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基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展

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黄远志, 杨传浩, 何颂平, 马瑞松, 郇庆. 基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展[J]. 物理学报, 2024, 73(22): 228701-1. doi: 10.7498/aps.73.20241367
引用本文: 黄远志, 杨传浩, 何颂平, 马瑞松, 郇庆. 基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展[J]. 物理学报, 2024, 73(22): 228701-1. doi: 10.7498/aps.73.20241367
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Yuan-Zhi Huang, Chuan-Hao Yang, Song-Ping He, Rui-Song Ma, Qing Huan. Advances in dry low-temperature scanning probe microscopy system development[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(22): 228701-1. doi: 10.7498/aps.73.20241367
Citation: Yuan-Zhi Huang, Chuan-Hao Yang, Song-Ping He, Rui-Song Ma, Qing Huan. Advances in dry low-temperature scanning probe microscopy system development[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(22): 228701-1. doi: 10.7498/aps.73.20241367
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基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展

  • 1.

    中国科学院物理研究所, 纳米物理与器件实验室, 北京　100190

  • 2.

    中科艾科米(北京)科技有限公司, 北京　101407

    • 作者简介: 黄远志.E-mail: yzhuang@iphy.ac.cn .
    通讯作者: E-mail: mars@iphy.ac.cn.;  E-mail: huanq@iphy.ac.cn.

  • 中图分类号: 87.61.Ff, 07.20.Mc, 07.79.-v, 07.10.Fq

Advances in dry low-temperature scanning probe microscopy system development

  • 1.

    Nanophysics and Devices Laboratory, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

  • 2.

    ACME (Beijing) Technology Co., Ltd., Beijing 101407, China

    • Corresponding authors: E-mail: mars@iphy.ac.cn.;  E-mail: huanq@iphy.ac.cn.

  • MSC: 87.61.Ff, 07.20.Mc, 07.79.-v, 07.10.Fq

  • 摘要: 21世纪以来, 扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用. 为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率, 人们研发了具备超高真空(ultra high vacuum, UHV)和低温(low temperature, LT)环境的SPM系统(UHV-LT-SPM). 目前, 大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4(4He), 使SPM的温度达到约4.2 K. 然而由于4He元素在自然界中含量低且因需求日益增长, 导致液氦价格急剧飙升, 严重影响到了4He相关低温设备的正常运行. 为应对上述问题, 干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向. 在此背景下, 将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合, 搭建干式低温扫描探针显微镜, 成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一. 本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面, 介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统. 最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战, 探讨了该技术未来的发展方向.
    Abstract: Since the beginning of the 21st century, scanning probe microscopy (SPM) has played an increasingly important role in investigating the micro- and nanoscale surface characterization, physical property measurement, and micro/nano fabrication. To provide a more stable operating environment and higher energy resolution for SPM, researchers have developed low-temperature scanning probe microscopy (LT-SPM) systems that operate under the conditions of ultra-high vacuum and low temperature. Currently, most of LT-SPM systems have achieved temperatures around 4.2 K by supplying liquid helium-4 (4He) to continuous flow cryostats or low-temperature Dewars. However, due to the low natural abundance of 4He and its increasing demand, the significant increase in the price of liquid helium has seriously affected the normal operation of 4He-based low temperature equipment. To solve this problem, dry (cryogen-free) refrigeration technology has emerged as a promising alternative to the next-generation low-temperature systems. In this context, the integration of dry refrigeration technology with SPM to construct Dry-LT-SPM systems has become a key research focus in the field of scanning probe instruments.This paper mainly discusses several reported closed-cycle Dry-LT-SPM systems, focusing on aspects such as system design, refrigeration schemes, vibration reduction methods, and overall performance. Finally, this paper summarizes the current challenges and problems faced by Dry-LT-SPM systems and explores potential future developments in this field.
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  • 图 1  主流低温SPM设备所采用的降温方式　(a)基于连续流式低温恒温器的SPM设备; (b)基于低温杜瓦恒温器的SPM设备

    Figure 1.  Cooling methods used in mainstream low temperature SPM equipment: (a) SPM system based on a continuous flow heat exchanger; (b) SPM system based on a low-temperature Dewar cryostat.

