ES2396331A1 - Dispositivo posicionador para microscopios operable en entornos criogénicos - Google Patents
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Abstract
La presente invención proporciona un dispositivo posicionador que presenta una alta estabilidad mecánica por lo que puede ser incorporado en un microscopio de sonda local, siendo operable en entornos criogénicos, en especial a bajas temperaturas, a muy bajas temperaturas, y a temperaturas menores que 100 mK, y adicionalmente en presencia de altos campos magnéticos. El dispositivo comprende una base solidaria del microscopio de sonda local, un portamuestras, unos medios de guiado entre la base y el portamuestras y un actuador situado fuera del recinto de bajas temperaturas. Unos medios de transmisión de fuerza aislantes térmicamente transmiten el impulso del actuador al portamuestras. La fricción entre la base y el portamuestras está minimizada al máximo.
Description
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona un dispositivo posicionador que presen-ta una alta estabilidad mecánica por lo que puede ser incorporado en un microscopio de sonda local, siendo operable en entornos criogénicos, en especial a bajas tempera-turas, a muy bajas temperaturas, y a temperaturas menores que 100 mK y en presen-cia de altos campos magnéticos.
Los dispositivos de posicionamiento son especialmente útiles en aquellas aplicaciones que requieren la manipulación espacial de objetos en entornos donde el acceso a los componentes no es posible o deseable.
Cuando estos dispositivos se implementan en entornos que se encuentran a muy baja presión (alto vacío p < 10-6 mbar, ultra alto vacío p < 10-9 mbar, vacío criogénico), con altos campos magnéticos (H-1-20 T) o en entornos criogénicos -especialmente a bajas temperaturas (T < 4.2 K) y muy bajas temperaturas (T < 1.2 K) -,se plantean restricciones propias de la adaptación en dichos entornos extremos, y los dispositivos deben adaptarse para superar los problemas específicos de los mismos. En adelante se denominarán como "temperaturas criogénicas" a aquellas temperaturas por debajo de 10 K y que comprenden los rangos de bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y temperaturas por debajo de 100 mK.
Además, es necesario tener en cuenta condicionantes adicionales en aque-llos dispositivos que son útiles para su aplicación en el campo de las microscopías de barrido de sonda local (del inglés "Scanning Probe Microscopy", SPM), como la micros-copía de efecto túnel (del inglés "Scanning Tunneling Microscopy", STM), la familia de microscopías de fuerzas atómicas (del inglés "Atomic Force Microscopy", AFM) o las microscopías de campo óptico cercano (del inglés "Scanning Near-field Optical Micras-copy'', SNOM). Estas técnicas de microscopía se emplean para estudiar y caracterizar muestras utilizando la información proporcionada por la interacción local entre una sonda y una muestra. A modo de ejemplo, en una implementación típica de un STM la sonda es una punta metálica y la muestra es una superficie conductora. Dependiendo de los requerimientos de la muestra a estudiar, es necesario adaptar estos instrumen-tos para que tengan una estabilidad mecánica alta. Así, aplicaciones como la topografía de superficies con resolución atómica necesitan conseguir típicamente medidas con precisión de picometros.
El tamaño de la región que puede ser estudiada con estos microscopios está limitado por el desplazamiento lateral máximo de la sonda respecto a la muestra que permite el sistema de barrido (típicamente del orden de las micras). Esta región pequeña, en adelante "región de observación", comprende una zona de estudio cuya superficie varía desde la escala atómica (-10-20 m2) hasta el rango de los micrómetros
(-10-12 2
m ) dependiendo de la implementación particular de la técnica. Para realizar este movimiento se utiliza un actuador que permite mover la sonda con respecto a la muestra, generalmente realizando un barrido. A este actuador se le suele designar con el término del inglés "scanner". Dicho actuador de barrido o scanner se suele imple-mentar mediante tubos de material piezoeléctrico adaptados para proporcionar mo-vimiento en las tres direcciones espaciales, conocidos comúnmente como "piezotubos".
Se presenta por tanto la necesidad de proporcionar un dispositivo posicio-nador que pueda ser adaptado para posicionar una o varias muestras a distancias sufi-cientemente grandes tal que permitan desplazar dichas muestras dentro de la región de observación de un microscopio. Para ello, los dispositivos de posicionamiento de-ben ofrecernos la posibilidad de realizar trayectos del orden de mm con al menos pre-cisión sub-micrométrica, alta estabilidad mecánica y posibilidad de manejo a distancia.
En el estado de la técnica es posible encontrar dispositivos de posiciona-miento basados en motores piezoeléctricos. Podemos distinguir aquellas enseñanzas técnicas dirigidas a motores piezoeléctricos que mueven una pieza u objeto móvil pe-queño, tal como un portamuestras, basándose en la inercia del mismo. En estos siste-mas el objeto móvil pequeño se desplaza respecto a su actuador cuando a éste se le suministra un voltaje que varía con el tiempo en dos fases. En una primera fase el pie-zoeléctrico se deforma una distancia a un ritmo suficientemente lento arrastrando al objeto móvil con el actuador gracias a la fuerza de fricción (estática) entre el actuador y el objeto móvil. A continuación, en un segunda fase, el actuador invierte el sentido del movimiento para retrotraerse de una manera suficientemente rápida como para
- que el objeto móvil se deslice con respecto al actuador. Repitiendo esta secuencia es
- posible desplazar objetos pequeños. En estos sistemas es crítico el ajuste de la fuerza
- de fricción entre el actuador y objeto móvil. Es importante que la fuerza de fricción
- estática sea significativamente menor que la fuerza de fricción dinámica en el rango de
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- frecuencias en el que se retrotrae el actuador. El uso de lubricantes, junto la elección
- de una relación de masas entre el objeto móvil y el actuador, son aspectos claves para
- construir un sistema operativo. Además, estos dispositivos pueden dar lugar a unta-
- maño de paso que no sea fácilmente reproducible, al depender de varios parámetros
- como la masa, la forma de la superficie o la orientación del peso y del plano de frie-
- lO
- ción.
- Los motores piezoeléctricos de pasos (conocidos por el término del inglés
- "stepper") son capaces de trasladar objetos pequeños realizando una pluralidad de
- pasos. Este tipo de motores de pasos son operables en entornos como los anterior-
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- mente citados, siendo posible implementar sistemas de posicionamiento adecuados
- para su uso en microscopías de sonda local.
- Mediante un conjunto de actuadores piezoeléctricos es posible mover la
- pieza u objeto móvil de pequeño tamaño. Para ello un conjunto de actuadores se dis-
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- ponen en contacto con el objeto móvil de pequeño tamaño. Cada actuador está ali-
- mentado por una señal eléctrica siendo posible deformar cada actuador piezoeléctrico
- individualmente. De esta forma, la deformación de cada actuador permite implemen-
- tar movimientos colectivos y movimientos individuales. Durante el movimiento colec-
- tivo se mueven todos los actuadores a una velocidad suficientemente lenta como para
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- que el objeto móvil se desplace con ellos debido a que la relación entre la fricción y la
- inercia permite que no se produzca deslizamiento entre el objeto móvil y el actuador.
