进展 | 多探针扫描隧道显微镜分时复用切换技术研发进展

中科院物理所 2021-12-21 13:58

科学仪器的发展，不断促进对新材料的探索，从而直接或间接影响各科技领域的方方面面。工欲善其事必先利其器，深化与落实科学仪器的自主研发，更是科技攻关的桥头堡。扫描隧道显微镜（STM），及一系列扫描探针显微镜（SPM）：原子力显微镜（AFM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）等，掀起一场纳米技术革命，广泛应用于材料表面纳米尺度局域电子态、形貌以及分子振动等丰富物性的研究。电输运性质作为材料的关键参数，被广泛关注。集成多个独立STM的多探针STM系统，通过施加电/力等调控手段，实现纳米尺度、原位表征材料局域电子态与局域电输运性质，有望加速后摩尔时代新器件的基础研究。四探针 STM 可实现微观体系的四端法测量，有效消除接触电阻带来的测量误差，获得材料的本征电导率。

图1：分时复用切换方案

多个独立探针的协同操纵和成像，往往需要相同数量的多套STM控制系统。随着STM探针／压电驱动部件的增加，多探针控制系统的成本和复杂度急剧增加。因此，发展低成本、高效率、可扩展的通用控制解决方案，实现STM控制系统分时操纵多个探针、乃至探针阵列的技术十分必要。

图2：分时复用系统硬件设计

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究团队多年来一直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成果。同时，他们也在相关高精尖仪器自主研制方面不断积累，奠定了扎实的基础。物理所技术部郇庆/刘利团队一直致力于科研仪器设备的自主研发，与所内外多个课题组紧密合作，在核心关键部件、成套系统等方面取得了一系列成果（包括一台商业化四探针系统的彻底升级改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】、光学-低温扫描探针显微镜超高真空联合系统【Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018)】和新一代高通量薄膜制备及原位表征系统【Review of Scientific Instruments 91, 013904 (2020)】的自主研制）。两个团队再次密切合作、联合攻关，共同指导N04组博士生严佳浩（已毕业，爱尔兰科克大学博士后）、马佳俊、王爱伟（已毕业，国家纳米中心博士后）、马瑞松（已毕业，物理所关键技术人才）等同学成功研制并搭建了一台多探针STM分时复用切换系统，完成单个STM控制系统依次操纵多个探针在纳米尺度下的成像与定位，以及维持探针位置后的局域电输运测量。该系统采用的核心思路为研发团队首次提出，软硬件均完全自主研发，采用了ARM + DSP + FPGA多核数字平台来兼备复杂切换逻辑、多路高精度高速并行采样与数据处理，涉及C/C++与Verilog HDL编程语言，并提供图形操作界面以提高易操作性，具备多项独特优点：1）单个探针内大、小扫描管及多个探针间的无缝切换，无瞬态抖动；2）皮安级电流切换；3）任意单个探针具备毫米级移动范围与原子级空间分辨；４）多个探针可无限靠近，最小距离仅取决于针尖曲率半径；５）原位、纳米尺度、相同区域内，STM成像与电输运测量。

图3：分时复用切换系统软件架构

该联合研发团队用６年多时间对系统进行了反复地设计优化和改进，并进行了全面性能测试。该研发成果所涉及的多项关键技术，如微弱信号的放大与切换、高稳定电压保持、复杂控制逻辑等，是未来大规模探针阵列应用的重要技术基础。分时切换的核心思路具有可扩展性强、成本低廉的特点，有望在材料基因组研究高通量表征领域有广泛的应用。

图4：分时复用切换系统部分图形用户界面

该系统的详细介绍发表在近期的《科学仪器评论》杂志上【Review of Scientific Instruments 92, 103702 (2021); doi: 10.1063/5.0056634】。该工作得到了中国科学院关键技术研发团队项目(GJJSTD20200005)、国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目(11927808)和国家自然科学基金委青年基金项目(12004417)等的支持。