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    图 2  干式制冷部分实物图[17]　(a) GM机与SPM部分的连接部分照片, 该方案采用橡胶波纹管连接制冷机和STM上方的二级热交换器; (b) LT-STM系统部分系统实物图, 低温恒温器安装在LT-STM系统上方的刚性支架上, 刚性支架与LT-STM系统没有刚性接触

    Figure 2.  Photograph of Dry refrigeration[17]: (a) Photo of the connection part between the GM cryocooler cold head and the SPM part, this solution uses rubber bellows to connect the refrigerator and cold finger above the STM; (b) photo of the LT-STM system, the cryostat is mounted on a rigid support above the LT-STM system, the rigid support has no rigid contact with the LT-STM system.

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    图 3  STM扫描探头悬挂在屏蔽罩内[17]　(a)带有屏蔽罩的STM前视图; (b) STM的侧视图, 内部屏蔽罩直接与二级热交换器相连

    Figure 3.  The STM scanner is suspended in the shielding[17]: (a) Front view of STM with shield; (b) side view of the STM, with the internal shield directly connected to the cold finger.

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    图 4  Dry-LT-STM获得的若干图像[17]　(a) Au(111)原子分辨; (b) NaCl(100)原子分辨

    Figure 4.  STM images obtained by the Dry-LT-STM[17]: (a) Atomic resolution of Au(111); (b) atomic resolution of NaCl(100).

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    图 5  (a) Dry-LT-STM系统示意图[18], 制冷机(蓝色)安装在刚性支架上, LT-STM系统放在含有气腿(橙色)的实验台上, 两者通过橡胶波纹管与LT-STM系统连接; (b)闭循环制冷部分示意图, 氦气在制冷机(紫色)和热交换器界面(青色)之间, 氦气由两级橡胶管(黑色)密封; (c) STM扫描探头示意图, 激光通过两种透镜聚焦在STM上, 并通过雪崩光电二极管或光谱仪从STM收集光信号

    Figure 5.  (a) Schematic diagram of the Dry-LT-STM system[18], the cryocooler (blue) is mounted on a rigid frame and the LT-STM system is placed on the vibration isolation table containing the gas legs (orange), both of which are connected to the LT-STM system via rubber bellows; (b) schematic diagram of the closed-cycle refrigeration section, helium gas is filled between the cryocooler (purple) and stage interfaces (cyan), the helium is sealed by two-stage rubber bellow (black); (c) schematic of the STM scanning head. The laser is focused on the STM by two lenses and the optical signal is collected from the STM by means of a APD or a spectrometer.

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    图 6  (a)石墨表面的原子分辨图像, 样品温度为16.8 K; (b)石墨表面的dI/dV谱; (c) CO分子的I/V谱, dI/dV谱和IETS谱[18]

    Figure 6.  (a) Atomic-resolution image of graphite surface, the sample temperature is 16.8 K; (b) dI/dV spectrum of graphite surface; (c) I/V spectrum, dI/dV spectrum and IETS spectrum of CO molecules[18].

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    图 7  (a)日本UNISOKU公司的LT-STM系统示意图; (b) PT制冷机和SPM扫描探头的示意图, PT制冷机两级冷台、PTFE波纹管和低温恒温器围成的区域充满氦气, 扫描腔则保持在超高真空状态[19]

    Figure 7.  (a) Schematic diagram of the LT-STM system of Japanese UNISOKU company; (b) schematic of PT refrigerator (cryocooler) and SPM scanner, the area enclosed by the cooling stages, PTFE bellows and cryostat is filled with helium, while the SPM chamber is maintained in ultra-high vacuum condition[19].

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    图 8  (a)搭建Dry-LT-SPM设备整体系统设计示意图[20]. 1-涡旋泵, 2-氦气罐, 3-氦气管道, 4-干式制冷超导磁体, 5-刚性支架, 6-PT制冷机, 7-低温恒温器, 8-STM腔体, 9-氩离子源, 10-MBE腔体, 11-MBE蒸发源, 12-快速进样腔, 13-传输杆, 14-主动减振平台. (b)制冷系统(左)和扫描探头(右)示意图, 1-PT制冷机, 2-金属焊接波纹管, 3-低温恒温器接口, 4-氦气, 5-液氦, 6-针阀, 7-AFM的前置放大器, 8-屏蔽罩, 9-扫描探头, 10-干式制冷超导磁体, 11-毛细管, 12-加热器–1, 13-排气阀, 14-1 K池, 15-加热器–2, 16-弹簧, 17-信号线插口, 18-磁阻尼铜板

