低温真空近场扫描探针显微镜

低温在凝聚态物理研究中扮演越来越重要的角色，是对多体系统中强相互作用的复杂行为开展深入研究的必要条件。随着液氦资源的日趋紧张和无液氦制冷技术的不断发展，基于无液氦制冷的设备将逐步成为低温科研仪器的主流方向。迄今为止，磁共振成像、超导磁体、综合物性测量系统等诸多仪器设备已实现了无液氦化。然而，具有亚原子分辨能力的扫描探针显微系统（SPM）对震动水平的要求极为苛刻，因此实现无液氦闭循环制冷技术在低温SPM领域的应用面临挑战。近十年来，世界上多个团队和公司尝试将制冷机安装在扫描单元附近实现无液氦低温SPM，而单级制冷的基础温度仅能达约5K水平，且制冷机震动对成像的影响仍然显著。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郇庆研究团队（N13组）致力于高端科研仪器的研发与应用，在真空、低温、材料制备等领域核心关键部件、成套系统、电路控制系统方面取得了系列成果。高鸿钧院士团队（N04组）多年来致力于扫描探针显微学及其在低维量子结构方面的应用，在前沿科学研究取得一系列重要突破。N13组和N04组长期合作，陆续在尖端科研仪器装备自主研发方向取得一系列重要进展：一套商业化四探针SPM系统的彻底改造、超高真空光学-低温扫描探针显微镜联合系统的研制和应用于多探针显微镜的分时复用电路系统等。合作团队再次“仪器”携手，攻关新一代无液氦低温SPM技术。该研究研制了一套无液氦亚3K低温SPM系统。这一系统颠覆了现有无液氦SPM近端安装制冷机的方式，将低频大幅震动的制冷机安装在远端的独立制冷腔体。通过数月的连续测试验证，该设备实现了~2.8K的基础温度、接近±0.1mK的温度稳定性、约1pm震动水平、小于10pm/h的温度漂移，能够从低温到室温宽温区内连续变温成像。在非接触原子力显微镜原子级分辨成像、扫描隧道谱以及非弹性电子隧道谱的性能方面，该系统达到了与传统液氦杜瓦的湿式SPM系统相媲美的水平。相较已有无液氦SPM方案存在制冷机近端安装带来的诸多问题（不耐烘烤、磁场敏感、安装角度受限、橡胶波纹管透气结冰和难以升级等），这种闭循环远端制冷方案展现了多方面的优势：高性能：少量氦气（~10 L）实现3K以下基础温度，并可长时间连续运行，震动水平与湿式系统相当；拓展性：利用此远端液化4He方案预冷3He方便实现亚开尔文范围拓展；兼容性：与强磁场、光学通路等其他物理环境的良好兼容性，显著降低来自制冷机的电磁干扰；灵活性：便捷地将现有湿式SPM系统改造为无液氦SPM，并可应用在其他需求低温且对振动敏感的领域。这一闭循环无液氦低温SPM实现了TRL8级的技术就绪度。近期，相关研究成果发表在《科学仪器评论》上（Review Scientific of Instruments，DOI：10.1063/5.0165089）。该工作将为凝聚态物理研究、材料科学、生物医学等领域提供高性能的低温超低振动解决方案，并有望推动相关领域的研究取得更大突破。一位审稿人评价道：“在我看来，采用氦连续流低温恒温器和低温制冷机技术相结合的理念来解决无液氦低温扫描探针显微镜及相关领域长期存在的隔振问题，不仅具有创新性，而且鉴于世界范围内的液氦短缺困境，该技术方案的提出十分重要且及时。”研究工作得到国家杰出青年科学基金项目、中国科学院关键技术研发团队项目、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金青年科学基金项目和北京市科技计划怀柔科学中心项目的支持。图1. 新一代无液氦亚3K低温扫描探针显微镜的三维模型和原理图。图2. （a）基于连续流液氦恒温器的降温效果；（b）闭循环无液氦远端制冷的降温效果；（c）载入样品后的温度变化；（d）样品在4K温度的稳定性。图3. Au(111)和Ag(110)表面的成像测试和谱学表征。图4. Ag(110)表面CO分子的拾取和二阶谱学表征与谱学成像。图5. qPlus AFM探针在NaCl(100)表面的测试结果。图6. 已有基于液氦杜瓦的湿式SPM系统升级成远端制冷闭循环无液氦SPM的方案示意图。

