性原子的光磁强计和基于单个自旋的扫描磁场显微镜等)、极性灵敏电子显微镜(Polarizationsensitiveelectronmicroscopy(PSEM))、磁力显微镜(MFM)、磁共振力显微镜(MagneticResonanceforcemicroscopy(MRFM))、磁交换力显微镜(MagneticExchangeForceMicroscopy(MExFM))以及扫描隧道显微镜(STM)等。实践表明,上述各种磁性材料表面信息测量工具由于自身结构所限,存在如下问题:其一,使用固态电子自旋得到磁传感高灵敏度的基本挑战是自旋对局域环境的强耦合效应,这种效应能够限制自由旋进(procession)时间,因此降低了磁强计的灵敏度。其二,利用气相碱性原子的磁强计主要用于微、毫或者飞米特斯拉级的微弱磁场检测。上述类型磁强计不能观测磁性材料表面或者体内磁信息的性质,也不能成像。其三,SP-STM和MExFM测量系统不能分离表面形貌信息和自旋磁性信息,同时这两种测量系统不能用来实时测量外部微弱磁场的变化。基于此,有必要提出一种新的方法结合磁强计、SP-STM和MExFM的优点,使得新开发的精密测量系统既能克服现有磁强计光子吸收效率和灵敏度低等缺点,又能观测磁性材料表面或者体内磁信息,并以图像的形式呈现出来;且能够在测非磁性材料表面时,测出所施加外磁场的变化。原子力显微镜(AFM)是研究nm尺度的物体表面形貌的重要工具,现如今已被广泛的应用于物理、生物、化学等研究领域。其通过针尖只有一个原子大小的探针在非常近的距离探测物体表面的情况,可以分辨其他显微镜所无法分辨的极小尺寸上的表面细节与特征。原子力显微镜在原理上利用物质之间相互作用的原子力为检测的物理量,在超高真空的环境下可以对物体表面进行高精度的测量,可达到原子分辨率nm量级以下。并且使用AFM测量的样品无论是否导电,其都具有原子力,可以使用AFM进行测量。综上所述,在纳米尺寸,分子水平上AFM是最先进的测试仪器,具有很多优点。将金刚石氮空位磁探测与AFM结合可实现高精度测磁显微,是当前研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是实现高精度测磁显微。本专利技术对AFM系统进行简化并与金刚石NV磁探测系统结合实现了高精度测磁显微。具体实现技术方面,本专利技术运用激光台与四象限光电座实现了对AFM光学反馈回路的简化与集成化;巧妙的将磁悬与弹性悬挂平台结合提供了抗震性较好的实验平台;磁场线圈与实验台有机结合实现了实验台的微小化和集成化。为了达到上述目的,本专利技术实现目的采用的技术方案为:一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,包括实验座、中央磁场台、AFM实验台和NV激发收集系统;所述实验座包括框状的外基座、支柱、减震弹簧和中央减震台;其中外基座上分布安装有支柱,减震弹簧一端固定在支柱上,另一端与位于外基座内环处的中央减震台的角点连接,中央减震台上开有圆柱孔;所述中央磁场台包括磁场固定台、线圈固定板、X方向线圈、Y方向线圈和Z方向线圈;所述磁场固定台安装在中央减震台上,磁场固定台上开有圆柱孔,Y方向线圈固定安装于磁场固定台两侧的安装槽中;X方向线圈安装于中央减震台前后两侧的槽中;Z方向线圈下部竖直安装于磁场固定台四周的环形凸缘外围,其上部固定连接于两侧的Y方向线圈;AFM实验台包括四象限光电座、探针台、样品台与激光台,样品台、四象限光电座、探针台、激光台都固定在磁场固定台的上表面,探针台上探针的针尖位于磁场固定台中央的圆柱孔正上方;NV激发收集系统包括激光器、激发光纤、转换头、二色镜、凸透镜、物镜、顶部支架、荧光收集镜、收集凸透镜、收集光纤、光子计数器、光电探测器、微波天线,所述顶部支架安装于Z方向线圈的上部,其中央有向下伸出的圆锥套,凸透镜设置在圆锥套内,物镜固定在圆锥套的下方;激光器、光子计数器安装于外基座上,激光经过激发光纤传入安装于顶部支架上方的转换头,二色镜倾斜安装在转换头内部,光电探测器安装在转换头上方,激光由激发光纤传入后经过二色镜反射竖直向下传递,经过凸透镜聚焦后聚焦于物镜再由物镜聚焦于探针针尖;激发后生成的荧光分别由物镜经过凸透镜后穿过二色镜被安装在转换头上方的光电探测器检测,另由安装于磁场固定台圆柱孔处的荧光收集镜收集并由下面的收集凸透镜经收集光纤传递到光子计数器,微波天线安装于探针座上方,尽量靠近探针针尖,以方便对探针针尖处的金刚石中NV色心进行调控。