    Figure 8.  (a) Schematic diagram of the overall system design of the dry SPM equipment[20]. 1-scroll pump, 2-helium tank, 3-helium pipeline, 4-cryogen-free superconducting magnet, 5-supporting frame, 6-PT refrigerator, 7-cryostat, 8-STM chamber, 9-argon ion beam bombardment, 10-MBE chamber, 11-MBE evaporation sources, 12-load-lock chamber, 13-transfer rod, 14-active air damping. (b) Schematic diagram of the refrigeration system (left) and scanner (right), 1-PT cryocooler, 2-vibration-isolated bellows, 3-cryostat interface, 4-helium gas, 5-LHe, 6-needle valve, 7-the preamplifier of AFM, 8-thermal shield, 9-scanning head, 10-superconducting magnet, 11-pumping pipe, 12-heater-1, 13-exhaust valve, 14-1 K-pot, 15-heater-2, 16-spring, 17-socket, 18-copper plate for eddy current damping.

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    图 9  Ir(111)表面Fe原子所形成HCP岛skyrmion超晶格的SP-STM和MExFM图像[20]

    Figure 9.  SP-STM and MExFM images of the HCP island skyrmion superlattice formed by Fe atoms on the Ir(111) surface[20].

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    图 10  搭建Dry-LT-SPM设备采用的8 T干式超导磁体结构及其横截面示意图[21]

    Figure 10.  Structure and cross-sectional view of the 8 T dry superconducting magnet used in Dry-LT-SPM equipment[21].

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    图 11  基于干式超导磁体的STM结构设计图[21]　(a) STM探头部分的构型图; (b) STM扫描探头构形图

    Figure 11.  Cryogen-free STM design based on cryogen-free superconducting magnets[21]: (a) Diagram of the STM probe configuration; (b) diagram of the STM scanner.

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    图 12  NbSe2的原子分辨和添加磁场后的图像[21]

    Figure 12.  Atomic-resolution STM image of NbSe2 with sweeping magnetic field[21].

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    图 13  (a)飞梭扫描探头与在UHV插件横截面; (b) UHV插件横截面, 未按比例绘制[22]

    Figure 13.  (a) Shuttle-style STM head and UHV plug cross-section; (b) UHV plug cross-section, not to scale[22].

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    图 14  (a)在4.6 K下, HOPG表面的原子分辨; (b)在20 K, 5 T的磁场下, HOPG显示出朗道能级[22]

    Figure 14.  (a) Atomic resolution of the HOPG surface at 4.6 K; (b) Landau levels of HOPG at 20 K with 5 T magnetic field applied[22]

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    图 15  制冷机在SPM腔体顶部的Dry-LT-STM系统

    Figure 15.  Dry-LT-STM system with refrigerator on top of SPM chamber.

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    图 16  制冷机与SPM腔体分离的LT-STM系统示意图[23]

    Figure 16.  Schematic diagram of the LT-STM system with the dry refrigerator and SPM chamber separated[23].

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    图 17  基于远端液化方案的Dry-LT-STM系统的三维模型[23]

    Figure 17.  Three-dimensional model of the cryogen-free LT-STM system based on the remote liquefaction scheme[23].

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    图 18  搭建Dry-LT-SPM的成像和隧道谱性能表征[23]　(a) Au(111)表面的鱼骨形重构; (b) Au(111)表面的原子分辨; (c)金原子沿图(b)中红线的线剖面图; (d) Au(111)表面FCC和HCP位点的dI/dV谱; (e) Ag(110)表面的大范围STM 图像; (f) Ag(110)表面的原子分辨STM图像; (g) Ag原子沿图(f)中红线的线剖面图; (h) Ag(110)表面的dI/dV谱

    Figure 18.  Imaging and tunneling spectrum performance characterization of the Dry-LT-SPM[23]: (a) Herringbone reconstruction of the Au(111) surface; (b) atomic resolution of the Au(111) surface; (c) line profile of gold atoms along the red line shown in panel (b); (d) dI/dV spectra of FCC and HCP sites on Au(111) surface; (e) large-scale STM image of the Ag(110) surface; (f) atomic-resolved STM image of the Ag(110) surface; (g) line profile of Ag atoms along the red line shown in panel (f); (h) dI/dV spectrum of Ag(110) surface.

