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(tái)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(cè)原子和操縱原子的時(shí)代。歷經(jīng)三十余年，科學(xué)家們不斷地這個(gè)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(shí)至今日，人們可以憑借掃描探針顯微技術(shù)，對(duì)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(cè)、檢測(cè)和操控。
　　強(qiáng)磁場(chǎng)下表面電子態(tài)的研究一直都是科學(xué)家們研究的重點(diǎn)。因?yàn)樵趶?qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)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(jī)制，需要高達(dá)45特斯拉的磁場(chǎng)才可以觀測(cè)的到;驗(yàn)證量子點(diǎn)中磁場(chǎng)量子化穿透(Vortex)的理論，大約需要25特斯拉以上的磁場(chǎng);高溫超導(dǎo)體上臨界磁場(chǎng)的微觀表現(xiàn)，也需要大約45特斯拉的超高磁場(chǎng)。所謂工欲善其事，必先利其器，強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)下的掃描隧道顯

3、微鏡。然而現(xiàn)在能在磁場(chǎng)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(zhǎng)一段路要走。所以如果想要在超高磁場(chǎng)中探測(cè)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(yùn)行時(shí)會(huì)有巨大的水流震動(dòng)（是普通掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。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(bào)道。
　　合肥強(qiáng)磁場(chǎng)中心目前已經(jīng)有一臺(tái)水冷磁體正式投入實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，它的最高場(chǎng)強(qiáng)可以達(dá)到27特斯拉，中心孔徑為32mm，是中國首臺(tái)水冷磁體。明年年底將建成中國第一臺(tái)混合磁體，預(yù)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)將達(dá)到45特斯拉。我們就針對(duì)這臺(tái)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(dòng)外，如此小的孔徑也是一大難點(diǎn)。對(duì)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(qiáng)。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(huì)直接關(guān)系到隧道電流的穩(wěn)定性，因此一個(gè)適用于惡劣環(huán)境的掃描隧道顯微鏡必須配有一個(gè)優(yōu)秀的步進(jìn)馬達(dá)。這個(gè)馬達(dá)應(yīng)該同時(shí)具備以下這些性質(zhì):1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因?yàn)樵胶?jiǎn)單就越可靠;2.盡量低的控制電壓，因?yàn)榻档涂刂齐妷簳?huì)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(qiáng)

6、，剛性是衡量震動(dòng)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(gè)適用于惡劣環(huán)境的掃描隧道顯微鏡鏡體，我們獨(dú)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(gè)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(gè)馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是:機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、剛性強(qiáng)、行程不受限制。這款顯微鏡還表現(xiàn)出了超強(qiáng)的剛性和抗震

7、動(dòng)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(diǎn)，這款顯微鏡非常適合用于一些大震動(dòng)、大噪音、強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境中。掃描所用所用周邊電路如前級(jí)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(jì)制作。該文章已被Scanning雜志接收。
　　在第三章中，我們針對(duì)中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心4號(hào)水冷磁體（中心孔徑32mm，最高場(chǎng)強(qiáng)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(jī)制，整個(gè)減震架的共振頻率小于3Hz，并且對(duì)鏡體采用了三級(jí)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(diǎn)，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(duì)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(shí)驗(yàn)室獨(dú)創(chuàng)的馬達(dá)-掃描頭分離技術(shù)，使得馬達(dá)的干擾信號(hào)不能傳入隧道信號(hào)中，改進(jìn)了成像質(zhì)量。最終，我們?cè)诖朋w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(chǎng)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(chǎng)

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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因?yàn)?1.混合磁體的震動(dòng)和水冷磁體是一個(gè)量級(jí)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(jì)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(diǎn)是:1.同時(shí)具有剛性強(qiáng)、推力大的特點(diǎn)，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(zhǎng)度的限制。3.尺寸小，四個(gè)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(gè)鏡體的最終直徑為16mm。4.工作溫區(qū)大，因?yàn)閺椈善膹椓κ情L(zhǎng)作用范圍力，所以即使在溫度變化很大也不會(huì)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(duì)于針-樣品逼近非常重要。我們還定義了一個(gè)所有摩擦力