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發(fā)布時(shí)間:2021-04-02 10:48:30
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多探針掃描隧道顯微鏡分時(shí)復用切換技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

  • 分類(lèi):新聞中心
  • 作者:
  • 來(lái)源:參考資料:https://www.nature.com/articles/s41592-021-01239-8
  • 發(fā)布時(shí)間:2020-07-02
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【概要描述】多探針掃描隧道顯微鏡分時(shí)復用切換技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

多探針掃描隧道顯微鏡分時(shí)復用切換技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

【概要描述】多探針掃描隧道顯微鏡分時(shí)復用切換技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

  • 分類(lèi):新聞中心
  • 作者:
  • 來(lái)源:參考資料:https://www.nature.com/articles/s41592-021-01239-8
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多探針掃描隧道顯微鏡分時(shí)復用切換技術(shù)研發(fā)進(jìn)展

科學(xué)儀器的發(fā)展,不斷促進(jìn)對新材料的探索,從而直接或間接影響各科技領(lǐng)域的方方面面。工欲善其事必先利其器,深化與落實(shí)科學(xué)儀器的自主研發(fā),更是科技攻關(guān)的橋頭堡。掃描隧道顯微鏡(STM),及一系列掃描探針顯微鏡(SPM :原子力顯微鏡(AFM)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM 等,掀起一場(chǎng)納米技術(shù)革命,廣泛應用于材料表面納米尺度局域電子態(tài)、形貌以及分子振動(dòng)等豐富物性的研究。電輸運性質(zhì)作為材料的關(guān)鍵參數,被廣泛關(guān)注。集成多個(gè)獨立STM的多探針STM系統,通過(guò)施加電/力等調控手段,實(shí)現納米尺度、原位表征材料局域電子態(tài)與局域電輸運性質(zhì),有望加速后摩爾時(shí)代新器件的基礎研究。四探針 STM 可實(shí)現微觀(guān)體系的四端法測量,有效消除接觸電阻帶來(lái)的測量誤差,獲得材料的本征電導率。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1:分時(shí)復用切換方案

 

多個(gè)獨立探針的協(xié)同操縱和成像,往往需要相同數量的多套STM控制系統。隨著(zhù)STM探針/壓電驅動(dòng)部件的增加,多探針控制系統的成本和復雜度急劇增加。因此,發(fā)展低成本、高效率、可擴展的通用控制解決方案,實(shí)現STM控制系統分時(shí)操縱多個(gè)探針、乃至探針陣列的技術(shù)十分必要。

2:分時(shí)復用系統硬件設計

 

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心高鴻鈞研究團隊多年來(lái)一直致力于掃描探針顯微學(xué)及其在低維量子結構方面的應用,在前沿科學(xué)研究取得一系列重要成果。同時(shí),他們也在相關(guān)高精尖儀器自主研制方面不斷積累,奠定了扎實(shí)的基礎。物理所技術(shù)部郇慶/劉利團隊一直致力于科研儀器設備的自主研發(fā),與所內外多個(gè)課題組緊密合作,在核心關(guān)鍵部件、成套系統等方面取得了一系列成果(包括一臺商業(yè)化四探針系統的徹底升級改造Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】、光學(xué)-低溫掃描探針顯微鏡超高真空聯(lián)合系統Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018)】和新一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(gè)團隊再次密切合作、聯(lián)合攻關(guān),共同指導N04組博士生嚴佳浩(已畢業(yè),愛(ài)爾蘭科克大學(xué)博士后)、馬佳俊、王愛(ài)偉(已畢業(yè),國家納米中心博士后)、馬瑞松(已畢業(yè),物理所關(guān)鍵技術(shù)人才)等同學(xué)成功研制并搭建了一臺多探針STM分時(shí)復用切換系統,完成單個(gè)STM控制系統依次操縱多個(gè)探針在納米尺度下的成像與定位,以及維持探針位置后的局域電輸運測量。該系統采用的核心思路為研發(fā)團隊首次提出,軟硬件均完全自主研發(fā),采用了ARM + DSP + FPGA多核數字平臺來(lái)兼備復雜切換邏輯、多路高精度高速并行采樣與數據處理,涉及C/C++Verilog HDL編程語(yǔ)言,并提供圖形操作界面以提高易操作性,具備多項獨特優(yōu)點(diǎn):1)單個(gè)探針內大、小掃描管及多個(gè)探針間的無(wú)縫切換,無(wú)瞬態(tài)抖動(dòng);2)皮安級電流切換;3)任意單個(gè)探針具備毫米級移動(dòng)范圍與原子級空間分辨;4)多個(gè)探針可無(wú)限靠近,最小距離僅取決于針尖曲率半徑;5)原位、納米尺度、相同區域內,STM成像與電輸運測量。

3:分時(shí)復用切換系統軟件架構

 

該聯(lián)合研發(fā)團隊用6年多時(shí)間對系統進(jìn)行了反復地設計優(yōu)化和改進(jìn),并進(jìn)行了全面性能測試。該研發(fā)成果所涉及的多項關(guān)鍵技術(shù),如微弱信號的放大與切換、高穩定電壓保持、復雜控制邏輯等,是未來(lái)大規模探針陣列應用的重要技術(shù)基礎。分時(shí)切換的核心思路具有可擴展性強、成本低廉的特點(diǎn),有望在材料基因組研究高通量表征領(lǐng)域有廣泛的應用。

4:分時(shí)復用切換系統部分圖形用戶(hù)界面

 

該系統的詳細介紹發(fā)表在近期的《科學(xué)儀器評論》雜志上【Review of Scientific Instruments 92, 103702 (2021); doi: 10.1063/5.0056634】。該工作得到了中國科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)團隊項目(GJJSTD20200005)、國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項目(11927808)和國家自然科學(xué)基金委青年基金項目(12004417)等的支持。

5:?jiǎn)?/span>STM探針空間定位

 

 

6:多探針切換與空間定位

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