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    图 19  基于远端液化方案的SPM系统的谱学成像表征[23]　(a) CO分子沉积在Ag(110)表面; (b)能够被探针捡起; (c)能获得高质量的IETS谱; (d)—(f)在CO分子上取得隧道电流谱, STS谱以及IETS谱学图像, 成像参数为110 pA, 9.6 mV

    Figure 19.  Spectroscopic imaging performance of the SPM system based on the remote liquefaction scheme[23]: (a) CO molecules are deposited on the Ag(110) surface; (b) can be picked up by the probe; (c) high-quality IETS spectra can be obtained; (d)–(f) tunnelling current spectrum, STS spectrum and IETS spectroscopy images on CO molecules with setpoint of 110 pA and 9.6 mV.

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-28
  • 刊出日期:  2024-11-20

基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展

    通讯作者: E-mail: mars@iphy.ac.cn.; 
    通讯作者: E-mail: huanq@iphy.ac.cn.
    作者简介: 黄远志.E-mail: yzhuang@iphy.ac.cn
  • 1. 中国科学院物理研究所, 纳米物理与器件实验室, 北京　100190
  • 2. 中科艾科米(北京)科技有限公司, 北京　101407
  • 收稿日期:  2024-09-28

摘要: 21世纪以来, 扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用. 为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率, 人们研发了具备超高真空(ultra high vacuum, UHV)和低温(low temperature, LT)环境的SPM系统(UHV-LT-SPM). 目前, 大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4(4He), 使SPM的温度达到约4.2 K. 然而由于4He元素在自然界中含量低且因需求日益增长, 导致液氦价格急剧飙升, 严重影响到了4He相关低温设备的正常运行. 为应对上述问题, 干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向. 在此背景下, 将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合, 搭建干式低温扫描探针显微镜, 成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一. 本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面, 介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统. 最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战, 探讨了该技术未来的发展方向.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)是在扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)的基础上发展起来的一类新型探针显微镜的总称, 涵盖原子力显微镜、静电力显微镜、磁力显微镜等多种显微设备. 这些显微镜以探针为探测器, 通过精确控制探针的位置, 在样品表面进行逐点扫描, 获取表面的局域信号用于显微成像[1], 例如隧道电流、原子力等, 并可分析样品表面的局域物性[2].

      与其他表面分析技术相比, SPM具有诸多优势, 不仅可以进行表面物理量的测量, 从而得到高分辨率的样品表面成像, 还能作为一种新型的纳米操作工具, 实现纳米尺度上的物质改性、重组、再造[2]. 为了进一步扩展SPM的功能以便获得更丰富的信息, 可以将光场、磁场、射频场等与SPM进行耦合, 用来研究针尖增强拉曼光谱[3]、电致荧光[4]、电子自旋共振、材料的磁性调控等[5,6].

      相较于室温的SPM系统, 工作在低温环境下的SPM系统更有优势[7]. 低温环境能够提高SPM的能量分辨率、减少热漂移、降低噪声、减弱压电滞后/蠕变效应[8]. 目前, 主流的低温SPM系统采用连续流恒温器[9,10]或低温杜瓦恒温器[11–13]进行制冷, 利用液氦-4He作为制冷工质, 可以达到约4 K的基础温度, 如图1所示. 连续流恒温器在降温和维持低温的过程中, 需要利用输液杆向连续流恒温器中不断输送液氦. 而常见的低温杜瓦通常包括一个内桶和外桶, 通过向内桶注入液氦, 即可维持4 K低温环境. 外桶的作用除保护内桶体外, 还与内桶形成真空夹层从而隔热. 在此基础上, 内外桶之间增加额外的低温层(通常灌入液氮)可有效延长低温杜瓦的保温时间. 与低温杜瓦方案相比, 前者体积较小、降温速度快、安装的位置选择多, 但比低温杜瓦的方式消耗更多液氦. 因此, 大多数低温扫描探针显微镜(low temperature SPM, LT-SPM)系统采用低温杜瓦降温的方法. 实现更低基础温度则需要在液氦预冷的前提下, 利用液氦–3(3He, 4He的同位素)制冷[14]或3He/4He稀释制冷方案[15,16], 使SPM系统的温度降至亚K以及mK区间.

