多探針掃描隧道顯微鏡分(fēn)時複用切換技術研發進展

科學儀器的發展，不斷促進對新材料的探索，從而直接或間接影響各科技領域的方方面面。工(gōng)欲善其事必先利其器，深化與落實科學儀器的自主研發，更是科技攻關的橋頭堡。掃描隧道顯微鏡（STM），及一(yī)系列掃描探針顯微鏡（SPM） ：原子力顯微鏡（AFM）、掃描近場光學顯微鏡（SNOM） 等，掀起一(yī)場納米技術革命，廣泛應用于材料表面納米尺度局域電(diàn)子态、形貌以及分(fēn)子振動等豐富物(wù)性的研究。電(diàn)輸運性質作爲材料的關鍵參數，被廣泛關注。集成多個獨立STM的多探針STM系統，通過施加電(diàn)/力等調控手段，實現納米尺度、原位表征材料局域電(diàn)子态與局域電(diàn)輸運性質，有望加速後摩爾時代新器件的基礎研究。四探針 STM 可實現微觀體(tǐ)系的四端法測量，有效消除接觸電(diàn)阻帶來的測量誤差，獲得材料的本征電(diàn)導率。

圖1：分(fēn)時複用切換方案

多個獨立探針的協同操縱和成像，往往需要相同數量的多套STM控制系統。随着STM探針／壓電(diàn)驅動部件的增加，多探針控制系統的成本和複雜(zá)度急劇增加。因此，發展低成本、高效率、可擴展的通用控制解決方案，實現STM控制系統分(fēn)時操縱多個探針、乃至探針陣列的技術十分(fēn)必要。

圖2：分(fēn)時複用系統硬件設計

中(zhōng)國科學院物(wù)理研究所/北(běi)京凝聚态物(wù)理國家研究中(zhōng)心高鴻鈞研究團隊多年來一(yī)直緻力于掃描探針顯微學及其在低維量子結構方面的應用，在前沿科學研究取得一(yī)系列重要成果。同時，他們也在相關高精尖儀器自主研制方面不斷積累，奠定了紮實的基礎。物(wù)理所技術部郇慶/劉利團隊一(yī)直緻力于科研儀器設備的自主研發，與所内外(wài)多個課題組緊密合作，在核心關鍵部件、成套系統等方面取得了一(yī)系列成果（包括一(yī)台商(shāng)業化四探針系統的徹底升級改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】、光學-低溫掃描探針顯微鏡超高真空聯合系統【Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018)】和新一(yī)代高通量薄膜制備及原位表征系統【Review of Scientific Instruments 91, 013904 (2020)】的自主研制）。兩個團隊再次密切合作、聯合攻關，共同指導N04組博士生(shēng)嚴佳浩（已畢業，愛爾蘭科克大(dà)學博士後）、馬佳俊、王愛偉（已畢業，國家納米中(zhōng)心博士後）、馬瑞松（已畢業，物(wù)理所關鍵技術人才）等同學成功研制并搭建了一(yī)台多探針STM分(fēn)時複用切換系統，完成單個STM控制系統依次操縱多個探針在納米尺度下(xià)的成像與定位，以及維持探針位置後的局域電(diàn)輸運測量。該系統采用的核心思路爲研發團隊首次提出，軟硬件均完全自主研發，采用了ARM + DSP + FPGA多核數字平台來兼備複雜(zá)切換邏輯、多路高精度高速并行采樣與數據處理，涉及C/C++與Verilog HDL編程語言，并提供圖形操作界面以提高易操作性，具備多項獨特優點：1）單個探針内大(dà)、小(xiǎo)掃描管及多個探針間的無縫切換，無瞬态抖動；2）皮安級電(diàn)流切換；3）任意單個探針具備毫米級移動範圍與原子級空間分(fēn)辨；４）多個探針可無限靠近，最小(xiǎo)距離(lí)僅取決于針尖曲率半徑；５）原位、納米尺度、相同區域内，STM成像與電(diàn)輸運測量。

圖3：分(fēn)時複用切換系統軟件架構

該聯合研發團隊用６年多時間對系統進行了反複地設計優化和改進，并進行了全面性能測試。該研發成果所涉及的多項關鍵技術，如微弱信号的放(fàng)大(dà)與切換、高穩定電(diàn)壓保持、複雜(zá)控制邏輯等，是未來大(dà)規模探針陣列應用的重要技術基礎。分(fēn)時切換的核心思路具有可擴展性強、成本低廉的特點，有望在材料基因組研究高通量表征領域有廣泛的應用。

圖4：分(fēn)時複用切換系統部分(fēn)圖形用戶界面

該系統的詳細介紹發表在近期的《科學儀器評論》雜(zá)志(zhì)上【Review of Scientific Instruments 92, 103702 (2021); doi: 10.1063/5.0056634】。該工(gōng)作得到了中(zhōng)國科學院關鍵技術研發團隊項目(GJJSTD20200005)、國家自然科學基金國家重大(dà)科研儀器研制項目(11927808)和國家自然科學基金委青年基金項目(12004417)等的支持。

圖5：單STM探針空間定位

圖6：多探針切換與空間定位