收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

超快与强磁场扫描隧道显微镜研制

李全锋  
【摘要】:扫描隧道显微镜(STM)具有极高的空间分辨率,可以用来表征材料表面的局域电子态密度、并与理论相验证,因此在表面科学的诸多领域发挥了独一无二的作用。但当用于在一些极端环境中时,STM仍需要深入的开发和研制。 目前,强磁体和强磁场科学与技术得到飞速的发展,并且因为材料内部电子和原子核均具有磁矩,所以当这些材料被放在强磁场中时,将不可避免地要受到作用,显现出一些新的特性(而这些新特性产生的机理通常是不知道的)。因而发展强磁场下面的STM科学研究前景广阔。 但目前的STM多数仅能在较低的磁场下工作;且多是在准静态的条件下进行。虽然静态的STM能探测到很多重要的物性信息,但现实环境毕竟很多是动态的、恶劣的(化学反应、材料生长、变温变场等动态现象,以及由这些动态现象引起的环境恶化)。因此,在动态进程中进行原子分辨率成像、甚至非原子分辨率成像,意义均非常重大。因此在导师的指导下,我在博士期间分别对超快速STM(研究动态进程、追踪动态原子,并将恶劣环境的影响减到最小)和强磁场下的STM进行了开发研制。 首先,为了极大地提高STM的成像速度,研制出国际上最快速的高清晰原子分辨率STM。我找出了制约传统快速STM成像速度加快的主要问题:①.传统的数据输出、采集方法导致数据采集卡的有效采样率远低于名义采样率,进而难以输出和采集到足够多的数据点(像素),用于控制扫描器和成像;②.传统的扫描器使用的是多晶压电陶瓷器件,造成扫描器的机械品质因子很低、动态特性很差;③传统的隧道结控制器均是被高压放大器驱动,高压放大器的高电子学噪音会使隧道结的不稳定性增大,影响测量精度。因此,我认真分析这些问题,并提出了解决方案:①.把传统STM的数据输出、采集模式“测完一点后移到下一点”改变为新的模式“盲扫-盲采”,有效采样率大大提高;②.以单晶材料制成的石英音叉(共振频率很高,可以达到24千赫兹甚至更高)作为快速扫描器,取代传统的多晶压电陶瓷,使扫描器的品质因子大大提高,且音叉的结构使介电常数很低的石英具有了较大的形变(振幅)用于扫描样品成像;③采用低电压元器件控制隧道结间距和扫描器,使系统的噪音大大降低、成像质量大大提高。 其中“盲扫-盲采”是指:用独立的控制器(信号发生器)激励石英音叉扫描,而数据采集卡仅负责采集扫描电压和隧穿电流数据,在控制器驱动和数据采集之间没有控制程序上的依次等待和切换,因而充分利用了数据采集卡的采集能力。我最终仅使用一个普通的520千赫兹采样率的数据采集卡和不足一元钱的石英音叉就完成了国际上最高成像速度的超越:获得了2.6万行每秒的超快成像速度,且图像中的原子清晰可见。远远超过了以往文献记录中的了1万行每秒的成像速度,甚至也超过了所选用的石英音叉振子系统的共振频率(24千赫兹),这将十分有利于在很低操作电压下获得较大扫描范围(音叉在共振频率处的振幅最大。)。而且,石英音叉的高性能、廉价、来源广;以及低电压操作的低噪音、低成本,使得我们的实验方法不仅可以获得极高的测试性能、而且具有极高的推广应用价值。该工作已发表于美国物理学会的科学仪器评论上(Rev. Sci. Instrum.82,053705(2011)),并获得同行的高度认可。 其次,为了研究材料在强磁场环境中的特性,我还成功开发出了在18特斯拉强磁场下性能优异的STM。在磁感应强度方面与文献记载的原子分辨率成像的最高场齐平,而且还具有很多其它方面的突出性能:①20飞安前放电流分辨(使扫描近绝缘样品成为可能)、②可大范围搜索样品(毫米量级)、③全低电压可工作的系统(噪音小、速度快)、④最强磁场、低温、高真空下的原子分辨率STM。该工作已发表于美国物理学会的科学仪器评论上(Rev. Sci. Instrum.82,053705(2012)),同样获得审稿人的高度好评。 为了能够使STM在超高强磁场/强磁体中的性能更优异,我在以下几点做出了突破:①.