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）的发展历史是一段引人注目的科学进步历程，奠定了纳米科学和纳米技术的基础。自20世纪80年代以来，SPM的出现和保存，不仅使科学家能够以原子和分子的精度观察和操控材料，还推动了许多相关领域的研究。以下是SPM发展关键里程碑：1980年代初 - 扫描隧道显微镜（STM）的发明1981年：德国物理学家格尔德宾宁（Gerd Binnig）和海因里希罗雷尔（Heinrich Rohrer）在 IBM 苏黎世研究实验室发明了扫描隧道显微镜（STM）。STM 的发明标志着扫描探针显微镜技术的开端。[1]宾宁罗雷尔世界上第一台扫描隧道显微镜[2]1986年：宾宁和罗雷尔因发明 STM 获得诺贝尔物理学奖。他们的工作证明了 STM 可以以原子级分辨率成像，从而开启了对物质结构的新认识。1989年：IBM科学家展示了一项能够操纵单个原子的技术。他们使用扫描隧道显微镜，将35个单个氙原子排列在镍冷晶体基板上，拼出了公司首字母缩写的三个字母。这是原子首次被精确地定位在平面上。[3]用 35 个氙原子拼写出“IBM”1980年代中期 - 原子力显微镜（AFM）的发展1986年：格尔德宾宁、卡尔文夸特纳（Calvin Quate）和克里斯托弗格贝尔（Christoph Gerber）发明了原子力显微镜（AFM）。AFM 可以在非导电材料上工作，扩展了 SPM 技术的应用范围。[4] AFM 利用探针与样品表面之间的范德华力进行成像，可以在真空、空气和液体环境中操作，因此在材料科学和生物学研究中具有广泛的应用。第一台原子力显微镜原子力显微镜原理图1990年代 - 扫描探针显微镜的扩展与多样化1. 磁力显微镜（MFM）：磁力显微镜（MFM）在20世纪80年代末至90年代初被发明，通过使用带有磁性涂层的探针，测量探针与样品表面磁力相互作用，实现了纳米尺度高分辨率磁畴成像。这一创新使研究人员能够深入了解材料的磁性特性。低温强磁场磁力显微镜在微结构缺陷中的研究2. 静电力显微镜（EFM）：静电力显微镜（EFM）由斯蒂芬库尔普斯（Stephen Kalb）和霍斯特福尔默（Horst F. Hamann）在20世纪80年代末至90年代初发明，通过带电探针测量静电力变化，实现纳米尺度高分辨率电学成像。EFM被广泛应用于研究半导体材料、电荷存储器件和纳米电子学等领域。3. 近场扫描光学显微镜（NSOM 或 SNOM）：近场光学显微镜（NSOM）由埃里克贝茨格（Eric Betzig）和约翰特劳特曼（John Trautman）在20世纪80年代末至90年代初发明。NSOM使用带有亚波长孔径的光纤探针，通过限制光在极小区域内并扫描样品表面，获取高分辨率的光学图像，广泛应用于材料科学、生物学、化学和半导体研究等领域。NSOM的一般原理2000年代至今 - SPM 技术的进一步发展和应用1. 高分辨率和高灵敏度：随着探针技术、控制系统和数据处理技术的发展，SPM 的分辨率和灵敏度不断提高。2. 多功能化探针：开发出具有特定化学、机械、磁性或力学性质的探针，使得 SPM 可以进行更为多样化的表征和操作。3. 多模式成像：结合多种成像模式，可以同时获得样品的多种性质信息。结合多种模式的扫描探针显微镜4.晶圆级成像：随着集成电路规模的急剧增加，需要对大型样品成像。加工在晶圆上的芯片5. 在生物学中的应用：SPM 在生物分子和细胞研究中的应用越来越广泛，可以直接观测生物大分子的结构和动力学过程。未来展望扫描探针显微镜的技术仍在不断发展，新的技术和应用不断涌现。由致真精密仪器研发的多功能原子力显微镜和晶圆级原子力显微镜支持大尺寸样品的表征，并集成集成磁力、压电力、扫描开尔文以及液相等多物性分析功能，具有极低的噪声水平，并具备基于深度学习的智能化数据处理分析。致真精密仪器未来将继续致力于更高分辨率、更快的成像速度和更强的多功能化的SPM设备研究，以满足科学研究和工业应用的需求。致真公司自主研发的多功能原子力显微镜AtomEdge集成AI的智能分析算法 高度及粗糙度、宽度、粒子智能分析参考文献：[1] Binnig, G., & Rohrer, H. (1982). Scanning tunneling microscopy. Surface Science, 126(1-3), 236-244.