適用于極端與惡劣環(huán)境中的掃描隧道顯微鏡的研制.pdf

1、自從第一臺掃描隧道顯微鏡問世以來，就標(biāo)志著人類進(jìn)入了可以直接觀測原子和操縱原子的時代。歷經(jīng)三十余年，科學(xué)家們不斷地這個領(lǐng)域開拓進(jìn)取，為掃描隧道顯微鏡的成熟化、多樣化、分工化、專業(yè)化的發(fā)展添磚加瓦。時至今日，人們可以憑借掃描探針顯微技術(shù)，對凝聚態(tài)物理學(xué)、物理電子學(xué)、生物學(xué)、電化學(xué)乃至航空學(xué)等多種學(xué)科中的微觀世界進(jìn)行觀測、檢測和操控。
　　強磁場下表面電子態(tài)的研究一直都是科學(xué)家們研究的重點。因為在強磁場下有太多新奇的物理現(xiàn)象可以用掃描

2、隧道顯微鏡來表征。然而，有一些重要的物性需要超高磁場的掃描隧道顯微鏡才能得以表征，比如:單壁碳納米管金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的微觀機制，需要高達(dá)45特斯拉的磁場才可以觀測的到;驗證量子點中磁場量子化穿透(Vortex)的理論，大約需要25特斯拉以上的磁場;高溫超導(dǎo)體上臨界磁場的微觀表現(xiàn)，也需要大約45特斯拉的超高磁場。所謂工欲善其事，必先利其器，強磁場下掃描隧道顯微鏡的研發(fā)就顯得尤為重要。多年以來，世界上有很多小組在全力發(fā)展強磁場下的掃描隧道顯

3、微鏡。然而現(xiàn)在能在磁場中得到原子分辨率的掃描隧道顯微鏡的最高紀(jì)錄還只停留在18特斯拉，遠(yuǎn)不能達(dá)到所需要的目標(biāo)。當(dāng)今國際上有售的商業(yè)超導(dǎo)磁體最高可以做到23特斯拉，雖然有小組已經(jīng)做出了30特斯拉的超導(dǎo)磁體，但距離真正的商業(yè)化還有很長一段路要走。所以如果想要在超高磁場中探測表面電子態(tài)，就必須要用到水冷磁體和混合磁體。然而水冷磁體和混合磁體在運行時會有巨大的水流震動（是普通掃描隧道顯微鏡實驗環(huán)境的70余倍）和水流噪音（大于80分貝），這成為在

4、磁體中得到原子圖像的最大難點。迄今為止，國際上沒有任何關(guān)于在水冷磁體或混合磁體中搭建掃描隧道顯微鏡的報道。
　　合肥強磁場中心目前已經(jīng)有一臺水冷磁體正式投入實驗運行，它的最高場強可以達(dá)到27特斯拉，中心孔徑為32mm，是中國首臺水冷磁體。明年年底將建成中國第一臺混合磁體，預(yù)計場強將達(dá)到45特斯拉。我們就針對這臺小孔徑水冷磁體，搭建起一套掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。難度除了上述所說的聲音和震動外，如此小的孔徑也是一大難點。對于如此惡劣環(huán)境且

5、小空間中的掃描隧道顯微鏡，其結(jié)構(gòu)剛性必須非常強。由于通常情況下，掃描隧道顯微鏡的掃描頭和步進(jìn)馬達(dá)是連接在一起的，馬達(dá)的穩(wěn)定性會直接關(guān)系到隧道電流的穩(wěn)定性，因此一個適用于惡劣環(huán)境的掃描隧道顯微鏡必須配有一個優(yōu)秀的步進(jìn)馬達(dá)。這個馬達(dá)應(yīng)該同時具備以下這些性質(zhì):1.結(jié)構(gòu)簡單，因為越簡單就越可靠;2.盡量低的控制電壓，因為降低控制電壓會降低其引入的噪音，提高控制精度;3.小巧而緊湊的結(jié)構(gòu)，小體積所帶來的熱漂移就小，而且也適用于小孔徑中;4.剛性強