协助导师设计订制了一款无液氮冷屏的超安静18/20特斯拉超导磁体(4.2K温度时18特斯拉;2.2K温度时20特斯拉,液氦每天的蒸发量为4.8升)。减少了常见超导磁体外杜瓦冷屏中的液氮蒸发引起的磁体震动,净化了STM的测试环境。②.独立设计出了可以插入超导磁体52.8毫米内孔径的插件,并获得了良好的测试效果。设计过程中充分考虑了所用材料的磁导率、热导率、脱气率、加工工艺、硬度等,使其满足强磁场兼容性、低温兼容性、超高真空兼容性、加工工艺的兼容性(再优秀的工件设计,如果加工不出来也是废纸一张)、真空密封的兼容性等。③.与组内的侯玉斌合作,将其设计的10飞安电流分辨率前置放大器成功优化应用于强磁场/强磁体STM中,获得了20飞安的电流分辨率、并在18特斯拉强磁场中测到了清晰的原子分辨率图像。④.与组内王琦合作,开发出了可在低温、强磁场、超高真空环境中“低电压步进”的“双内电极压电陶瓷管”马达,最低工作电压仅9伏、并具有横向的搜索功能。“低电压操作”减少了与强磁场和被采集信号间的干扰,因而降低了信号线内的噪音、提高了仪器的精度。⑤.与组内人员共同设计搭建了一个磁体减震消声装置,包括弹簧、重物的隔振;阻尼橡胶垫的吸震;隔音箱的声波反射;以及多孔海绵尖劈的吸音等,为STM成像测量提供了稳定可靠的外部环境。⑥.熟练掌握了超导磁体维护、升降磁场操作、低温操作、超高真空操作、STM测试操作的每一个细节,在方方面面保证了STM测试系统的协调、优化。 最后,我还将我负责的强磁场下面的STM系统,成功优化成为了一个国际首次的三合一组合显微镜系统(SMA)[STM-磁力显微镜(MFM)-原子力显微镜(AFM)]。在镜体和腔体的结构布局、走线等方面进行了与MFM、AFM相兼容的优化设计。 18特斯拉强磁场下STM系统的成功完成,为该平台中的其它两个显微镜的顺利完成奠定了良好的基础:①.良好的减震消声环境。STM隧穿电流的作用距离在一纳米以内,与AFM的原子间作用力距离相近,并远小于MFM的长程磁力作用范围(几十纳米)。说明该平台满足AFM的测试环境要求、远好于MFM的测试环境要求。②.低电压步进的压电马达,同时也给AFM和MFM的测量带来了低噪音、高精度的优势。③.为插件系统在强磁场/强磁体中的低温、超高真空、强磁场/强磁体操作积累了丰富的经验,使得MFM与AFM的开发仅需将零场下的系统拿来调试即可。 目前,我与组内的施益智共同努力,在半年的时间内成功调试出了10特斯拉国际最高磁场下的高清晰MFM的录像带磁畴图像,观测到磁畴随磁场强度明显的变化,该工作已整理成文章发表,目前正在审稿中。强磁场/磁体下的AFM正在由侯玉斌负责调试过程中,进展顺利。整个SMA组合显微镜状态良好。SMA组合显微镜的的重要性体现在三个显微镜可以优势互补,可以对样品表面的电子态密度、磁畴分布、原子结构等信息进行同时、同位、同环境的测量,对样品物性进行充分的解读。 由于音叉扫描器的低温、强磁场、超高真空的兼容性,强磁场下的超快速成像也将在不远的将来成为现实。 最终,我以第一作者身份发表两篇归入科大SCI二区的文章,而且两个工作都获得同行和审稿人的高度好评:(1)由于我的超快速STM工作,我的导师获邀在国际最大科技图书出版商之一的TaylorFrancis的新书‘'Fundamentals of Picoscience"(《皮米科学基础》)中撰写一章:Atomic-Resolution Ultrafast Scanning Tunneling Microscopy;(2)我的强磁场下的高性能STM研制工作得到审稿人的评价是:"The instrument is certainly cutting edge in the field of scanning probe microscopy "。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 戴道宣;扫描隧道显微镜[J];物理;1985年04期
