超快激光超高真空掃描探針顯微鏡系統研制成功并推廣

　　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因素之一。過去一些年里，我國在超高真空-分子束外延及其相關裝備的研制方面與發達國家存在著巨大差距，成為我國相關領域科學研究、應用開發水平、重大原創性科研成果產生的重要瓶頸和掣肘。

　　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。然而作為復雜的綜合性系統，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，我國SPM設備長期以來主要依靠從發達國家進口。

　　中國科學院物理研究所高鴻鈞研究組（N04組）多年來一直致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，取得了一系列重要成果。同時也在相關高精尖儀器自主研制方面不斷積累，奠定了扎實的基礎。通過與物理所技術部研究員郇慶緊密合作，他們自主研制了一批核心關鍵部件，成功完成了一臺商業化四探針系統的全面升級改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】。針對原有系統所存在的噪音大、溫漂顯著、分辨率低等問題，他們將該系統進行了多方位徹底改造，包括減振與阻尼、掃描結構、導熱鏈接與熱屏、針尖定位掃描電鏡的替換等，從根本上解決了系統信噪比、機械和溫度穩定性、成像分辨率以及降溫等方面的問題。與此同時，他們研發了一套“分時復控電路單元”，為多探針SPM系統提供低成本的分時控制解決方案，進一步發揮該系統的特色和優勢。該研究組博士生馬瑞松、副研究員鮑麗宏等人利用徹底改造升級后的四探針系統，對石墨烯晶界電阻率與遷移率等輸運特性展開了系統研究，拓展了人們對石墨烯晶界/褶皺處本征電子輸運特性的認識，展示了改造完成的四探針掃描隧道顯微鏡系統在研究缺陷等微觀結構特性對材料輸運性質的影響方面的獨特優勢【Nano Letters, 17(9): 5291, 2017】。

圖：(a-b) 四探針掃描隧道顯微鏡改造設計圖；(c) 石墨烯晶界測試示意圖；(d) 光學兼容低溫掃描探針顯微鏡系統三維設計圖與 (e) 實物照片；(f) 部分系統性能測試數據。

　　最近，在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、高兆艷等成功研制并搭建了多臺套新型低溫光學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，主要技術指標達到國際同類商業化系統的優良水平。由于所采用的諸多核心部件均為自主研發，因此系統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）ZL設計的掃描探頭鎖定結構，可在低溫端實現探頭鎖定，進一步減小來自室溫的漏熱；3）機械和壓電驅動的透鏡調整方式，可根據具體實驗要求靈活選擇，保證光信號精確引入和高效收集；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復調試和設計改進，并完成了全面的性能測試。他們在干凈的HOPG表面和Au(111)表面均可獲得高清原子分辨圖像，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，所搭建的多臺套系統已分別交付物理所、清華大學、國家納米科學中心、中山大學等合作單位以開展不同方向的研究應用，并通過遠程運輸和異地安裝測試，多方面驗證了系統的設計合理性和可靠性。進一步地，按照科技部重大科學儀器專項要求，研發團隊已將研制成果在更大范圍進行了推廣應用。目前，包括多種蒸發源及控制器、掃描探頭、光學調整臺、分子束外延系統等在內的部件和成套系統，已在國內外數十所高校和科研機構推廣應用。

　　該光學兼容低溫掃描探針顯微鏡系統的詳細工作發表在近期的《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科院關鍵技術研發團隊項目的支持。