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。

圖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。

圖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++與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。

圖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。

圖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。

圖5：?jiǎn)?/span>STM探針空間定位

圖6：多探針切換與空間定位