6、，剛性是衡量震動抵抗性能的重要指標(biāo)。然而當(dāng)今國際上流行的馬達(dá)都存在一種或者幾種的鄙陋，全都不適用于水冷磁體中。
　　在第二章中，為了做出一個適用于惡劣環(huán)境的掃描隧道顯微鏡鏡體，我們獨立研發(fā)了一款剛性而緊湊的壓電堆棧馬達(dá)，它的直徑只有13mm。顯微鏡所用的馬達(dá)由六片壓電片堆棧組成，一共形成兩個分支，被彈性的固定在兩根平行的表面精拋光的剛玉棒中。這個馬達(dá)的優(yōu)點是:機構(gòu)簡單緊湊、剛性強、行程不受限制。這款顯微鏡還表現(xiàn)出了超強的剛性和抗震

7、動性能，即使在周圍噪音高達(dá)73分貝的環(huán)境中，也可以不依賴任何隔音措施掃描得到清晰的原子分辨率圖像，而且圖像質(zhì)量和在隔音減震箱中得到的圖像幾乎沒有任何差別。另外，我們開發(fā)出了一種有效降低馬達(dá)工作電壓的控制方法，可以將馬達(dá)的閾值電壓降低1/3～1/2左右。這款顯微鏡同樣在低溫中是兼容的。由于其高剛性、緊湊性的特點，這款顯微鏡非常適合用于一些大震動、大噪音、強磁場等惡劣環(huán)境中。掃描所用所用周邊電路如前級放大電路、高壓放大電路、跟隨濾波電路均為

8、我們自行設(shè)計制作。該文章已被Scanning雜志接收。
　　在第三章中，我們針對中科院強磁場中心4號水冷磁體（中心孔徑32mm，最高場強27特斯拉）搭建起一套完整的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。整套系統(tǒng)全部采用無磁或弱磁材料制成，包括減震系統(tǒng)、真空隔音隔熱系統(tǒng)和鏡體。減震采用了上下一體懸吊的機制，整個減震架的共振頻率小于3Hz，并且對鏡體采用了三級彈簧懸吊隔震的辦法，起到了非常好的效果。真空的維持采用了低溫冷阱的辦法，利用軟波紋管表面積大而

9、且可以自由伸縮的特點，制成了帶操縱桿功能的低溫泵，最好可以維持真空度到3×10-5mbar左右，對隔音隔熱起到了關(guān)鍵的作用。顯微鏡鏡體在第二章介紹所介紹馬達(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，采用了實驗室獨創(chuàng)的馬達(dá)-掃描頭分離技術(shù)，使得馬達(dá)的干擾信號不能傳入隧道信號中，改進(jìn)了成像質(zhì)量。最終，我們在磁體開最大水流的情況下得到了非常清晰的高定向熱解石墨的原子圖像，并在0.42特斯拉的磁場下的到了原子分辨率圖像。這是國際上首次在水冷磁體通最大水流并升場

10、的條件下得到掃描隧道顯微鏡原子分辨率圖像的。這一步的意義是重大的，為將來在混合磁體中搭建原子分辨率的掃描隧道顯微鏡打下了堅實的基礎(chǔ)，因為:1.混合磁體的震動和水冷磁體是一個量級的;2.混合磁體的工作噪音和水冷磁體相當(dāng);3.混合磁體的中心孔徑也是32mm;4.混合磁體同樣工作在室溫孔徑。
　　在第四章中，我們自主設(shè)計制造了一款五堆棧摩擦力自抵消式馬達(dá)，并最終將其組裝成一款超高剛性超大推力的掃描隧道顯微鏡，得到了非常好的原子圖像。這款

11、馬達(dá)的優(yōu)點是:1.同時具有剛性強、推力大的特點，結(jié)構(gòu)敦厚，且總的壓電材料密度高，單位空間尺度的總輸出力大。2.行程大，行程僅受導(dǎo)軌長度的限制。3.尺寸小，四個臂堆棧、腿堆棧體和中堆棧并排放置，幾乎密堆而成，非常節(jié)省空間。整個鏡體的最終直徑為16mm。4.工作溫區(qū)大，因為彈簧片的彈力是長作用范圍力，所以即使在溫度變化很大也不會發(fā)生因正壓力變化而導(dǎo)致馬達(dá)不行走的狀況。5.很高的定位精度，這對于針-樣品逼近非常重要。我們還定義了一個所有摩擦力