      上述低温仪器在维持低温或降温过程中严重依赖液氦, 而4He在地壳中含量较低, 且因需求量增大且不可再生导致氦的价格急剧升高, 影响到了4He低温设备的使用. 为应对4He资源短缺、价格高等问题, 干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向. 干式(dry)制冷是一种不依赖液态冷却剂(如液氦)的制冷技术. 其工作原理是通过特殊的制冷闭循环(closed-cycle)方式, 将气体(如氦气)压缩并膨胀, 从而实现热量的去除和温度的降低. 干式制冷系统的另一种叫法是“cryogen-free”系统, 国内将其翻译成“无液氦”, 其并不意味着在操作过程中不需要使用液态氦作为冷却介质, 而指的是无需额外添加液氦. 相比传统液氦系统, 其维护成本较低且更便捷. 基于干式制冷技术的商业化SPM系统常采用GM (Gifford-McMahon)制冷机[17,18]或脉冲管(pulse tube, PT)制冷机[14], 将系统冷却至约4 K或更低的温度[15]. 然而, SPM系统通常需要将隧道结处的振动控制在pm量级, 干式制冷机产生的振动(μm级别)会严重影响SPM系统的分辨率[14,17,18]. 所以如何在尽可能多的利用制冷机所产生冷量的前提下, 降低制冷机振动对SPM系统所产生的影响, 成为了当前干式SPM仪器研制主要的方向.

      本文着重介绍了基于4He制冷的干式低温SPM(Dry-LT-SPM)系统的研究进展, 主要从SPM系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面介绍目前已经报道的几种Dry-LT-SPM. 总结了Dry-LT-SPM系统研发至今所遇见的问题和挑战以及该技术未来的发展方向.

    2.   4He制冷的干式扫描探针显微镜

      2.1.   第1台干式低温扫描探针显微镜

    • 2014年, Hackley等[17]研制了世界上第1套Dry-LT-STM系统. 该设备分为干式制冷部分和LT-STM系统部分. 干式制冷系统主要由GM制冷机、橡胶波纹管和水冷压缩机组成, 如图2所示. GM制冷机安装在刚性支架上, 并通过橡胶波纹管和减振接口与LT-STM系统相连; 刚性支架与LT-STM系统并排支撑在地上, 两者并不产生刚性接触. 4He气瓶通过橡胶波纹管上的氦气接口与橡胶波纹管相连, 在橡胶波纹管内充满氦气, 并通过控制减压阀来保持波纹管内气压稳定.

      该LT-STM系统采用干式制冷系统实现低温. GM制冷机冷头的一级和二级冷台所产生的冷量首先传递给橡胶波纹管中的氦气, 然后氦气将冷量分别传递给低振动接口的一级和二级热交换器, 并通过铜辫子将冷量进一步传递给STM扫描探头, 以获得低温环境. 为了达到尽可能低的温度, 该设备采用了两层屏蔽设计. 这两层屏蔽罩都采用了镀金的铜罩, 并固定在低振动接口的两级热交换器上. 外层屏蔽罩固定在一级热交换器上, 温度大约为25—35 K; 内层屏蔽罩固定在二级热交换器上(二级热交换器亦称“冷指”, 图3(b)中的cold finger), 温度大约为15 K. 该系统需要大约12 h将STM从室温冷却至16 K, 并且能够长时间保持该温度.

      图3展示了该Dry-LT-STM系统部分的设计图. Hackley等[17]选择了体积较小、抗振能力较高的Pan式扫描探头, 并通过弹簧进行悬挂, 弹簧的上端则固定在二级热交换器上. 悬挂的Pan式扫描探头固有频率约为1.7 Hz, 低于闭循环制冷部分的固有频率, 从而避免了与闭循环制冷部分的振动噪音耦合.

      通过将GM制冷机与LT-STM系统分别固定在各自独立的刚性支架上(两者之间通过橡胶波纹管进行柔性连接), 制冷机产生的冷量能不断地通过氦气传递给LT-STM系统. 虽然这种设计并不能完全消除振动, 但是制冷机传输到二级热交换器端的残余振动噪声在5 nm以内. 相对于传统的干式制冷方式, 机械噪声水平下降了4个数量级, 扫描探针处Z方向振动水平控制在1.5 pm左右. 由此, Hackley等[17]研发的Dry-LT-STM系统能够对Au(111), NaCl(100)表面实现原子级别分辨率的成像, 如图4所示. 该干式制冷扫描隧道显微镜在成像性能上与现有高性能湿式低温STM系统相当, 并有效解决湿式系统液氦依赖的问题, 延长了STM系统在低温环境的工作时间.

      2021年, Chaudhary等[14]采用了与前述相同的制冷方案, 他们采用RHK Technology公司(以下简称RHK公司)的干式扫描探针显微镜部分, 并将扫描探头放置于干式超导磁体的室温孔处. 通过橡胶波纹管, LT-STM部分与干式制冷机连接, 最终实现最低13 K的低温和5-1-1 T的矢量磁场. 该设备在设定电流0.1 nA, 偏压1 V条件下, 隧道结处实现了约1.5 $ {\text{pA/}}\sqrt {{\text{Hz}}} $的噪音水平. 得益于干式超导磁体, 该设备亦能完成磁性材料内部电子密度变化和各向异性的测量.