- Durante el movimiento individual un actuador o grupo de actuadores realizan un mo-
- vimiento suficientemente rápido en el que el objeto móvil de pequeño tamaño se des-
- liza con respecto a cada actuador o grupo de actuadores. Cada actuador o grupo de
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- actuadores actúa individualmente mientras que el resto permanecen estáticos propor-
- cionando una oposición debido a la fricción estática entre el objeto móvil y el resto de
- actuadores.
- Otros motores que utilizan piezoeléctricos conocidos como "lnchworms"
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- utilizan un elemento piezoeléctrico cilíndrico. Estos motores se basan en una secuencia
- de pasos que comprende la contracción de un elemento piezoeléctrico cilíndrico para
- atrapar un objeto móvil, generalmente situado de forma coaxial. En un paso siguiente
se induce una deformación axial en el elemento piezoeléctrico cilíndrico paralela a su generatriz que traslada al objeto móvil una distancia en la dirección de la generatriz. A continuación, se produce una deformación axial que aumenta el diámetro del elemen-to piezoeléctrico cilíndrico que permite soltar el objeto móvil. Al realizar esta secuencia de pasos es posible mover dicho objeto de forma reproducible a lo largo de una direc-ción paralela a la generatriz del piezotubo.
Todos estos motores se basan en la deformación de un elemento piezo-eléctrico. Sin embargo, los elementos piezoeléctricos presentan pérdidas, intrínsecas a los materiales piezoeléctricos. Estas pérdidas son mayores en las cerámicas piezoeléc-tricas, que son los materiales que mayor valor tecnológico presentan a priori para im-plementar un dispositivo posicionador ya que tienen un mayor valor de coeficiente piezoeléctrico, y por tanto son capaces de proporcionar el mayor rango de desplaza-mientos.
Las pérdidas más relevantes para un actuador se producen al aplicar un campo eléctrico dentro del piezoeléctrico para provocar una deformación del mismo. Estas pérdidas se traducen en una disipación de energía en forma de calor. Así, en los dispositivos posicionadores presentes en el estado de la técnica, cada paso provoca un calentamiento en una zona cercana a la muestra. Estas pérdidas resultan en un calen-tamiento al mover la pieza u objeto móvil que se incrementa con el número de pasos a realizar. En los dispositivos de posicionamiento presentes en el estado de la técnica la potencia disipada en forma de calor puede alcanzar de forma habitual valores en el rango de las decenas de milivatios. Estos valores de potencia disipada son muy supe-riores a la capacidad de enfriamiento que presentan las técnicas de refrigeración que permiten alcanzar temperaturas criogénicas. Así, cuando se requiere realizar una ob-servación a temperaturas criogénicas, el calentamiento debido a esta disipación en forma de calor se traduce en un aumento significativo de la temperatura de la tempe-ratura de la muestra.
El desplazamiento que es capaz de proporcionar un actuador piezoeléctrico depende del coeficiente piezoeléctrico, y disminuye con la temperatura según el mate-rial utilizado como piezoeléctrico. Así, según se disminuye la temperatura de operación se disminuye el desplazamiento máximo proporcionado por cada actuador en mayor o menor medida dependiendo del piezoeléctrico y de la configuración del actuador. Por ejemplo, la relación entre el desplazamiento y el voltaje aplicado en un actuador de cizalla puede llegar típicamente a reducirse a bajas temperaturas a una cuarta parte del que se observa a temperatura ambiente, disminuyendo aún más a muy bajas tem-peraturas. Este fenómeno hace necesario aumentar el número de pasos a realizar para desplazar el objeto la misma distancia, lo que aumenta el calor disipado por el actua-dor. Por tanto, las pérdidas son más importantes cuando menor es el desplazamiento máximo proporcionado por cada actuador.
Para alcanzar estas temperaturas en necesario utilizar técnicas criogénicas que implican el uso de un refrigerador. El foco frío de un refrigerador se mantiene por debajo de una determinada temperatura a condición de que el calor generado por unidad de tiempo sea menor que un valor, llamado "potencia de refrigeración". Cuan-do un cuerpo o instrumento se sitúa en contacto térmico con el foco frío, éste adquie-re en equilibrio una temperatura que depende de la conductividad térmica del contac-to térmico, del calor que se genera en el instrumento y de la potencia de refrigeración del refrigerador. Es necesario proporcionar un contacto térmico que minimiza la dife-rencia de temperatura entre el foco frío y el cuerpo o instrumento en contacto térmi-co. A este proceso se le denomina "termalización". Típicamente, una termalización adecuada implica que la diferencia de temperatura entre el foco frío y el instrumento sea menor que un 1% de la temperatura del foco frío. La potencia de refrigeración y la termalización de un cuerpo o un instrumento disminuye según baja la temperatura del foco frío, dependiendo de la técnica de refrigeración utilizada, y por tanto empeora la termalización del instrumento. Una cota superior típica sería una potencia de enfria-miento del orden de 1 mW para un foco fria a 100 mK y una potencia de decenas de ~W para temperaturas menores de 100 mK.
Un tipo de refrigerador capaz de enfriar objetos a estas temperaturas es el refrigerador de dilución de 3 He en 4 He. Con un refrigerador de dilución es posible al-canzar muy bajas temperaturas y temperaturas menores que 100 mK teniendo una temperatura base operativa típicamente en el rango de decenas de milikelvin. Esta temperatura base depende tanto de su diseño como del modo de operación, siendo una cota inferior típica 5 m K. La potencia de refrigeración de estos refrigeradores de dilución no disminuye de forma tan abrupta con la temperatura respecto a otras técni-cas de refrigeración criogénica en el rango de las muy bajas temperaturas, siendo ca-paces de proporcionar potencias de enfriamiento o refrigeración superiores a otros tipos de refrigeradores por debajo de unos 400 m K.
El funcionamiento de un refrigerador de dilución puede prolongarse en principio durante largos periodos de tiempo al ser un ciclo cerrado. No obstante, un diseño muy usual de un refrigerador de dilución incorpora un baño 4He líquido. En este caso el tiempo de operación a temperaturas criogénicas está muchas veces limitado por la cantidad de 4He y el consumo de 4He del refrigerador. Este consumo de 4He se ve incrementado si se utilizan altos campos magnéticos (H -1-20 T), proporcionados por un imán en el estado superconductor que también se encuentra a bajas tempera-turas sumergido en el baño de 4He. Por tanto es deseable proporcionar un diseño que reduzca el tiempo necesario para termalizar aquellos componentes a enfriar a tempe-raturas criogénicas (tiempo de enfriamiento, Te).
