低溫掃描隧道顯微鏡的研制與應(yīng)用.pdf

1、掃描隧道顯微鏡(STM)使人類第一次能夠直接地觀察到物質(zhì)表面的單個原子及其排列狀態(tài)，并且能夠研究其相關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，因此在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。很多材料在低溫條件下表現(xiàn)出一些新奇的物理性質(zhì)，如超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)、電荷密度波和量子相變等等，而掃描隧道顯微鏡因具有原子分辨率實空間成像能力，尤其適合用來研究這類材料的表面物性，因此搭建一臺能夠在低溫條件下工作的掃描隧道顯微鏡已經(jīng)成為世界上很多研究小組的研究項目。

2、盡管目前掃描隧道顯微鏡的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，但搭建一套低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)仍然面臨著許多的問題和挑戰(zhàn):(1)傳統(tǒng)的鏡體結(jié)構(gòu)設(shè)計往往把掃描頭直接固定在步進馬達上，因此不能消除步進馬達的不穩(wěn)定性對掃描頭的影響。(2)當(dāng)鏡體植入到低溫杜瓦里面時，一般要用很長的磁力桿深入到杜瓦底部才能對探針及樣品進行抓取和更換，這不僅增加了STM在垂直方向上的高度，使其受到樓層的限制，而且存在著損壞掃描管的風(fēng)險。(3)在真空條件下更換探針和樣品的機械

3、操作比較復(fù)雜，往往需要配合使用多種傳遞機構(gòu)才行。(4)專門為掃描隧道顯微鏡而定制一套低溫系統(tǒng)面臨著技術(shù)難度大、成本高的問題。
　　針對以上的問題和現(xiàn)狀，在老師的精心指導(dǎo)下，博士期間我的工作主要分為以下幾個部分:
　　1.研制了一套全新的低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。其中鏡體結(jié)構(gòu)采用馬達-掃描頭分離式設(shè)計，使掃描頭在成像時不受步進馬達的干擾，因此大大提高了隧道結(jié)的穩(wěn)定性。采用全新的旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)傳遞鏡體，不僅節(jié)約了STM在垂直方向上的

4、高度，使其不受樓層的限制，而且這種轉(zhuǎn)輪式的傳遞機構(gòu)相比于使用剛性的長桿更加簡單可靠。通過同軸化的機械設(shè)計，只需要一根橫向的磁力桿就能實現(xiàn)快速地對探針和樣品進行傳遞與更換。我們采用商業(yè)的液氦杜瓦作為低溫恒溫器，通過自制的低溫腔體對鏡體進行降溫，降低了設(shè)計成本。目前，這套顯微鏡的研制工作已在著名的儀器類雜志Rev.Sci.Instrum.上發(fā)表。利用這套顯微鏡我們觀察到了石墨晶界附近奇異的電子態(tài)結(jié)構(gòu)，為解釋這些特征，我們提出了集體干涉模型，

5、該模型能夠定量地模擬石墨下層原子對表面電子態(tài)的影響，該項工作已在Carbon雜志上發(fā)表。
　　2.為了進一步提高掃描隧道顯微鏡的機械穩(wěn)定性，我們研制了一款緊湊而剛性的鏡體，它的主要特色是利用了一個內(nèi)壁拋光的藍寶石導(dǎo)向管作為掃描頭的導(dǎo)軌，從而形成了較短的探針到樣品的機械回路。該導(dǎo)向管里面是一個被彈簧片夾持的方形滑桿，而掃描頭安裝在該滑桿上。這種設(shè)計使得掃描隧道顯微鏡整體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊和剛性，同時藍寶石良好的熱導(dǎo)率又有利于提高顯微鏡的

6、熱穩(wěn)定性。我們利用該鏡體做成了一套插桿式低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。通過剛性固定的方式對鏡體進行降溫，使其最低溫度可到4.2K，并且我們可以在低溫下對樣品進行解理。這套低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)保留了基本的測量功能，操作簡單方便，可以移植到任何口徑大小合適的液氦磁體當(dāng)中。
　　3.基于Labview程序搭建了一套掃描隧道顯微鏡的控制軟件，該軟件能很好地實現(xiàn)馬達步進、掃描成像、測譜以及快速保存數(shù)據(jù)的功能。利用該軟件，我們得到了高質(zhì)量的圖像數(shù)

7、據(jù)，證明了該軟件的可靠性。另外，它能夠靈活地移植到其他各種掃描探針顯微鏡中使用，具有很好的兼容性。
　　4.研制了一款新型的掃描探針顯微鏡的粗步進裝置，解決了慣性壓電馬達的輸出力和啟動電壓之間的矛盾。在傳統(tǒng)的慣性壓電馬達中，滑桿的最大靜摩擦力就是馬達的最大輸出力，而滑桿的摩擦力往往是不可控的，如果滑桿摩擦力過大，就只有增大電壓才能驅(qū)動馬達行走。而我們設(shè)計的這款慣性壓電馬達能夠?qū)瑮U的摩擦力進行控制，使滑桿在伸長時受到的摩擦力不變，