[2] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:First_STM.jpg[3] https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_%28atoms%29[4] Binnig, G., Quate, C. F., & Gerber, C. (1986). Atomic force microscope. Physical Review Letters, 56(9), 930-933.本文由致真精密仪器原创，转载请标明出处. 致真精密仪器一直以来致力于实现高端科技仪器和集成电路测试设备的自主可控和国产替代。 致真精密仪器通过工程化和产业化攻关，已经研发了一系列磁学与自旋电子学领域的前沿科研设备，包括“产品包含原子力显微镜、高精度VSM、MOKE等磁学测量设备、各类磁场探针台、磁性芯片测试机等产线级设备、物理气相沉积设备、芯片制造与应用教学训练成套系统等”等，如有需要，我们的产品专家可以提供免费的项目申报辅助、产品调研与报价、采购论证工作。另外，我们可以为各位老师提供免费测试服务，有“磁畴测试”、“SOT磁畴翻转”、“斯格明子观测”、“转角/变场二次谐波”、“ST-FMR测量”、“磁控溅射镀膜”等相关需求的老师，可以随时与我们联系。

一、项目基本情况1.项目编号：0834-2441SH24A039项目名称：上海交通大学低温强磁场扫描探针显微镜预算金额：620.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：590.000000 万元（人民币）采购需求：序号货物名称数量简要技术规格交货期交货地点1低温强磁场扫描探针显微镜1套1.4 *配备2路射频同轴电缆连接室温大气与扫描隧道显微镜，带宽10 GHz，高真空热隔绝腔与超高真空腔体间漏率10-8 mbar L/sec。 （详见第八章）签订合同后12个月内关境外货物：CIP上海交通大学指定地点关境内货物：上海交通大学指定地点合同履行期限：签订合同后12个月内本项目( 不接受 )联合体投标。2.项目编号：0834-2441SH24A037项目名称：上海交通大学原子力显微镜预算金额：160.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：160.000000 万元（人民币）采购需求：序号货物名称数量简要技术规格交货期交货地点1原子力显微镜1台包含不少于三个全数字锁相放大器，能提供定量相位成像功能：－180°到＋180°全线性相位成像。 （详见第八章）签订合同后6个月内关境外货物：CIP上海交通大学指定地点关境内货物：上海交通大学指定地点合同履行期限：签订合同后6个月内本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2024年02月21日 至 2024年02月28日，每天上午9:30至11:30，下午13:00至16:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：上海市共和新路1301号D座二楼方式：详见其他补充事宜售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：上海交通大学　　　　　地址：上海市东川路800号　　　　　　　　联系方式：钟老师86-21-54747337，技术联系人：彭老师 86-21-68693117　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：上海中招招标有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：上海市共和新路1301号D座二楼　　　　　　　　　　　　联系方式：林佳文、吴乾清 电话：86-21-66271932、86-21-66272327，13764352603@163.com、18930181850@163.com　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：林佳文、吴乾清电　话：　　86-21-66271932、86-21-66272327