掃描探針顯微鏡的研制與極端條件下電子關(guān)聯(lián)材料的磁性研究.pdf

1、基于量子隧穿原理的掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡寫為STM）因為具有對導電樣品表面原子級別的空間分辨能力，在表面科學與納米科學領(lǐng)域得到了廣泛的應用。例如，人們利用掃描隧道顯微鏡開展對超導樣品表面電子序的研究，在低溫環(huán)境下對原子進行人工移動和操控，對溶液中樣品進行開展化學方面的研究等等。值得注意的是，利用掃描隧道顯微鏡進行研究的樣品在尺寸上常常是較為微小的，很多是在微米甚至納米級別的。這就對

2、掃描隧道顯微鏡的應用帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因為要想進行掃描測試首先就得把細長的STM探針對準到微米或者納米級別樣品的表面。
　　 在極端條件如超高真空、低溫、極低溫和強磁場等環(huán)境下面，很多材料表現(xiàn)出了一些非常奇異的物理性質(zhì)，如超導、量子霍爾效應、德哈斯-范阿爾芬效應和量子相變等等。因此，搭建一臺能夠在低溫強磁場條件下工作的掃描隧道顯微鏡已成為世界上很多研究小組的研究項目。目前，世界上一些小組已經(jīng)研制出了能夠在磁場環(huán)境中工作的掃描隧道

3、顯微鏡，但是磁場強度不是很高（很多小組的最大可工作磁場在10T左右），這大大限制了STM的應用范圍。
　　 磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscope，簡寫為MFM）是一種利用微懸臂的動力學原理對磁性樣品的表面磁結(jié)構(gòu)梯度進行表征的儀器。在研究磁性材料方面得到了廣泛的應用，現(xiàn)在幾乎成為一種常規(guī)的物性表征手段。但低溫強磁場條件下面的磁力顯微鏡依然很少，因為放入磁體環(huán)境中會面臨很多問題，比如磁體中心的孔徑較小，不適

4、合放入外徑過大的鏡體;磁體本身會帶來很多信號的干擾等等。
　　 針對以上的問題和現(xiàn)狀，博士期間，在老師的精心指導下我的主要工作有以下幾部分:
　　 首先，通過對掃描隧道顯微鏡對準微小樣品測量時所遇到難點的認真分析，我精心設(shè)計并開發(fā)了一款能夠?qū)ξ⑿悠愤M行定位并掃描成像的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。利用該STM系統(tǒng)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對十幾至幾十微米大小樣品的一次性精確定位并掃描成像，克服了以前用STM測量小樣品方面的諸多不足。由于很多

5、人們感興趣的樣品尺寸往往都比較小，很多是在微米量級的，比如最近比較熱門的石墨烯材料、一些重要的微晶樣品、電子裝置（如磁隧道結(jié)、碳納米管晶體管等）等等;因而我們的這款顯微鏡具有非常重要的應用方面價值。
　　 目前，世界上用STM測量微小樣品常用的方法有:(1)利用馬達使得探針盲目地向微小樣品步進，經(jīng)過多次嘗試直到探測到指定的樣品(2)使用一臺具有大范圍搜索功能的掃描隧道顯微鏡。(3)使用掃描隧道顯微鏡-掃描電子顯微鏡(STM-SE

6、M)組合鏡體，或者掃描隧道顯微鏡-透射電子顯微鏡(STM-TEM)組合鏡體。無疑，這些方法的缺點是很明顯的:或者是比較耗時耗力、效率低（方法1和2），或者是結(jié)構(gòu)比較復雜且兼容性比較差，不能進一步在強磁場等極端環(huán)境中測量（方法3）等等。
　　 相比較于上面幾種方法，我們設(shè)計的這臺STM有以下幾大優(yōu)勢:(1)可以實現(xiàn)對微小樣品的一次性精確定位。鏡體采用了分體式掃描結(jié)構(gòu)，對準結(jié)構(gòu)的核心部分是一包含了針、樣品和掃描管的軟隧道結(jié)力學回路。

7、該力學回路上的小掃描管四個外電極負責對樣品的兩維平面內(nèi)的掃描，內(nèi)電極用來調(diào)節(jié)隧道結(jié)的間距。該回路可以自由移動，首先在光學顯微鏡下面把探針對準到樣品上面之后，用銀膠粘到一個三角形形狀的滑塊上面，再移置到鏡體的步進掃描管頂端的三個藍寶石珠構(gòu)成的平面上。(2)全低壓步進，減少了高壓步進時對隧道電流信號的干擾。滑塊的粗逼近采用了慣性原理和“探-甩”結(jié)合機制。先在掃描管上面施加一緩慢變大的電壓使得掃描管向前探出，滑塊由于靜摩擦力作用會跟著前探。倘

8、前放電壓大于0.2V則粗逼近過程終止，滑塊停止步進。如果電壓不大于0.2伏，則滑塊快速撤回到自然狀態(tài)，緊接著給掃描管施加一個尖峰信號，滑塊由于慣性作用會向前甩出一小步。粗逼近完成后，通過手動調(diào)節(jié)針樣品之間間距執(zhí)行細逼近，最后進行掃描成像。(3)兼容性好，可以方便地移植到低溫強磁場中測量。由于我們的對準結(jié)構(gòu)（軟隧道結(jié)力學回路）是獨立于步進結(jié)構(gòu)的，因而在把探針對準到了樣品之后，可以直接放到低溫STM鏡體里，然后移植到我們實驗室購買的強磁體(

