發(fā)布日期：2019-01-10
高精尖科學(xué)儀器的獲得是基礎(chǔ)前沿科學(xué)探索研究及新發(fā)現(xiàn)的最重要因素之一。過去一些年里，我國(guó)在超高真空-分子束外延及其相關(guān)裝備的研制方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在著巨大差距，成為我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究、應(yīng)用開發(fā)水平、重大原創(chuàng)性科研成果產(chǎn)生的重要瓶頸和掣肘。
作為研究低維材料和表面科學(xué)的重要工具，掃描隧道顯微鏡（STM）及其相關(guān)各類掃描探針顯微技術(shù)（SPM）的發(fā)明極大推動(dòng)了納米科技的發(fā)展。然而作為復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，該類設(shè)備涉及超高真空、低溫、極低振動(dòng)、精密機(jī)械加工、精密電子學(xué)探測(cè)和控制等諸多技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)SPM設(shè)備長(zhǎng)期以來主要依靠從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口。
中國(guó)科學(xué)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(xué)及其在低維量子結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用的研究，取得了一系列重要成果。同時(shí)也在相關(guān)高精尖儀器自主研制方面不斷積累，奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。通過與物理所技術(shù)部研究員郇慶緊密合作，他們自主研制了一批核心關(guān)鍵部件，成功完成了一臺(tái)商業(yè)化四探針系統(tǒng)的全面升級(jí)改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】。針對(duì)原有系統(tǒng)所存在的噪音大、溫漂顯著、分辨率低等問題，他們將該系統(tǒng)進(jìn)行了多方位徹底改造，包括減振與阻尼、掃描結(jié)構(gòu)、導(dǎo)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(tǒng)信噪比、機(jī)械和溫度穩(wěn)定性、成像分辨率以及降溫等方面的問題。與此同時(shí)，他們研發(fā)了一套“分時(shí)復(fù)控電路單元”，為多探針SPM系統(tǒng)提供低成本的分時(shí)控制解決方案，進(jìn)一步發(fā)揮該系統(tǒng)的特色和優(yōu)勢(shì)。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(jí)后的四探針系統(tǒng)，對(duì)石墨烯晶界電阻率與遷移率等輸運(yùn)特性展開了系統(tǒng)研究，拓展了人們對(duì)石墨烯晶界/褶皺處本征電子輸運(yùn)特性的認(rèn)識(shí)，展示了改造完成的四探針掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)在研究缺陷等微觀結(jié)構(gòu)特性對(duì)材料輸運(yùn)性質(zhì)的影響方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)【Nano Letters, 17(9): 5291, 2017】。
最近，在郇慶研究員的直接指導(dǎo)與帶領(lǐng)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(tái)套新型低溫光學(xué)SPM聯(lián)合分子束外延（MBE）系統(tǒng)，具有性能穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)、樣品制備能力完善和光學(xué)兼容性好的特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際同類商業(yè)化系統(tǒng)的優(yōu)良水平。由于所采用的諸多核心部件均為自主研發(fā)，因此系統(tǒng)具有商業(yè)化系統(tǒng)所不具備的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：1）模塊化設(shè)計(jì)的掃描探頭可以同時(shí)兼容STM探針和qPlus AFM傳感器，具有剛性高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，在達(dá)到極低振動(dòng)水平的同時(shí)，還可在超高真空、低溫環(huán)境中對(duì)探頭進(jìn)行原位調(diào)節(jié)，顯著提高了設(shè)備的調(diào)試效率和使用便捷性；2）專利設(shè)計(jì)的掃描探頭鎖定結(jié)構(gòu)，可在低溫端實(shí)現(xiàn)探頭鎖定，進(jìn)一步減小來自室溫的漏熱；3）機(jī)械和壓電驅(qū)動(dòng)的透鏡調(diào)整方式，可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求靈活選擇，保證光信號(hào)精確引入和高效收集；4）集成的MBE子系統(tǒng)，具有低溫吸附冷屏，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)6種不同材料的生長(zhǎng)，并具備RHEED、LEED、QCM等多種原位生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)的擴(kuò)展能力。
該研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試和設(shè)計(jì)改進(jìn)，并完成了全面的性能測(cè)試。他們?cè)诟蓛舻腍OPG表面和Au(111)表面均可獲得高清原子分辨圖像，并進(jìn)一步通過掃描隧道譜、隧穿結(jié)噪聲譜、二維周期原子結(jié)構(gòu)制備等手段驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還根據(jù)研究應(yīng)用單位的具體需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化定制設(shè)計(jì)，并對(duì)多個(gè)核心關(guān)鍵部件以及系統(tǒng)整體進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的可靠性測(cè)試。目前，所搭建的多臺(tái)套系統(tǒng)已分別交付物理所、清華大學(xué)、國(guó)家納米科學(xué)中心、中山大學(xué)等合作單位以開展不同方向的研究應(yīng)用，并通過遠(yuǎn)程運(yùn)輸和異地安裝測(cè)試，多方面驗(yàn)證了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性和可靠性。進(jìn)一步地，按照科技部重大科學(xué)儀器專項(xiàng)要求，研發(fā)團(tuán)隊(duì)已將研制成果在更大范圍進(jìn)行了推廣應(yīng)用。目前，包括多種蒸發(fā)源及控制器、掃描探頭、光學(xué)調(diào)整臺(tái)、分子束外延系統(tǒng)等在內(nèi)的部件和成套系統(tǒng)，已在國(guó)內(nèi)外數(shù)十所高校和科研機(jī)構(gòu)推廣應(yīng)用。
該光學(xué)兼容低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的詳細(xì)工作發(fā)表在近期的《科學(xué)儀器評(píng)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(xué)儀器專項(xiàng)和中科院關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持。
圖：(a-b) 四探針掃描隧道顯微鏡改造設(shè)計(jì)圖；(c) 石墨烯晶界測(cè)試示意圖；(d) 光學(xué)兼容低溫掃描探針顯微鏡系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)圖與 (e) 實(shí)物照片；(f) 部分系統(tǒng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)。
來源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所
