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低温扫描隧道显微镜的研制与应用

2019.12.23

扫描隧道显微镜(STM)使人类第一次能够直接地观察到物质表面的单个原子及其排列状态,并且能够研究其相关的物理、化学性质,因此在表面科学、材料科学、生命科学等领域得到了广泛应用。很多材料在低温条件下表现出一些新奇的物理性质,如超导、量子霍尔效应、电荷密度波和量子相变等等,而扫描隧道显微镜因具有原子分辨率实空间成像能力,尤其适合用来研究这类材料的表面物性,因此搭建一台能够在低温条件下工作的扫描隧道显微镜已经成为世界上很多研究小组的研究项目。尽管目前扫描隧道显微镜的相关技术已经发展的较为成熟,但搭建一套低温扫描隧道显微镜系统仍然面临着许多的问题和挑战:

(1)传统的镜体结构设计往往把扫描头直接固定在步进马达上,因此不能消除步进马达的不稳定性对扫描头的影响。

(2)当镜体植入到低温杜瓦里面时,一般要用很长的磁力杆深入到杜瓦底部才能对探针及样品进行抓取和更换,这不仅增加了 STM在垂直方向上的高度,使其受到楼层的限制,而且存在着损坏扫描管的风险。

(3)在真空条件下更换探针和样品的机械操作比较复杂,往往需要配合使用多种传递机构才行。

(4)专门为扫描隧道显微镜而定制一套低温系统面临着技术难度大、成本高的问题。针对以上的问题和现状,在老师的精心指导下,

博士期间我的工作主要分为以下几个部分:

1.研制了一套全新的低温扫描隧道显微镜系统。其中镜体结构采用马达-扫描头分离式设计,使扫描头在成像时不受步进马达的干扰,因此大大提高了隧道结的稳定性。采用全新的旋转升降机构传递镜体,不仅节约了 STM在垂直方向上的高度,使其不受楼层的限制,而且这种转轮式的传递机构相比于使用刚性的长杆更加简单可靠。通过同轴化的机械设计,只需要一根横向的磁力杆就能实现快速地对探针和样品进行传递与更换。我们采用商业的液氦杜瓦作为低温恒温器,通过自制的低温腔体对镜体进行降温,降低了设计成本。目前,这套显微镜的研制工作已在著名的仪器类杂志Rev.Sci.Instrum.上发表。利用这套显微镜我们观察到了石墨晶界附近奇异的电子态结构,为解释这些特征,我们提出了集体干涉模型,该模型能够定量地模拟石墨下层原子对表面电子态的影响,该项工作已在Carbon杂志上发表。

2.为了进一步提高扫描隧道显微镜的机械稳定性,我们研制了一款紧凑而刚性的镜体,它的主要特色是利用了一个内壁抛光的蓝宝石导向管作为扫描头的导轨,从而形成了较短的探针到样品的机械回路。该导向管里面是一个被弹簧片夹持的方形滑杆,而扫描头安装在该滑杆上。这种设计使得扫描隧道显微镜整体结构简单、紧凑和刚性,同时蓝宝石良好的热导率又有利于提高显微镜的热稳定性。我们利用该镜体做成了一套插杆式低温扫描隧道显微镜系统。通过刚性固定的方式对镜体进行降温,使其最低温度可到4.2K,并且我们可以在低温下对样品进行解理。这套低温扫描隧道显微镜系统保留了基本的测量功能,操作简单方便,可以移植到任何口径大小合适的液氦磁体当中。

3.基于Labview程序搭建了一套扫描隧道显微镜的控制软件,该软件能很好地实现马达步进、扫描成像、测谱以及快速保存数据的功能。利用该软件,我们得到了高质量的图像数据,证明了该软件的可靠性。另外,它能够灵活地移植到其他各种扫描探针显微镜中使用,具有很好的兼容性。

4.研制了一款新型的扫描探针显微镜的粗步进装置,解决了惯性压电马达的输出力和启动电压之间的矛盾。在传统的惯性压电马达中,滑杆的最大静摩擦力就是马达的最大输出力,而滑杆的摩擦力往往是不可控的,如果滑杆摩擦力过大,就只有增大电压才能驱动马达行走。而我们设计的这款惯性压电马达能够对滑杆的摩擦力进行控制,使滑杆在伸长时受到的摩擦力不变,而在滑动过程中受到总的摩擦力减小,因此它能够在相对较小的启动电压下实现更大的输出力和步长。

显微镜应用研制

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周锦帆