上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,中央减震台的外围4个面分别固定有磁铁,外基座内环4个面对应安装有磁铁,类比于磁悬浮原理进行减震。上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,四象限光电座包括光电基座、四象限光电转换器、光电驱动球和光电压电驱动器;所述光电基座固定于磁场固定台上,其内部3个面中央位置固定有光电压电驱动器,在3个光电压电驱动器上固定有半球形的光电驱动球,在光电驱动球平面上固定有四象限光电转换器。上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,探针台包括探针驱动座、探针压电驱动器、蓝宝石板、探针基座、探针座、紧定螺钉、弹簧压片和探针,探针压电驱动器固定于磁场固定台上且位于样品台前方,探针压电驱动器对探针驱动座进行驱动,探针基座半包围探针座,探针通过弹簧压片由紧定螺钉固定于探针座上,并由探针基座固定于探针驱动座上。上述的一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,激光台包括激光基座、激光压电驱动器、激光凸透镜、激光座、透镜驱动器、半导体激光器和激光驱动球;所述激光基座固定于磁场固定台上,其内3面中央分别固定有激光压电驱动器,在3个激光压电驱动器上固定有半球形的激光驱动球,激光驱动本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,其特征在于包括实验座(1)、中央磁场台(2)、AFM实验台(3)和NV激发收集系统(4);所述实验座(1)包括框状的外基座(1‑1)、支柱(1‑2)、减震弹簧(1‑4)和中央减震台(1‑6);其中外基座(1‑1)上分布安装有支柱(1‑2),减震弹簧(1‑4)一端固定在支柱(1‑2)上,另一端与位于外基座(1‑1)内环处的中央减震台(1‑6)的角点连接,中央减震台(1‑6)上开有圆柱孔;所述中央磁场台(2)包括磁场固定台(2‑1)、线圈固定板(2‑2)、X方向线圈(2‑3)、Y方向线圈(2‑4)和Z方向线圈(2‑5);所述磁场固定台(2‑1)安装在中央减震台(1‑6)上,磁场固定台(2‑1)上开有与中央减震台上的圆柱孔同轴的圆柱孔,Y方向线圈(2‑4)固定安装于磁场固定台(2‑1)上;X方向线圈(2‑3)安装于中央减震台(1‑6)上;Z方向线圈下部(2‑5)竖直安装于磁场固定台(2‑1)四周的环形凸缘外围,其上部固定连接于两侧的Y方向线圈(2‑4);AFM实验台(3)包括四象限光电座(3‑1)、探针台(3‑2)、样品台(3‑3)与激光台(3‑4),样品台(3‑3)、四象限光电座(3‑1)、探针台(3‑2)、激光台(3‑4)都固定在磁场固定台(2‑1)的上表面,探针台(3‑2)上探针的针尖位于磁场固定台(2‑1)的圆柱孔正上方;NV激发收集系统(4)包括激光器(4‑1)、激发光纤(4‑2)、转换头(4‑3)、二色镜(4‑4)、凸透镜(4‑5)、物镜(4‑6)、顶部支架(4‑7)、荧光收集镜(4‑8)、收集凸透镜(4‑9)、收集光纤(4‑10)、光子计数器(4‑11)、光电探测器(4‑12)和微波天线(4‑13),所述顶部支架(4‑7)安装于Z方向线圈(2‑5)的上部,其中央有向下伸出的圆锥套,凸透镜(4‑5)设置在圆锥套内,物镜(4‑6)固定在圆锥套的下方;激光器(4‑1)、光子计数器(4‑11)安装于外基座(1‑1)上,激光经过激发光纤(4‑2)传入安装于顶部支架(4‑7)上方的转换头(4‑3),二色镜(4‑4)倾斜安装在转换头(4‑3)内部,光电探测器(4‑12)安装在转换头(4‑3)上方,激光由激发光纤(4‑2)传入后经过二色镜(4‑4)反射竖直向下传递,经过凸透镜(4‑5)聚焦后聚焦于物镜(4‑6)再由物镜(4‑6)聚焦于探针(3‑2‑8)针尖;激发后生成的荧光分别由物镜(4‑6)经过凸透镜(4‑5)后穿过二色镜(4‑4)被安装在转换头上方的光电探测器(4‑12)检测,另由安装于磁场固定台(2‑1)圆柱孔处的荧光收集镜(4‑8)收集并由固定于荧光收集镜(4‑8)下方的收集凸透镜(4‑9)经收集光纤(4‑10)传递到光子计数器(4‑11),微波天线(4‑13)安装于探针座上方,对探针针尖处的NV进行调控。...

