掃描隧道顯微鏡的原理和結構?高精尖科學儀器的獲得是基礎前沿科學探索研究及新發現的最重要的因素之一在過去的一些年裡，我國在超高真空-分子束外延及其相關裝備的研制與發達國家之間存在着巨大差距，對國外高精尖儀器設備的嚴重依賴和關鍵核心技術受制于人的殘酷現實使得我國相關領域的科學研究、應用開發的水平、重大原創性科研成果的産生出現重要瓶頸和掣肘，今天小編就來說說關于掃描隧道顯微鏡的原理和結構?下面更多詳細答案一起來看看吧!

掃描隧道顯微鏡的原理和結構

高精尖科學儀器的獲得是基礎前沿科學探索研究及新發現的最重要的因素之一。在過去的一些年裡，我國在超高真空-分子束外延及其相關裝備的研制與發達國家之間存在着巨大差距，對國外高精尖儀器設備的嚴重依賴和關鍵核心技術受制于人的殘酷現實使得我國相關領域的科學研究、應用開發的水平、重大原創性科研成果的産生出現重要瓶頸和掣肘。

作為研究低維材料和表面科學的重要工具，掃描隧道顯微鏡（STM）及其相關各類掃描探針顯微技術（SPM）的發明極大推動了納米科技的發展。然而作為複雜的綜合性系統，該類設備涉及超高真空、低溫、極低振動、精密機械加工、精密電子學探測和控制等諸多技術領域，長期以來我國高精尖SPM裝備主要依靠從德國、日本、美國等發達國家進口。

中國科學院物理研究所/北京凝聚态物理國家研究中心納米物理與器件重點實驗室高鴻鈞研究組（N04組）多年來一直緻力于掃描探針顯微學及其在低維量子結構方面應用的研究，在前沿科學研究上取得了一系列重要成果。同時，他們也在相關高精尖儀器自主研制方面不斷積累，奠定了紮實的基礎。通過與物理所技術部郇慶研究員團隊的緊密合作，他們自主研制了一批核心關鍵部件，并先後完成了一台變溫STM系統的設計、搭建以及一台商業化四探針系統的徹底升級改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】等工作。

最近，在技術部電子學儀器部郇慶研究員的直接指導與帶領下，N04組的博士研究生吳澤賓、高兆豔等同學成功研制并搭建了多台套新型低溫光學掃描探針顯微鏡（SPM）聯合分子束外延（MBE）系統，具有性能穩定、可擴展性強、樣品制備能力完善和光學兼容性好的特點，主要技術指标達到國際同類商業化系統的優良水平。系統所采用的諸多核心部件均為自主研發，因此具有商業化系統所不具備的多項優點：1）模塊化設計的掃描探頭可以同時兼容STM探針和qPlus AFM傳感器，具有剛性高、結構緊湊的特點，在達到極低振動水平的同時，還可在超高真空、低溫環境中對探頭進行原位調節，顯著提高了設備的調試效率和使用便捷性；2）專利設計的掃描探頭鎖定機構，可在低溫端實現探頭鎖定，進一步減小了來自室溫的漏熱；3）機械和壓電驅動的透鏡調整方式，可根據具體實驗的要求靈活選擇，保證光信号的精确引入和高效收集；4）集成的MBE子系統，具有低溫吸附冷屏，可實現多達6種不同材料的生長，并具備RHEED、LEED、QCM等多種原位生長監測的擴展能力。

該研發團隊對系統進行了反複地調試和設計改進，并完成了全面的性能測試。他們在幹淨的HOPG表面和Au(111)表面均可獲得高清的原子分辨圖像，并進一步通過掃描隧道譜、隧穿結噪聲譜、二維周期原子結構制備等手段驗證了系統的各項性能。此外，研發團隊還根據研究應用單位的具體需求對系統進行了優化定制設計，并對多個核心關鍵部件以及系統整體進行了長時間的可靠性測試。目前，所搭建的多台套系統已分别交付清華大學、國家納米科學中心、中山大學等合作單位開展不同方向的研究應用，并通過系統的遠程運輸和異地安裝測試，進一步驗證了系統的設計合理性和可靠性。

該光學兼容低溫掃描探針顯微鏡系統的詳細介紹發表在了近期的《科學儀器評論》雜志上【Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018); doi: 10.1063/1.5046466】。該工作得到了科技部重大科學儀器專項和中國科學院關鍵技術研發團隊項目的支持。

圖一：光學兼容低溫掃描探針顯微鏡系統：a) 三維設計圖；b) 實物照片

圖二：系統内部設計展示：a) 緊湊的SPM掃描探頭；b) 低溫屏蔽罩及鎖定機構；c) 光路調整設計

圖三：部分系統性能測試數據

文章鍊接：

編輯：重光

近期熱門文章Top10

↓ 點擊标題即可查看 ↓

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!