Estas limitaciones de potencia hacen necesario utilizar diseños y materiales en los dispositivos que son operables a bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y a temperaturas menores que 100 mK, adaptados para permitir que se produzca una termalización adecuada de los mismos con la potencia de refrigeración suministrada por el foco fria del refrigerador. Los objetos a enfriar deben tener una capacidad ca-lorífica adecuada al refrigerador, y deben estar en contacto térmico con el foco fria. En el estado de la técnica se recomienda para estas aplicaciones el uso de materiales buenos conductores del calor, como el cobre, la plata y aquellas aleaciones que son especialmente adecuadas a bajas temperaturas, a muy bajas temperaturas, y a tempe-raturas menores que 100 mK. Esta selección se basa en que la conductividad térmica sea la más alta posible y el calor específico el más bajo posible.
A la hora de la selección del material para las aplicaciones de microscopia es necesario tener en cuenta una restricción adicional. Muchos de los materiales que como el Cu presentan las mejores características térmicas en el rango de las tempera-turas criogénicas pero presentan, por el contrario, unas propiedades mecánicas que los hacen desaconseja bies desde el punto de vista de la estabilidad mecánica. A la hora de proporcionar condiciones de estabilidad mecánica, como la~ requeridas en las mi-croscopías de sonda local donde puede ser necesario resolver distancias con precisión de al menos decenas de picometros, es aconsejable utilizar materiales que permitan fabricar partes del microscopio de sonda local de forma que no se vean afectadas por las vibraciones del entorno. Estas consideraciones, están unidas a las dificultades para implementar sistemas de amortiguación pasivos en entornos extremos, haciendo ne-cesario un diseño de las partes de los microscopios que proporcione dicha estabilidad mecánica.
Por último, los dispositivos de posicionamiento presentes en el estado de la técnica, incluyendo los descritos anteriormente, necesitan de lubricantes para regu-lar la fricción entre las piezas móviles. Cuando estos dispositivos operan en entornos criogénicos, hacen uso de lubricantes sólidos como el grafito o disulfuro de molibdeno que pueden reducir la fricción entre las piezas móviles incluso a temperaturas criogé-nicas.
En resumen, los dispositivos posicionadores en el estado de la técnica ba-sados en motores piezoeléctricos disipan energía en forma de calor como consecuen-cia de las pérdidas que se producen en un material piezoeléctrico. Esta disipación au-menta con el voltaje suministrado al actuador piezoeléctrico. Cuando se opera varian-do fuertemente el voltaje en el dispositivo repetidas veces, como en aquellos que ne-cesitan de varios ciclos para proporcionar un desplazamiento de un objeto, la disipa-ción aumenta. En consecuencia, los motores piezoeléctricos presentan evidentes des-ventajas cuando se requiere un control sobre la temperatura del objeto en entornos donde la potencia disponible para estabilizar la temperatura es limitada.
Esta disipación de energía en el posicionador basado en piezoeléctricos es especialmente relevante cuando se necesita operar en el rango de bajas temperaturas, siendo crítica para operar muy bajas temperaturas, y aún más crítica según la tempera-tura desciende en hasta alcanzar temperaturas menores que 100 m K. Esto es debido a que la potencia de refrigeración disponible con las técnicas de refrigeración disminuye con la temperatura. Esta tendencia en la potencia de refrigeración es más abrupta por debajo de 1.2 K y se acentúa aún más por debajo de 100mK.
Se hace por tanto necesario proporcionar un dispositivo posicionador ca-paz de operar en entornos extremos, que minimice la disipación por calor, que sea capaz de proporcionar un desplazamiento de un objeto a temperaturas criogénicas -comprendiendo los rangos de bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y tempera-turas por debajo de 100 mK-, y que sea adecuado para microscopios de sonda local.
La presente invención proporciona un dispositivo posicionador capaz de operar en un microscopio de sonda local a temperaturas criogénicas. En un primer aspecto inventivo se proporciona un dispositivo posicionador definido por la reivindi-cación 1 independiente, que queda incorporada por referencia a la descripción.
"Dispositivo posicionador para microscopios de sonda local, operable a temperaturas criogénicas para posicionar una muestra en una región de observación"
El dispositivo posicionador está adaptado para utilizarse en las condiciones que requiere su uso en un microscopio de sonda local, como un STM o un AFM. Así, el dispositivo posicionador es adecuado para situar una muestra en una "región de observación" de un microscopio de sonda local. Esta re-gión de observación, como se definió anteriormente, es una región del es-pacio en donde un microscopio de sonda local es operable para llevar a ca-bo medidas de distintas magnitudes que caracterizan a este instrumento. Así, una región de observación puede comprender en un ejemplo el área de un barrido de la sonda con respecto a la superficie de la muestra que permite adquirir su topografía.
Este dispositivo posicionador presenta la capacidad de operar en entornos donde se alcanzan temperaturas criogénicas, siendo apto para su uso a ba-jas temperaturas, muy bajas temperaturas, y temperaturas menores que 100 mK.
Preferentemente, este dispositivo puede alcanzar una temperatura opera-tiva en el rango de las muy bajas temperaturas mediante el contacto térmico entre el foco frío del refrigerador y el dispositivo posicionador. Aún más preferentemente el dispositivo posicionador es adecuado para utili-zarse en un criostato equipado con un refrigerador de dilución de 3 He en
He.
Para este propósito es necesario controlar que la potencia de enfriamiento del refrigerador sea adecuada para la capacidad calorífica del dispositivo posicionador a enfriar. También es necesario tener en cuenta que la con-ductividad térmica entre el foco frío del refrigerador y el dispositivo posi-cionador sea adecuada para que se produzca la termalización del dispositi-vo. Cuanto menor sea la capacidad calorífica y mayor sea la conductividad térmica de los materiales, menor será el tiempo necesario para el enfria-miento del dispositivo posicionador.
El dispositivo posicionador comprende:
• "una base, adaptada para unirse de forma solidaria al microscopio
de sonda local,
- •
- un portamuestras,
- •
- unos medios de guiado entre la base y el porta muestras."
La base está adaptada para que sea posible una unión de forma solidaria que permita integrase en un microscopio de sonda local, preferentemente de forma amovible.
El portamuestras, un objeto que en un ejemplo de realización que se mos-trará más adelante es de pequeña masa, está adaptado para alojar mues-tras para su estudio con un microscopio de sonda local, preferentemente de forma amovible.
Los medios de guiado dirigen o guían al portamuestras, determinando su trayectoria de movimiento con respecto a la base. Esta trayectoria está adaptada para que el portamuestras, que es un objeto más pequeño que la base al que se encuentra unido, alcance una posición que permita situar la muestra dentro de la "región de observación".
De acuerdo a la presente invención, el dispositivo posicionador presenta:
- •
- "unos medios de guiado entre la base y el portamuestras que com-prenden una primera superficie de fricción dispuesta en la base y una segunda superficie de fricción dispuesta en el portamuestras de tal modo que dicha segunda superficie de fricción está adaptada para desplazarse por deslizamiento sobre la primera superficie de fricción de la base,
- •
- un actuador para la impulsión del portamuestras respecto de la base."