【技术特征摘要】
1.一种金刚石氮空位扫描与AFM集成的高精度测磁显微装置,其特征在于包括实验座(1)、中央磁场台(2)、AFM实验台(3)和NV激发收集系统(4);所述实验座(1)包括框状的外基座(1-1)、支柱(1-2)、减震弹簧(1-4)和中央减震台(1-6);其中外基座(1-1)上分布安装有支柱(1-2),减震弹簧(1-4)一端固定在支柱(1-2)上,另一端与位于外基座(1-1)内环处的中央减震台(1-6)的角点连接,中央减震台(1-6)上开有圆柱孔;所述中央磁场台(2)包括磁场固定台(2-1)、线圈固定板(2-2)、X方向线圈(2-3)、Y方向线圈(2-4)和Z方向线圈(2-5);所述磁场固定台(2-1)安装在中央减震台(1-6)上,磁场固定台(2-1)上开有与中央减震台上的圆柱孔同轴的圆柱孔,Y方向线圈(2-4)固定安装于磁场固定台(2-1)上;X方向线圈(2-3)安装于中央减震台(1-6)上;Z方向线圈下部(2-5)竖直安装于磁场固定台(2-1)四周的环形凸缘外围,其上部固定连接于两侧的Y方向线圈(2-4);AFM实验台(3)包括四象限光电座(3-1)、探针台(3-2)、样品台(3-3)与激光台(3-4),样品台(3-3)、四象限光电座(3-1)、探针台(3-2)、激光台(3-4)都固定在磁场固定台(2-1)的上表面,探针台(3-2)上探针的针尖位于磁场固定台(2-1)的圆柱孔正上方;NV激发收集系统(4)包括激光器(4-1)、激发光纤(4-2)、转换头(4-3)、二色镜(4-4)、凸透镜(4-5)、物镜(4-6)、顶部支架(4-7)、荧光收集镜(4-8)、收集凸透镜(4-9)、收集光纤(4-10)、光子计数器(4-11)、光电探测器(4-12)和微波天线(4-13),所述顶部支架(4-7)安装于Z方向线圈(2-5)的上部,其中央有向下伸出的圆锥套,凸透镜(4-5)设置在圆锥套内,物镜(4-6)固定在圆锥套的下方;激光器(4-1)、光子计数器(4-11)安装于外基座(1-1)上,激光经过激发光纤(4-2)传入安装于顶部支架(4-7)上方的转换头(4-3),二色镜(4-4)倾斜安装在转换头(4-3)内部,光电探测器(4-12)安装在转换头(4-3)上方,激光由激发光纤(4-2)传入后经过二色镜(4-4)反射竖直向下传递,经过凸透镜(4-5)聚焦后聚焦于物镜(4-6)再由物镜(4-6)聚焦于探针(3-2-8)针尖;激发后生成的荧光分别由物镜(4-6)经过凸透镜(4-5)后穿过二色镜(4-4)被安装在转换头上方的光电探测器(4-12)检测,另由安装于磁场固定台(2-1)圆柱孔处的荧光收集镜(4-8...

【专利技术属性】
技术研发人员:马宗敏刘俊李杰郭浩魏久焱武兴盛
申请(专利权)人:中北大学
类型:发明
国别省市:山西,14

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