2 黄桂珍,戴长春,陈增波,刘杰三,张文信,白春礼;计算机控制的扫描隧道显微镜[J];物理;1989年06期
3 王林;韦钰;;扫描隧道显微镜的开发与计算机化[J];东南大学学报(自然科学版);1992年06期
4 ;高分辨率扫描隧道显微镜[J];光学仪器;1992年03期
5 夏国鑫;;扫描隧道显微镜和原子力显微镜[J];光学仪器;1992年04期
6 李成基,李韫言,商广义;扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜联用装置[J];分析测试技术与仪器;1999年01期
7 刘桂芬,钟宏杰,杨学恒;STM·IPC-205B型扫描隧道显微镜的技术与应用[J];微纳电子技术;2003年06期
8 姜宇;徐送宁;;扫描隧道显微镜探针针尖的制作[J];中国高新技术企业;2008年09期
9 杜文峰,刘锴,葛四平,赵汝光;色氨酸分子在石墨表面吸附的扫描隧道显微镜研究[J];北京大学学报(自然科学版);2005年03期
10 阮理科,黄桂珍,白春礼;裂解石墨单色器的扫描隧道显微镜研究[J];真空科学与技术;1990年05期
11 ;新型的全自动、大范围、袖珍型扫描隧道显微镜研制成功[J];清华大学学报(自然科学版);1992年01期
12 李文菊,张鸿海,师汉民,陈日曜;STM式三维nm级轮廓仪的研究[J];华中理工大学学报;1996年07期
13 周学夫,张鸿海,曹伟,李文菊;扫描隧道显微镜数字控制及图像系统[J];仪器仪表学报;1995年S1期
14 辛洪政,彭光含,杨学恒;高精度IPC-205B型扫描隧道显微镜的设计及应用[J];重庆大学学报(自然科学版);2004年10期
15 ;SSX-A型扫描隧道显微镜[J];国外科学仪器;1989年04期
16 李春明,方鸿生,冯庆玲,郑燕康, 严隽珏;Cu-Zn-Al合金贝氏体组织的扫描隧道显微镜研究[J];中国有色金属学报;1995年01期
17 姜宇;徐送宁;;扫描隧道显微镜探针利用石墨表面扫描图像的分析[J];中国高新技术企业;2008年10期
18 ;眼镜、放大镜、显微镜及显微术[J];中国光学与应用光学文摘;1996年03期
19 ;高分辨扫描隧道显微镜研制及在生命科学中的应用进展[J];大连理工大学学报;1997年S2期
20 ;眼镜、放大镜、显微镜及显微术[J];中国光学与应用光学文摘;1997年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 沈学浩;叶曦;;浅谈教学型扫描隧道显微镜的使用与维护[A];第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集(下册)[C];2010年
2 苗新蕊;许莉;査宝;邓文礼;;范德华力和偶极作用竞争诱导分子自组装结构的形成[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
3 时东霞;宋延林;张昊旭;何声太;江鹏;解思深;庞世瑾;高鸿钧;;扫描隧道显微镜在单体有机薄膜上的纳米信息存储[A];2001年纳米和表面科学与技术全国会议论文摘要集[C];2001年
4 刘宁;杨海强;马自力;高鸿钧;薛增泉;庞世瑾;;用STM在Si(111)7×7表面进行“有序移植”[A];第四届全国STM学术会议论文集[C];1996年
5 黄甜;胡振芃;王兵;王海千;侯建国;杨金龙;;螺吡喃分子在Au(111)表面的手性表达[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
6 李志扬;黄光明;刘武;李兴教;;三种不同结合能Λ′、Λ、Λ_(eff)与STM场蒸发的关系[A];第五届全国STM学术会议论文集[C];1998年
7 方胜;张朝晖;盖峥;赵汝光;杨威生;;纳米结构可重入扫描隧道显微镜系统的研制[A];第五届全国STM学术会议论文集[C];1998年