9、18/20T)中進行測量。
　　 我們的實測結(jié)果表明該款顯微鏡具有非常高的定位精度、信號穩(wěn)定性和測量重復性。高質(zhì)量的小石墨樣品原子圖像在一個月之后依然能很容易地掃描得到。實測的隧道電流譜的e指數(shù)關(guān)系曲線也同時表明了該鏡體的隧道結(jié)力學回路良好的穩(wěn)定性。相關(guān)的詳細鏡體結(jié)構(gòu)與實驗測量結(jié)果得到了審稿人的高度評價，已經(jīng)發(fā)表在了SCI二區(qū)期刊Review of Scientific Instruments上面。
　　 此外，利用該鏡

10、體高質(zhì)量的成像能力，在王霽浩的協(xié)助下我們迄今第一次發(fā)現(xiàn)了電流對石墨烯的晶格點陣具有顯著的調(diào)制效應。清晰的原子精度圖像表明石墨烯樣品在未加電流和施加電流之后的晶格點陣有明顯差異。
　　 其次，我和實驗室已經(jīng)畢業(yè)的博士生李全鋒，以及實驗室的副研究員侯玉斌還完成了組合顯微鏡鏡體中的掃描隧道顯微鏡部分（簡稱為SMA掃描隧道顯微鏡）在低溫強磁場下（磁場高達18/20T）的項目驗收工作。我們成功獲得了在磁體插件上的前置放大電路的12fA電流

11、分辨率測量和18T強磁場下面石墨原子圖像的測量。前者要高于李全鋒已經(jīng)發(fā)表在科學儀器評論期刊上相同條件下的測量數(shù)據(jù)(20fA，迄今世界已發(fā)表的最高紀錄)，遠高于世界上別的研究小組的最高電流分辨率(49fA)，為進一步在低溫強磁場下面進行絕緣體的STM測量奠定了堅實的基礎(chǔ)。
　　 組合顯微鏡是由三種顯微鏡——掃描隧道顯微鏡、磁力顯微鏡和原子力顯微鏡集成于一個鏡體中的兼具三種不同功能的顯微鏡系統(tǒng)。利用組合顯微鏡我們可以實現(xiàn)利用三種各不

12、相同的表面表征手段對同一塊樣品的同一個位置的性質(zhì)研究。我們這臺低溫強磁場STM具有以下幾大優(yōu)勢:(1)具有目前世界上同等條件下最高的電流分辨能力(12fA)，使得在低溫磁場下測量絕緣體樣品成為可能;(2)20T的石墨原子圖形是世界上磁場情況下測量的最高紀錄，與當前世界上最高紀錄相持平。但是，與現(xiàn)有紀錄的18T條件下的紀錄相比較，我們的強磁場18T STM具有明顯的幾大優(yōu)點:首先，樣品測量環(huán)境是低溫環(huán)境，我們的鏡體插件是直接浸泡在液氦中的

13、，利用該鏡體可以直接進行低溫強磁場環(huán)境下的樣品測量。相比之下，目前最高紀錄的18T圖像是在室溫環(huán)境下面的成像。其次，鏡體馬達步進掃描管較為短粗并且采用了內(nèi)電極分割技術(shù)，使得即使在液氦環(huán)境下馬達低電壓就可行走（最低啟動電壓為6伏），從而大大減低了低溫下面步進信號對隧道電流信號的耦合干擾。第三，我們自創(chuàng)和設(shè)計了一系列隔振消音措施和工件，大大降低了外界干擾對測量的影響。對整個磁體裝置采用了彈簧懸吊，同時磁體周圍包裹了多層吸音海綿;整個掃描隧道

14、顯微鏡鏡體材料一律用無磁材料加工而成，通過彈簧懸吊于磁體插件上，大大降低外界干擾（如液氦揮發(fā)，磁場梯度不均勻性等），同時又可隨意拆卸，便于操作，兼容性好。
　　 對電流分辨率的測量，我們通過使用一阻值高達100G的大電阻來模擬隧道結(jié)電阻，通過改變輸入電壓來模擬隧道電流變化。在實際的位于磁體插件頂部的前置放大電路的輸出端口測量當輸入端的隧道電流改變時輸出電壓的變化。通過高斯擬合最終知道我們的前放最高電流分辨率12fA。驗收專家組給

15、予了我們項目極高的評價:“……該系統(tǒng)的成功研制，不但填補了國內(nèi)在高靈敏、超強磁場極端條件掃描隧道顯微鏡研制方面的空白，而且在國際上還首次實現(xiàn)了全低壓、最高電流分辨率（12fA）……，將對推動材料科學、凝聚態(tài)物理等相關(guān)學科的發(fā)展發(fā)揮重要的促進作用……”。
　　 此外，我還對一款能夠把樣品溫度精確降到液氦溫度和具有切割樣品功能的掃描隧道顯微鏡鏡體進行了初步測試，利用磁體插件的STM電路系統(tǒng)對高序熱解石墨進行了成像，并且獲得了良好的隧

16、道電流譜線與原子分辨率圖像，為下一步在低溫強磁場中的切割樣品測試奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 第三，我利用實驗室去年已畢業(yè)博士生施益智同學調(diào)試成功的組合顯微鏡鏡體中磁力顯微鏡部分對La(5/8-x)PrxCa3/8MnO3單晶薄膜樣品進行了極端環(huán)境下的磁疇結(jié)構(gòu)測量。我們在La(5/8-x)PrxCa3/8MnO3薄膜這種材料中非常直觀地證實了該體系中確實存在著電子相分離現(xiàn)象，F(xiàn)M相與絕緣相在一定的溫度區(qū)間共存，并且鐵磁性區(qū)域的比例隨