La base comprende una primera superficie de fricción y el portamuestras comprende una segunda superficie de fricción. Estas superficies de fricción están adaptadas para ser operables a temperaturas criogénicas. En estos entornos, la fricción es crítica debido a que al producirse un desplazamien-to se origina una disipación de energía en forma de calor, lo que debido a las limitaciones impuestas por la operación a temperaturas criogénicas, es contraproducente para el propósito de la invención. Así pues, la primera superficie de fricción y la segunda superficie de fricción están adaptadas para que la fricción entre el portamuestras y la base se reduzca al mínimo, a temperaturas criogénicas.
Además, los medios de guiado son adecuados para permitir el uso de lubri-cantes capaces de disminuir la fricción entre la primera superficie de fric-ción y la segunda superficie de fricción a temperaturas criogénicas.
Preferentemente se proporcionan superficies de fricción pulidas, como un plano, una esfera o un cilindro, y más preferentemente superficie planas, sin aristas.
Un actuador proporciona el impulso para desplazar el portamuestras con respecto a la base.
"donde la base y el portamuestras se encuentran en el interior de una carcasa de muy bajas temperaturas y en contacto térmico con un elemento de termalización_ caracterizado porque el actuador se encuentra situado fuera de la carcasa de muy bajas temperaturas, estando dicho actuador vinculado al portamuestras mediante unos medios de transmisión de fuerza que están comprendidos en el dispositivo posicionador, de tal modo que el actuador impulsa el portamuestras a través de los medios de transmisión de fuerza, siendo dichos medios de transmisión de fuerza de baja conductividad térmica."
Este dispositivo posicionador está adaptado para alojarse en un criostato, dentro de un recinto de muy bajas temperaturas que está aislado térmi-camente del ambiente. Este recinto de muy bajas temperaturas está deli-mitado por un escudo o carcasa de muy bajas temperaturas. Aunque se denomina carcasa de muy bajas temperaturas a la barrera física al paso del calor al recinto de muy bajas temperaturas, esta barrera física puede estar determinada por un conjunto de piezas. Así, se hace posible la termaliza-ción del dispositivo mediante un refrigerador con las limitaciones de po-tencia de enfriamiento inherentes a estos refrigeradores según disminuye la temperatura.
El actuador se sitúa fuera del recinto de muy bajas temperaturas y de la carcasa. Preferentemente, el actuador se sitúa fuera del criostato.
Así se hace posible que la potencia de enfriamiento se suministre al dispo-sitivo y a la muestra, lo que reduce el tiempo de enfriamiento, mejorando la operación del dispositivo temperaturas criogénicas.
Para transmitir el impulso del actuador al portamuestras se utilizan medios de transmisión de fuerza. En modo operativo estos medios de transmisión de fuerza se caracterizan porque son de baja conductividad térmica. Esto significa que la conductividad térmica del medio de transmisión es suficien-temente baja como para que la transmisión de calor a través de dicho me-dio de transmisión permita el enfriamiento del dispositivo de posiciona-miento, aislando la parte del dispositivo a temperaturas criogénicas, y permitiendo alcanzar una temperatura de operación preferentemente en el rango de las bajas temperaturas, más preferentemente en el rango de muy bajas temperaturas, y aún más preferentemente a temperaturas me-nores que 100 mK. La selección de estos parámetros se ajusta a la potencia de enfriamiento que pueda suministrar el refrigerador mediante focos fríos en las etapas a temperaturas criogénicas, típicamente a 4.2 K y a 1.2 K. La cota máxima de la conductividad térmica KT,max entre un foco a una tempe-ratura T1 y un foco a una temperatura T2, depende de la potencia máxima del foco a T2 (P2) y la diferencia de temperaturas. Para el tramo que trans-curre a muy bajas temperaturas, aunque que depende de la técnica de re-frigeración utilizada, una cota máxima es del orden de KT,max = 10 ~W K-\ y más preferentemente un valor menor que KT,max = 1 ~WK-1para un mejor aislamiento.
Junto con lo anterior debe presentar unas propiedades mecánicas que permitan la transmisión de este impulso entre el actuador y el porta mues-tras que resulta en la aplicación de una fuerza Tal porta muestras.
Preferentemente, en un ejemplo de realización, junto con este medio de transmisión de fuerza hay un primer medio elástico para operar en oposi-ción, que coopera en el posicionamiento del portamuestras con respecto a la base. Preferentemente el primer medio elástico está unido a la base y al portamuestras, de tal forma que puede sufrir una deformación elástica en la dirección de aplicación de la fuerza T mediante el medio de transmisión al desplazarse el portamuestras con respecto a la base. La deformación elástica sufrida por este primer medio elástico proporciona una fuerza res-tauradora que tiene al menos una componente en la misma dirección de desplazamiento del portamuestras.
Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más cla-ramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma pre-ferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.
- Figura la
- En esta figura se muestra una representación esquemática en planta de
- un ejemplo de realización de un posicionador.
- Figura lb
- En esta figura se muestra una representación esquemática de una sec-
- ción del ejemplo de realización del posicionador mostrado en la figura
- la.
- Figura 2a
- En esta figura se muestra a escala una vista en sección del portamues-
- tras según un ejemplo de realización de la invención.
- Figura 2b
- En esta figura se muestra a escala la sección AA de la vista anterior del
- porta muestras.
- Figura 2c
- En esta figura se muestra una vista en perspectiva del portamuestras
- cortado por la sección BB junto con la base.
- Figura 3
- En esta figura se muestra una representación esquemática de un refri-
- gerador de dilución y un microscopio de sonda local que comprende un
- ejemplo de realización del posicionador.
- Figura 4
- En esta figura se muestra un perfil topográfico de la superficie de una
- muestra de NbSe2 a una temperatura de 100 mK. El panel (a) se corres-
- ponde a una superficie a campo cero (H=O T) y el panel (b) una superfi-
- cie en presencia de un campo magnético (H=8T).
- Figura 5
- En esta figura se muestra un espectro del ruido mecánico registrado en
- un ejemplo de realización de la invención.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención comprende un dispositivo posicionador (1) del que se describe a continuación un ejemplo de una realización detallada con referencia a las figuras. En las figuras la y lb se muestra un diagrama esquemático del dispositivo y las figuras 2a, 2b y 2c corresponden a un mismo ejemplo de realización donde se percibe más claramente la estructura del mismo. En la figura 3 se muestra un esquema al dis-positivo posicionador (1) que permite controlar la posición relativa entre una base
(1.1) y un portamuestras (1.2) integrado en un microscopio efecto túnel (2) dentro de un refrigerador (5).
El dispositivo posicionador (1) según el ejemplo de realización comprende una base (1.1), un portamuestras (1.2), unos medios de transmisión (1.3) de fuerza, un actuador (1.4) y unos primeros medios elásticos (1.5).
La base (1.1) es una pieza sobre la que se incorpora unos medios de guiado que proporcionan una trayectoria al portamuestras (1.2), adaptando preferentemente una parte en la base (1.1) para formar un carril (1.1.2). Preferentemente este carril
(1.1.2) es un carril recto que proporciona una dirección de guía sustancialmente recta, lo que simplifica la manipulación remota del dispositivo posicionador (1).