8 王永锋;叶迎春;吴凯;;CuPc在金红石TiO_2(110)和TiO_2(210)表面的吸附与组装[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
9 马立平;高鸿钧;宋延林;赵文斌;陈慧英;薛增泉;庞世瑾;;利用扫描隧道显微镜研究腈基-苯基-脲聚合物膜的表面结构[A];第四届全国STM学术会议论文集[C];1996年
10 刘安伟;禹国强;杨勇;胡小唐;;扫描隧道显微镜图像重建的研究[A];第五届全国STM学术会议论文集[C];1998年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谢楠;超快激光耦合扫描隧道显微镜的研制和功能化材料的研究[D];南开大学;2013年
2 李全锋;超快与强磁场扫描隧道显微镜研制[D];中国科学技术大学;2012年
3 陶伟;扫描探针显微镜的研制与极端条件下电子关联材料的磁性研究[D];中国科学技术大学;2013年
4 张超;不同衬底上分子的扫描隧道显微镜诱导发光研究[D];中国科学技术大学;2011年
5 陶兴;扫描隧道显微镜诱导发光的理论研究[D];中国科学技术大学;2011年
6 高洪营;扫描隧道显微镜诱导的金属表面有机分子多层膜发光研究[D];中国科学技术大学;2011年
7 耿锋;扫描隧道显微镜诱导分子发光中的脱耦合调控研究[D];中国科学技术大学;2012年
8 陈留国;扫描隧道显微镜诱导发光中的光学检测和单分子发光研究[D];中国科学技术大学;2011年
9 陈佳宁;纳米结构的增强拉曼散射光谱研究[D];大连理工大学;2008年
10 崔雪峰;金红石型TiO_2(110)表面扫描隧道显微术研究[D];中国科学技术大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘柳;扫描隧道显微镜调制的金属表面原子操纵的理论研究[D];沈阳师范大学;2012年
2 胡蔚;Ag/Si低维结构的扫描隧道显微镜研究[D];厦门大学;2014年
3 刘安平;IPC-205B型扫描隧道显微镜的成像研究及其性能分析[D];重庆大学;2005年
4 刘济春;IPC-208B型原子力显微镜的镜体设计及其应用[D];重庆大学;2005年
5 李小飞;基于DSP的数控扫描隧道显微镜研制[D];华中师范大学;2007年
6 李旭;IPC-208BJ型原子力显微镜的硬件系统改进及其在生物学方面的应用研究[D];重庆大学;2005年
7 樊英民;低温扫描隧道显微镜部分电子电路的研制[D];西北大学;2008年
8 李亿保;表面二维超分子自组装结构和性质的研究[D];赣南师范学院;2008年
9 伏明明;大范围、高深—宽比扫描隧道显微镜技术研究[D];浙江大学;2010年
10 徐敬军;AlPdMn准晶体5次面表面形貌[D];东北大学;2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 毛庆;1G硬盘有望存储100G信息[N];南京日报;2010年
2 本报记者 李山;微观世界魅力无限[N];科技日报;2010年
3 本报记者 张巍巍;追寻字母的纳米世界[N];科技日报;2009年
4 本报记者 李山;把看家宝贝拿出来晒[N];科技日报;2010年
5 本报记者 杨洁 整理;黄德欢:硅谷家喻户晓的“科技新贵”[N];抚州日报;2009年
6 本报记者 苏琳;求索相伴寻至乐[N];经济日报;2010年
7 刘霞;特定情况下电子变重之谜破解[N];科技日报;2010年
8 孝文;科学家首次拍到病毒照片[N];江苏科技报;2009年
9 本报记者 蒋建科 中科院物理所在读博士 颜世超;自主尖端仪器为何难觅[N];人民日报;2010年
10 王璐 白春礼 (本报记者 王璐);于至微处寻至远[N];经济日报;2009年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978