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高稳定、超低噪声的低温(4KSTM/STS系统研制

超高真空低温STM是凝聚态物理研究中的最主要工具之一,是进行高水平的物理研究的极其重要的保障。此前国内虽然已经有了一些自主研发的工作,但仅有大气下的STM做到了商业化生产,最重要的基础科研上使用的超高真空/低温STM系统、低温/强磁场STM基本依赖进口。另一方面,国际上以STM为基础的分析技术仍在不断发展,例如扫描隧道显微技术和光学探测手段的集成、多探针操纵和电输运测量、自旋极化以及自旋共振STM等新技术仅仅停留在实验室,并没有商业化的产品。为进行相关的基础物理研究乃至将来研制生产有自主知识产权的设备,也需要进行自主科研仪器的研发。


我们完全依靠自行设计、国内加工,于2010年研制完成了高稳定、超低噪声的低温(4K)STM/STS系统,该系统的关键指标,如电子学噪声、机械振动、热漂移稳定性等,均显著超过国际主流商业化产品。例如,该系统的电子学噪声小于300fA(对比Omicron公司的系统一般为5pA);STM探头在液氦下,隧穿状态时,Z方向综合噪声水平低到60 fm(对比Omicron公司的系统约在pm量级)。温度漂移实验表明,12小时内几乎没有可觉察的任何漂移。这些关键参数已经好于国际最好的商业系统。


图1:我们研制的国产超高真空低温(4K)STM/STS系统产品

我们同时研发的液氦液氮双层杜瓦制冷系统,具有高度刚性、大容量、高冷却效率和长维持时间,特别适合于搭载超低温STM系统。其主要特点为:(I)我们提出了两段分离式设计,将主真空室分成上下两部分,上部为大容积低温杜瓦,下部为STM室。设计降低了系统的重心,增强了稳定性。(II)创新性地在液氦和液氮杜瓦之间使用软性波纹管和橡胶垫隔离。这一设计既隔绝了外层的液氮罐中液氮冒泡的噪音,又对液氦罐及其连接的STM探头产生减震作用。测试表明液氦保持时间达到70小时以上,这个指标已经达到国际最好的水平。同时,与国际上液氦保持时间最长的产品(Cryovac,保持时间约4升72小时)相比,我们的杜瓦在刚性、减震水平上要显著超出。


为了填补国内在高端STM产品上的空白,我们与国内绍兴匡泰仪器设备有限公司(www.bjquantech.com)合作,于2011年首次推出国产商业化低温STM系统产品,这对于打破国际厂商的垄断,用原创的系统做出高水平的工作有重要的意义。同时,利用我们自行研发的MBE系统和低温STM/STS系统,申请人过去几年在低维材料的生长、物性和量子效应方面进行了一系列富有成效的研究。


 

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