Preferentemente, el portamuestras (1.2) está inscrito en un paralelepípedo de dimensiones 9mmx8mmx2mm. Como se puede apreciar en las figuras 2a, 2b y 2c, presenta una pluralidad de agujeros roscados (1.2.2) para unir mediante tornillos muestras al mismo soporte para fijar una muestra (3) de forma amovible.
La primera superficie (1.1.1) de fricción de la base (1.1) y la segunda super-ficie (1.2.1) de fricción del portamuestras (1.2) son superficies pulidas, sin asperezas, para proporcionar un desplazamiento minimizando la fricción.
El actuador (1.4) se sitúa fuera del recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1), preferentemente fuera del criostato (5.14), a temperatura ambiente, similar a 300 K. Esto permite utilizar diversos actuadores conocidos, y más preferentemente un actuador lineal, para accionar los medios de transmisión (1.3) de fuerza. Los medios de transmisión (1.3) de fuerza permiten que el actuador (1.4) mueva al portamuestras
- (1.2)
- con respecto a la base (1.1) cuando el actuador está situado fuera del recinto donde se alcanzan las bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y temperaturas menores de 100 mK, siendo los medios de transmisión (1.3) de fuerza materiales de baja conductividad térmica, i.e. térmicamente aislantes. Junto con lo anterior, los me-dios de transmisión (1.3) de fuerza deben presentar unas propiedades mecánicas que permitan la transmisión de este impulso entre el actuador (1.4) y el portamuestras
- (1.2)
- que resulta en la aplicación de una fuerza (T) al portamuestras (1.2). Un ejemplo de medios de transmisión (1.3) de fuerza es una varilla tubular térmicamente aislante.
Preferentemente, en este ejemplo de realización, se proporcionan como medios de transmisión (1.3) de fuerza al menos un primer cable (1.3.1). En este caso se disponen unos primeros medios elásticos (1.5) en oposición a la fuerza T que se trans-mite del actuador (1.4) al portamuestras (1.2), lo que permite operar con el primer cable (1.3.1) que se mantiene siempre en tracción. Los primeros medios elásticos (1.5) se implementan como un primer muelle cuya deformación se produce sustancialmen-te a lo largo de la dirección longitudinal x del carril (1.1.2). Cuando se aplica una fuerza de tracción T sobre el cable, este primer medio elástico (1.5) proporciona una fuerza restauradora opuesta a la fuerza de tracción T. Preferentemente, la constante elástica de este muelle está dentro del rango de 10 N/m a 100 N/m, preferentemente entre 20 N/m y 10 N/m. Así, se hace posible que el portamuestras (1.2) recupere su posición, y por tanto permite desarrollar la operación de posicionamiento del porta muestras (1.2) operando de forma remota, y en particular asegurando el desplazamiento en una di-rección x.
En este ejemplo de realización, se proporciona un segundo medio elástico (1.6). Este segundo medio elástico (1.6) se deforma proporcionado una segunda fuerza restauradora que mantiene en contacto al menos parte de la primera superficie (1.1.1) de fricción con la segunda superficie (1.2.1) de fricción. Preferentemente, este segun-do medio elástico (1.6) es un muelle que se fija a la base (1.1), pasa a través de una ranura (no mostrada) y se fija en su otro extremo al portamuestras (1.2) en un agujero de fijación (1.2.3). La constante elástica de este muelle está dentro del rango de 10 N/m a 100 N/m, preferentemente entre 20 N/m y 10 N/m. Preferentemente, la fuerza restauradora del segundo medio elástico (1.6) se aplica al menos en una dirección per-pendicular al desplazamiento a través del medio de guiado. En este ejemplo de realiza-ción tiene una componente a lo largo de la dirección z, perpendicular a la dirección x. Esta característica permite resolver el problema de proporcionar un dispositivo de po-sicionamiento capaz de actuar en una variedad de direcciones, regulando la fricción entre el porta muestras (1.2) y la base (1.1), y que, además, sea adecuado para su uso en microscopios de sonda local. El uso del segundo medio elástico (1.6) habilita el montaje del dispositivo posicionador (1) en otras direcciones distintas a la vertical, la que sería natural por gravedad. Asimismo el segundo medio elástico (1.6) regula la fricción con entre la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie (1.2.1) de fricción y mejora la estabilidad mecánica ya que no sólo restringe el movimiento en esta dirección z sino que hace más rígido el conjunto.
Más preferentemente, tanto la primera superficie (1.1.1) de fricción como la segunda superficie (1.2.1) de fricción presentan un recubrimiento en alúmina. En una realización preferente, el carril (1.1.2) presenta caras planas y el recubrimiento se realiza mediante unas placas de alúmina, de un grosor máximo aproximado de 0.5 mm. Este recubrimiento de alúmina se fija a la base (1.1) utilizando una resina epoxídi-ca adecuada para su uso a bajas temperatura entre las caras del carril (1.2.1) y dicha placa de alúmina. Esta solución mediante placas facilita el apoyo del portamuestras
(1.2) sobre la base (1.1). Son posibles otras realizaciones para proporcionar como aquellas que presentan un plano frente a una barra (o barras) o una esfera (o esferas) de materiales que presentan una fricción reducida como sucede con el zafiro o rubí.
La utilización de este segundo medio elástico (1.6) ofrece una rigidez del dispositivo posicionador (1) que repercute en unas prestaciones de estabilidad mecá-nica alta cuando se utiliza en un microscopio de sonda local (2), donde este condicio-namiento mecánico es crítico porque la distancia operativa entre sonda y superficie es del orden del Angstrom (10-10 m). Esta estabilidad mecánica es aún más necesaria en medidas que resuelven propiedades que dependen de la distancia, como las medidas topográficas. Especialmente cuando se hace necesario construir un microscopio capaz de conseguir resolución atómica en las propiedades bajo su estudio. A modo de ejem-plo la adquisición de la topografía de una superficie con resolución atómica exige una precisión típica de al menos decenas de picometros (<10-11 m). Esta resolución se debe mantener cuando se desplaza la sonda mediante el scanner (2.2) al estudiar mediante barrido una zona de la muestra (3).
