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中科院合肥研究院成功研制混合磁體掃描隧道顯微鏡
2020年06月16日 11:09:08
來源：中科院合肥研究院 點擊量：4886
近期，中科院合肥研究院強磁場中心陸輕鈾課題組在上首次研制成功混合磁體條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡(STM)，相關研究成果發表在顯微鏡領域著名期刊Ultramicroscopy和著名儀器刊物Review of Scientific Instruments上
【化工儀器網 科技前沿】近期，中科院合肥研究院強磁場中心陸輕鈾課題組在上首次研制成功混合磁體條件下原子分辨掃描隧道顯微鏡(STM)，相關研究成果發表在顯微鏡領域著名期刊Ultramicroscopy和著名儀器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作為利用混合磁體搭配STM開展原子分辨成像研究鋪平了道路，對于突破當前超強磁場下只能開展輸運等宏觀平均效果測量之瓶頸，進入到廣闊的物性微觀起源探索領域，具有標志性意義。
磁場是一種條件，對新物性的探索越強越好。磁場環境下，科研人員發現了許多重要的物理現象，包括整數量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、巨磁阻效應等。目前穩態磁場是通過混合磁體獲得的。由于混合磁體運行過程強振動的干擾，上只能應用其開展如輸運、磁性、磁光等宏觀平均效果的測量。但實空間原子分辨測量更接近于揭示物性的微觀量子起源，是宏觀測量完全不可替代的，在新的電子材料/納米材料、新物性、新理論探索中發揮決定性的作用。STM可以實現實空間原子分辨測量。
強磁場中心的混合磁體由一個內水冷磁體和大口徑的外超導磁體嵌套組成。其中，內水冷磁體的孔徑僅為32毫米，這為置入其內的STM設置了苛刻的空間限制，而外超導磁體的超大孔徑(低溫920毫米)又不可避免地產生巨大的雜散場，使得STM的電子學測量裝置需要放在距磁體中心8米遠的位置。除雜散場影響之外，內水冷磁體運行時冷卻水流帶來的強振動和聲音干擾也給STM的原子分辨測量帶來了極大的困難。在本工作之前，在混合磁體環境下能夠獲得原子分辨的STM測量未見有報道。
陸輕鈾課題組長期致力于惡劣條件下的STM研制工作，先后研制出了適用于狹小空間惡劣振動環境原子分辨成像的多種高剛性高穩定的緊湊型壓電馬達，并用其建成了多種惡劣條件原子分辨STM。在典型的狹小空間、強振動環境下，課題組近期已研制成功20毫米孔徑連續流液氦恒溫器 STM、水冷磁體(32毫米孔徑，27特斯拉)STM和干式(無液氦)超導磁體STM，均獲得了高質量的原子分辨圖像，相關成果分別發表于Review of Scientific Instruments 、Nano Research、和Ultramicroscopy上。
課題組基于小尺寸的Spider-Drive馬達，提出一種全新的管形粗逼近馬達和掃描成像單元一體化機械串聯型STM鏡體。其特點是主要采用藍寶石絕緣材料加工，外徑僅為8.8毫米。參考上述自主知識產權干式(無液氦)超導磁體STM設計，其通過二級減振插桿，可直接插入到混合磁體32毫米室溫磁體孔徑并真空密封。系統的探針-樣品逼近控制、掃描及數據采集等使用的都是自行研制的模塊化低噪音控制器。經過測試，課題組成功地在混合磁體30T超強磁場下獲得了石墨高品質原子分辨STM圖像。該窄空間兼容的插桿式混合磁體STM裝置可方便地移植到混合磁體適用的液氦恒溫器中，以開展超強磁場低溫研究。
同時，課題組又針對超強磁場下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室溫大氣環境下的分體式STM。該系統將一段螺紋密封式膠囊腔體通過一根長彈簧懸吊于混合磁體中心，并將STM核心鏡體懸吊于膠囊腔體內用以減弱聲音振動干擾。經測試，該STM在27.5特斯拉超強磁場下依然保持原子分辨。由于沒有真空、低溫環境的保護，搭建混合磁體超強磁場、超強振動和聲音環境下的室溫大氣STM難度更大。此前，上還未曾有水冷磁體或混合磁體中的室溫大氣STM被報道過。
該工作受到科技部、國家自然科學基金委、中科院合肥科學中心、中國科學院科學儀器專項資助。
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