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我國(guó)在無(wú)液氦低溫掃描探針顯微鏡研制方面取得進(jìn)展

2023-09-22 10:11:33來(lái)源：化工儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：掃描探針顯微鏡閱讀量：6558

　　近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心研究團(tuán)隊(duì)在新一代無(wú)液氦低溫掃描探針顯微鏡研制方面取得成果，成功研制了一套無(wú)液氦亞3K低溫掃描探針顯微系統(tǒng)。研究成果以“無(wú)液氦亞3 K低溫掃描探針顯微鏡的研制”為題，于2023年9月6日發(fā)表在《科學(xué)儀器評(píng)論》上。

　　在凝聚態(tài)物理研究中，低溫環(huán)境扮演著非常重要的角色，是對(duì)多體系統(tǒng)中強(qiáng)相互作用的復(fù)雜行為開(kāi)展深入研究的必要條件。目前低溫環(huán)境重要依賴于液氦提供。然而液氦是一種非常稀缺且昂貴的資源，隨著液氦資源日趨緊張，發(fā)展無(wú)液氦制冷技術(shù)勢(shì)在必行。磁共振成像、超導(dǎo)磁體等儀器設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)液氦化，而在掃描探針顯微系統(tǒng)(SPM)上，一方面單級(jí)制冷的基礎(chǔ)溫度僅能達(dá)約5 K水平，另一方面制冷劑需要安裝在掃描單元附近，其震動(dòng)對(duì)成像有顯著影響。因此低溫SPM的無(wú)液氦化仍然面臨著較大困難。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心郇慶研究團(tuán)隊(duì)(N13組)和高鴻鈞院士研究團(tuán)隊(duì)(N04組)長(zhǎng)期合作，在掃描探針顯微鏡技術(shù)上取得過(guò)多項(xiàng)重大突破。為解決無(wú)液氦低溫SPM技術(shù)，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科艾科米(北京)科技有限公司、北京飛斯科科技有限公司、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的研發(fā)人員經(jīng)過(guò)幾年攻關(guān)，終于成功研制出了無(wú)液氦亞3K低溫SPM系統(tǒng)。

　　據(jù)介紹，該系統(tǒng)將低頻大幅震動(dòng)的制冷機(jī)安裝在遠(yuǎn)端的獨(dú)立制冷腔體，解決了目前無(wú)液氦低溫掃描探針顯微鏡存在的兩方面問(wèn)題。在溫度上，實(shí)現(xiàn)了~2.8K的基礎(chǔ)溫度、接近±0.1mK的溫度穩(wěn)定性、小于10pm/h的溫度漂移，保證了穩(wěn)定的低溫環(huán)境。在震動(dòng)上，震動(dòng)水平約1pm，對(duì)成像的影響大幅減小。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠從低溫到室溫寬溫區(qū)內(nèi)連續(xù)變溫成像。

　　與現(xiàn)有的無(wú)液氦方案相比，該系統(tǒng)僅需少量氦氣(~10 L)即可實(shí)現(xiàn)3K以下基礎(chǔ)溫度，并可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，震動(dòng)水平與濕式系統(tǒng)相當(dāng)；利用此遠(yuǎn)端液化 4He方案預(yù)冷3He方便實(shí)現(xiàn)亞開(kāi)爾文范圍拓展；與強(qiáng)磁場(chǎng)、光學(xué)通路等其他物理環(huán)境的良好兼容性，顯著降低來(lái)自制冷機(jī)的電磁干擾；便捷地將現(xiàn)有濕式SPM系統(tǒng)改造為無(wú)液氦SPM，并可應(yīng)用在其他需求低溫且對(duì)振動(dòng)敏感的領(lǐng)域。

　　世界范圍內(nèi)的液氦短缺對(duì)部分依賴低溫環(huán)境運(yùn)行的儀器設(shè)備帶來(lái)了較大影響，這項(xiàng)研究成果采用創(chuàng)新的制冷技術(shù)，不僅徹底解決了現(xiàn)有無(wú)液氦SPM方案近端安裝制冷機(jī)的不足，還可應(yīng)用于其它需求低溫且振動(dòng)敏感的領(lǐng)域，如精密光譜測(cè)量、低維材料的微弱電學(xué)信息表征等，將助力我國(guó)減少對(duì)液氦資源的依賴。

　　資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院物理研究所

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