Preferentemente, la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda su-perficie (1.2.1) de fricción están a su vez recubiertas de un lubricante adecuado para su uso a temperaturas criogénicas. Típicamente, los lubricantes líquidos usuales a tempe-ratura ambiente se congelan haciéndose inútiles en este rango de temperaturas. Sin embargo, en estos rangos de temperatura es crucial minimizar la disipación debido a la limitada potencia de refrigeración disponible. Ventajosamente el grafito y otros lubri-cantes sólidos como el disulfuro de molibdeno se utilizan preferentemente para lubri-car la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie (1.2.1) de fricción a bajas temperaturas, muy bajas temperaturas y temperaturas menores que 100 mK. La utilización de estos lubricantes, particularmente grafito sobre placa de alúmina, junto con una adecuada selección de la primera superficie (1.1.1) de fricción y segunda su-perficie (1.2.1) de fricción, permite minimizar la fricción y el calentamiento de aquellas partes del dispositivo posicionador (1) a enfriar y, lo que es más importante a tempera-turas criogénicas, se acelera la termalización de la muestra (3), ya que el calor genera-do al mover la muestra cerca del portamuestras (1.2) se minimiza. Además, mejora las prestaciones al utilizar superficies planas de apoyo que, aunque aumentan el área de la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie (1.2.1) de fricción, resultan en un apoyo más estable. Este apoyo mejora especialmente cuando se utiliza en con-junción con un segundo medio elástico (1.6).
Preferentemente se fabrican las partes más masivas del dispositivo posi-cionador (1), como la base (1.1) y el portamuestras (1.2), adaptando las dimensiones de las mismas en función de la densidad del material y el módulo de Young para tener una rigidez mecánica adecuada. La rigidez mecánica se caracteriza típicamente por la frecuencia fundamental de resonancia del dispositivo. Seleccionando una frecuencia fundamental de resonancia mayor que la banda de vibraciones, y en particular, mayor que de 10kHz, se consigue un dispositivo suficientemente rígido como para mantener la posición relativa de la sonda con respecto a la muestra sin que ésta varíe, y permite obtener una estabilidad con una resolución del orden del picometro. Esto, en conjun-ción con que las constantes elásticas de los primeros medios elásticos (1.5) y los se-gundos medios elásticos (1.6) estén en el rango de 10 N/m y 100 N/m, proporciona mayor estabilidad mecánica al hacer la estructura más rígida.
Preferentemente, el cuerpo del portamuestras (1.2), el cuerpo de la base
(1.1) o ambos son de Macar, aluminio o una aleación de aluminio, titanio o una alea-ción de titanio o cualquier combinación de los mismos. En el caso del uso de aleaciones de titanio, cuando el portamuestras (1.2.1) está fabricado en titanio de grado 5 y su cuerpo está inscrito de forma preferente en un paralelepípedo de dimensiones 9mmx8mmx2mm, presenta una alta frecuencia fundamental de resonancia mucho mayor que 10kHz.
Cuando el dispositivo posicionador (1) según cualquier ejemplo de realiza-ción anterior se integra en un microscopio de sonda local (2) que comprende un dispo-sitivo de barrido como un escáner piezoeléctrico (2.2) se proporciona un microscopio de sonda local (2.2) con un sistema de posicionamiento con capacidad de operar a temperaturas criogénicas.
En la figura 3 se muestra un ejemplo de realización en el que es posible apreciar al dispositivo posicionador (1) integrado en un microscopio sonda local (2) que es un microscopio de efecto túnel ó STM. Una muestra (4) se encuentra fijada so-bre el portamuestras (1.2) para someterse a estudio mediante esta técnica de micros-copia. En este caso se ha representado la sonda local como una punta conductora que se sitúa en un elemento de barrido o scanner piezoeléctrico (2.1). En este ejemplo de realización el elemento de barrido o scanner piezoeléctrico (2.1) es un piezotubo. Un imán (4) superconductor proporciona en la región de observación (2.1) un campo magnético variable, típicamente entre 1 T y 10 T.
En este ejemplo de realización el refrigerador (5) de bajas temperaturas es un refrigerador (5) de dilución de 3He en 4 He continuo. Un ejemplo de realización simi-lar de la invención también puede utilizarse en otro tipo de refrigeradores como otros
tipos de refrigeradores de dilución de 3He en He, o un baño de 4 He o refrigeradores basados en tecnologías termoacústicas de refrigeración (sin líquidos criogénicos) para alcanzar bajas temperaturas, cercanas a 4.2K, o un refrigerador de 3He, un refrigerador de demagnetización adiabática, que pueden alcanzar rangos de temperatura por deba-jo de 1 K.
El refrigerador (5) de dilución comprende diversas partes que se encuen-tran a temperaturas sucesivamente menores desde la temperatura ambiente del exte-rior (-300 K) hasta la temperatura base del foco frío del refrigerador (2). Se puede observar las diversas partes del refrigerador (5) en el esquema de la figura 1. Una línea de inyección (5.3) introduce desde un depósito (5.2) a temperatura ambiente un gas
que comprende una mezcla los isótopos de 3He y He en un primer recinto delimitado por el criostato con una carcasa (5.14) que aísla térmicamente un baño (5.1) de 4 He líquido a 4.2 K del ambiente a 300 K.
Esta línea de inyección (5.3) llega hasta un primer recipiente (5.13) sumer-gido en el baño de 4 He. Este primer recipiente (5.13), comúnmente conocido como bote de 4.2 K, contiene el recinto a bajas temperaturas (5.13.1). En este recinto de bajas temperaturas (5.13.1) se encuentra un segundo recipiente (5.4) en el que se bombea 4 He desde el baño (5.1) de 4 He líquido al exterior mediante una bomba (5.11). En modo operativo la temperatura aproximada de este segundo recipiente (5.4) es 1.2 K, y es comúnmente conocido como bote de 1 K. En modo operativo, la presión dentro del recinto de bajas temperaturas (5.13.1) es muy baja para que los componentes fríos no estén en contacto térmico con los componentes más calientes (e.g. el baño de helio) debido a la presencia de gas.
La línea de inyección (5.3) se encuentra anclada térmicamente al primer recipiente (5.13) y al segundo recipiente (5.4), y llega hasta el interior de un segundo recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1). Este segundo recinto de muy bajas tem-peraturas (5.12.1) está delimitado por un escudo o carcasa (5.12) de muy bajas tempe-raturas que sirve de escudo frente a las radiaciones. Las partes que se sitúan dentro de este recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1) se encuentran en modo operativo a temperaturas menores que 1.2 K. Para alcanzar estas temperaturas se incrementa la presión del gas en la línea de inyección (5.3) por encima de la presión de vapor de 3 He mediante diversas impedancias (5.5) de la línea de inyección (5.3) y de esta manera se controla el flujo de gas y se garantiza que éste condensa a la temperatura del bote de 1K. Así, el 3 He atraviesa una serie de intercambiadores de calor (5.6) hasta llegar a la cámara de mezclas (5.7). En dicha cámara de mezclas (5.7) el 3 He pasa de la fase con-centrada a la diluida, produciéndose el proceso de dilución de 3 He en una mezcla de 3 He en 4 He que proporciona la potencia de enfriamiento del refrigerador de dilución. Un flujo de retorno a través de una línea de retorno (5.9) atraviesa los intercambiado-res de calor (5.6) hasta llegar a un destilador (5.8) cuya temperatura aproximada es de
0.7 K. El flujo de retorno está en contacto térmico con la línea de inyección (5.3) para enfriar el flujo de entrada. Sobre este destilador (5.8) una bomba externa (5.10) bom-bea 3 He de la fase diluida hacia el exterior. Mediante la dilución de 3 He en 4 He que tiene lugar en este ciclo, el refrigerador de dilución (5) suministra una potencia de re-frigeración continua en el foco frío del refrigerador, que es la cámara de mezclas (5.7).
En este ejemplo de realización el cuerpo del STM (2) y el dispositivo posi-cionador (1) están en contacto térmico con el foco frío del refrigerador (5). Para ello se pueden utilizar diversas técnicas de termalización tanto del dispositivo como del STM
(2) que dependen de los materiales utilizados ya que hacen uso de la conductividad térmica del material del cuerpo del STM (2) y del dispositivo posicionador (1). Gene-ralmente este contacto térmico se hace mediante un elemento de termalización. Este elemento de termalización puede ser una estructura (no mostrada) realizada en bue-nos conductores del calor a temperaturas criogénicas, y más preferentemente en ma-teriales no magnéticos cuando se desea habilitar la presencia de un campo, como Cu, Ag o Au. Así, en esta realización, una estructura de cobre está en contacto térmico con la cámara de mezclas (5.7) y el microscopio de sonda local (2). A su vez, el microscopio termaliza la base (1.1) y la base, (1.1) el portamuestras (1.2).
Preferentemente, como se muestra en este ejemplo de realización, se utili-
- zan como medios de transmisión (1.3) de fuerza un cable que comprende un primer
- tramo (1.3.1) de cable de acero inoxidable y un segundo tramo (1.3.2) de cable multifi-
- lar no metálico. El primer tramo (1.3.1) tiene un diámetro entre 0.1 mm y 0.2 mm y
- presenta propiedades mecánicas adecuadas para actuar como medio de transmisión
- 5
- operando bajo una fuerza de tracción. Una tensión adicional se proporciona mediante
- un muelle adicional (1.7) que aumenta la tensión ejercida sobre el primer tramo
- (1.3.1). Para minimizar la transferencia de calor, el primer tramo (1.3.1) se ancla térmi-
- camente mediante una pluralidad de anclajes (1.8) a diversos puntos del refrigerador
- (5). En la figura 3 se muestra el anclaje a 1.2 K (1.8.2) y los diversos anclajes (1.8.1) de-
- lO
- ntro del recinto de muy bajas temperaturas (5.12.1) con el destilador (5.8), los inter-
- cambiadores de calor (5.6) y la cámara de mezclas (5.7) a diversas temperaturas.
- Preferentemente estos anclajes se realizan mediante un material con una
- conductividad térmica alta a bajas temperaturas y muy bajas temperaturas. Materiales
- 15
- como el cobre, barniz, plata, etc. pueden utilizarse. Preferentemente se utilizan hilos
- de cobre.
- Ventajosamente se utiliza para el segundo tramo (1.3.2) cable multifilar no
- metálico, de diámetro entre O.lmm y 0.2 mm. Este cabe multifilar, fabricado preferen-
- 20
- temente en Kevlar, está unido al primer tramo (1.3.1) de cable de acero. En este ejem-
- plo, el segundo tramo (1.3.2) se introduce por un agujero de guía (1.1.3) cuando llega a
- la base (1.1), para desplazarse en la dirección longitudinal x del carril (1.1.2). Este tra-
- mo de cable (1.3.2) multifilar no metálico actúa como amortiguador, en cooperación
- con el muelle adicional (1.7), para proporcionar un resonador que amortigua las vibra-
- 25
- ciones externas.
- En particular, los materiales ligeros y rígidos, como el titanio y sus aleacio-
- nes, presentan excelentes características mecánicas. Así se mejora la estabilidad
- mecánica del dispositivo posicionador (1). En los entornos a temperaturas criogénicas,
- 30
- esta estabilidad es crítica pero presenta limitaciones importantes a la hora de imple-
- mentarse técnicamente, pues, los mecanismos de amortiguamiento mecánico son muy
- limitados, y en última instancia, poco ventajosos al implicar disipación de calor que
- finalmente producirá un calentamiento. Así es posible fabricar piezas de un dispositivo
- posicionador (1) en un material y con unas dimensiones adecuadas para su integración
- 35
- en un microscopio de sonda local (2) operable a bajas temperaturas, muy bajas tempe-
- raturas y temperaturas menores de 100 mK con una frecuencia fundamental de reso-
- nancia mayor que 10 kHz. Esto proporciona un microscopio con mayor estabilidad
- mecánica al hacer la estructura más rígida.
- Estas propiedades del material y el diseño de las piezas del dispositivo de
- posicionamiento (1) deben conjugarse con las propiedades térmicas del mismo. Es po-
- S
- sible llevar a cabo dichas piezas en materiales como cobre/berilio, aleaciones de mag-
- nesio, cerámicas como Macar o alúmina que presentan buenos resultados desde el
- punto de vista de la termalización del dispositivo posicionador (1).
- En un ejemplo de realización se fabrican piezas cabo piezas en aluminio o
- 10
- en aleaciones de aluminio. En otro ejemplo piezas se fabrican preferentemente piezas
- en titanio ó en aleaciones de titanio, y más preferentemente el titanio de grado 5o
- titanio en grado 3. Las aleaciones de titanio, y en especial las aleaciones de titanio gra-
- do 5o titanio grado 3, presentan unas propiedades mecánicas a temperaturas criogé-
- nicas que permiten fabricar piezas que presentan una frecuencia de resonancia alta,
- 15
- mucho mayor que 10kHz.
- Sin embargo, las propiedades térmicas del titanio y las aleaciones de tita-
- nio o del aluminio y las aleaciones de aluminio varían a temperaturas criogénicas. Es
- bien conocido que cuando un material se encuentra en el estado superconductor pre-
- 20
- senta una conductividad térmica significativamente menor que en el estado normal.
- Esto es debido a que en los materiales en el estado superconductor la contribución
- electrónica a la conductividad térmica se encuentra inhibida. En el estados supercon-
- ductor la conducción de calor se produce principalmente por medio de fonones y es
- menos eficiente que en el estado normal.
- 25
- La temperatura crítica que determina el paso del estado normal al estado
- superconductor de las aleaciones de titanio de interés para uso en microscopías de
- sonda local se sitúa por encima de la temperatura crítica del titanio (0.4 K en ausencia
- de campo magnético). En particular, para la aleación de titanio de grado 5 la tempera-
- 30
- tura crítica es de 5 K en ausencia de campo magnético. Un fenómeno similar se pre-
- senta cuando se fabrican estas piezas en aluminio o las aleaciones de aluminio que
- presentan una transición a un estado superconductor por debajo de su correspondien-
- te temperatura crítica.
- 35
- Se ha encontrado que esta realización presenta resultados de termalización
- que permiten alcanzar temperaturas de hasta 10mK, muy por debajo de la temperatu-
- ra crítica del titanio o de las aleaciones de titanio. Así pues, preferentemente tanto el
cuerpo de la base (1.1) como el cuerpo del portamuestras (1.2) están realizados en titanio grado 5. Más preferentemente, el cuerpo del microscopio de sonda local (2) está realizado en una aleación de titanio grado 5.
Estos resultados muestran la posibilidad de obtener mediante el instru-mento una estabilidad mecánica mejorada y una mejor termalización a temperaturas criogénicas gracias a la combinación de las enseñanzas técnicas contempladas ante-riormente.
En la figura 4 se muestra un perfil topográfico tomado con un microscopio de efecto túnel equipado con el dispositivo posicionador (1) según el ejemplo de reali-zación anterior. La medida se ha realizado con una punta de Au sobre una muestra de NbSe2 a una temperatura de 100 mK. El voltaje de polarización entre punta y muestra es de 30 mV y la corriente túnel es 10 nA. En el panel (a) se muestra el perfil de una zona en ausencia de campo magnético (H=O T) y en el panel (b) un perfil de una zona en presencia de campo magnético (H=8 T). Es posible observar en esta figura 4 la co-rrugación asociada a los átomos de la superficie de NbSe2 con un nivel de resolución que permite obtener una imagen de la superficie (no mostrada) con resolución atómi-ca en presencia de un campo magnético. Las curvas en los paneles (a) y (b) reflejan un valor distinto de la altura aparente en la corrugación atómica al corresponderse con una región distinta de la superficie de NbSe2 •
La resolución no sólo permite distinguir una corrugación atómica sino que es suficiente como para apreciar la onda de densidad de carga en forma de una modu-lación superpuesta a la estructura cristalina de la superficie del material (no mostrada). Este es un fenómeno que se manifiesta a muy bajas temperaturas en este material en forma de una modulación de la carga con una periodicidad espacial Acow que está su-perpuesta a la corrugación atómica, con una periodicidad espacial Acorren buen acuer-do con los valores que se encuentran en la literatura (A.c0 w:=:::: 3A.corr). La estabilidad se mantiene a estas temperaturas, aún en presencia de un campo magnético de 8T, sin degradar las prestaciones y resolución del microscopio de efecto túnel.
En la figura 5 se muestra la transformada de Fourier discreta de la corriente túnel (FFT) en unidades arbitrarias sobre una muestra de 1024 puntos durante 1 s, realizada sobre una muestra de NbSe2 a 100 mK en presencia de un campo magnético H= 5 T. La corriente túnel presenta un decaimiento exponencial con la distancia con una longitud de decaimiento del orden de 0.5 nm en los metales. Esta señal se utiliza
para realimentar un circuito de control de la distancia entre punta y muestra, que está desconectado al realizar esta medida. En este caso, el valor promediado en el tiempo de la corriente túnel1.2 nA y el voltaje de polarización entre punta y muestra 50 mV. El panel (a) se corresponde a un microscopio con dispositivo posicionador según el 5 estado de la técnica y el panel (b) se corresponde al mismo microscopio con el espec-tro tomado con el dispositivo posicionador (1). Es posible apreciar que a baja frecuen-cia es altamente estable y no se ve afectada por el dispositivo posicionador (1). Es de-cir, el dispositivo posicionador (1) es al menos tan estable como el microscopio porque no degrada la estabilidad a baja frecuencia de forma apreciable. La temperatura ope-10 rativa del microscopio en este experimento es 50 mK. El microscopio con un dispositi-vo posicionador en el estado de la técnica se calienta típicamente desde la temperatu-ra operativa hasta temperaturas por encima de 4 K al accionar el posicionador en el estado de la técnica. Sin embargo, no se observan cambios de la temperatura del mi-croscopio mayores del 1% sobre la temperatura operativa en el microscopio al accio-
15 nar el dispositivo posicionador (1) según el ejemplo de realización anterior.
Claims (11)
- REIVINDICACIONES1.-Dispositivo posicionador (1) para microscopios de sonda local (2), ope-rable a temperaturas criogénicas, para posicionar una muestra (3) en una región de observación (2.2) que comprende:
- •
- una base (1.1) adaptada para unirse de forma solidaria al_microscopio de sonda local (2);
- •
- un portamuestras (1.2);
- •
- unos medios de guiado entre la base (1.1) y el portamuestras (1.2) que com-prenden una primera superficie (1.1.1) de fricción dispuesta en la base (1.1) y una segunda superficie (1.2.1) de fricción dispuesta en el portamuestras (1.2), de tal modo que dicha segunda superficie (1.2.1) de fricción está adaptada para desplazarse por deslizamiento sobre la primera superficie (1.1.1) de fricción de la base (1.1); y
- •
- un actuador (1.4) para la impulsión del portamuestras (1.2) respecto de la ba-se (1.1);
donde la base (1.1) y el portamuestras (1.2) se encuentran en el interior de una carcasa (5.12) de muy bajas temperaturas y en contacto térmico con un elemento de termalización, caracterizado porque el actuador (1.4) se encuentra situado fuera de la carcasa (5.12) de muy bajas temperaturas, estando dicho actuador (1.4) vinculado al portamuestras (1.2) mediante unos medios de transmisión (1.3) de fuerza que están comprendidos en el dispositivo posicionador (1), de tal modo que el actuador (1.4) impulsa el portamuestras (1.2) a través de los medios de transmisión (1.3) de fuerza, siendo dichos medios de transmisión (1.3) de fuerza de baja conductividad térmica. - 2.-Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque los me-dios (1.3) de transmisión de fuerza son de tracción, y por disponer, adicionalmente, de unos primeros medios elásticos (1.5) de tal modo que los medios de transmisión (1.3) de fuerza y dichos primeros medios elásticos (1.5) están adaptados para operar en oposición.
- 3.-Dispositivo según las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque com-prende unos segundos medios elásticos (1.6) adaptados para mantener el contacto bajo presión entre la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superfi-cie (1.2.1) de fricción.
- 4.-Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque la pri-mera superficie (1.1.1) de fricción, la segunda superficie (1.2.1) de fricción o una com-binación de las mismas están recubiertas por un lubricante sólido.
- 5.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque la frecuencia fundamental de resonancia del dispositivo posicionador (1) es mayor que 10kHz para mejorar la estabilidad mecánica y aumentar la precisión en la posición de la muestra (3).
- 6.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque el cuerpo de la base (1.1) o el cuerpo del portamuestras (1.2) está hecho de titanio o aluminio.
- 7.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque el actuador (1.4) es un actuador lineal.
- 8.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque la primera superficie de fricción (1.1.1) o la segunda superficie (1.2.1) de fric-ción están recubiertas de alúmina.
- 9.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque los medios de guiado están configurados para formar un carril (1.1.2) que per-mite el desplazamiento lineal.
- 10.-Dispositivo según la reivindicación 9 caracterizado porque la primera superficie (1.1.1) de fricción y la segunda superficie de fricción (1.1.2) son planas.
- 11.-Microscopio de sonda local (2) con capacidad de operar a temperatu-ras criogénicas, que comprende un dispositivo posicionador (1) de acuerdo a cualquie-ra de las reivindicaciones anteriores 1 a 10.
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