      • 2.2.   多级减振型干式低温扫描探针显微镜

    • 2016年, 在Hackley等[17]所研制Dry-LT-STM方案的基础上, Zhang等[18]做了进一步改进, 其方案的示意图和系统实物分别如图5和图6所示. 与Hackley等[17]工作相同的是, Zhang等[18]亦将GM制冷机直接安装在LT-STM系统上, 并通过柔性波纹管进行连接. 但不同的是, Zhang等[18]采用多级波纹管进行减振, 选择将制冷机安装在第一级刚性支架上, 并通过橡胶波纹管与第二级刚性支架相连. 第二级刚性支架再通过第二级波纹管与LT-STM系统相连. 两个刚性支架分别固定在地面上并不与LT-STM系统其他部分产生直接接触, 进一步隔绝了GM制冷机的振动.

      为了提高换热效率, Zhang等[18]同样采用了两级换热的方式, 并在制冷机的两级冷台处安装多孔热交换器, 通过增大表面积的方式, 进一步提高氦气的热交换效率. 为了获得更低的基础温度, Zhang等[18]也选择采用两层屏蔽设计, 两层屏蔽罩均采用镀金的铜罩, 并分别固定在一级热交换器界面和二级热交换器界面(图5(b)中的1st stage interface和2nd stage interface)上. 该STM系统大约可在4 h内将STM扫描探头从室温冷却至14.3 K, 并长时间维持低温.

      在干式系统运行过程中, 氦气不仅是热交换介质, 还在隔振中起到了重要作用. 氦气的压力大小不仅仅影响着热交换效率, 还影响着波纹管减振效果. 为了确保氦气在长期运行过程中始终维持其纯净状态并保持压力稳定, Zhang等[18]精心设计了一套氦气纯化系统和压力调节装置. 这套系统有效地解决了空气渗透所引起的制冷机结冰问题, 确保了STM系统能够长时间连续稳定地运行. 在LT-STM部分, Zhang等[18]使用Besocke型扫描探头, 并添加了光学窗口, 能够将外部光信号耦合到STM隧道结上, 如图5所示.

      在设备性能方面, 该设备由于采用多级波纹管的减振方式, 实现了Z方向上2 pm的振动水平, 并获得了石墨的原子图像和石墨样品的dI/dV谱. 由于系统的噪音水平较低, Zhang等[18]能够进一步测量CO分子的非弹性电子隧道谱(inelastic electron tunneling spectroscopy, IETS, ${\mathrm{d}}^2 I/ {\mathrm{d}} V^2$), 如图6所示.

      2022年, 日本UNISOKU Co., Ltd.公司(以下简称UNISOKU公司)借鉴相似的思路, 提出了一种LT-SPM系统方案, 如图7所示[19]. UNISOKU公司将GM制冷机更换成PT制冷机. PT制冷机相对于GM制冷机, 在同样制冷功率下, 前者振动更小.

      与之前所提到干式SPM系统构型[18]相同的是, UNISOKU公司也选择将制冷机直接安装在LT-SPM系统上, 并通过波纹管进行连接. UNISOKU公司同样采用两级波纹管的多级减振方式. 不同的是, 在靠近LT-SPM的部分采用不锈钢波纹管, 而在制冷机部分则为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)波纹管. 不锈钢波纹管和PTFE波纹管相对橡胶波纹管, 具有更小的漏气率和更长的使用寿命.

      在LT-SPM部分, UNISOKU公司还采纳了双层屏蔽设计策略, 内层屏蔽采用镀金的铜罩, 固定在二级热交换器处(图7(b)中间棕色工字型部分), 底部连接5 K冷盘(图7(b)的5 K stage); 而外层屏蔽则选择了纯度为99.7%的铝材, 固定在一级热交换器处(图7(b)顶部绿色部分), 底部连接60 K冷盘(图7(b)的60 K stage). 5 K冷盘和60 K冷盘进一步通过铜辫子与内外屏蔽罩相接, 用以加强导热效果. 该公司摒弃了传统的二级热交换器悬挂扫描探头的布局, 转而采用在二级热交换器下方的5 K冷盘上固定4根支柱, 以此悬挂扫描探头, 并通过铜辫子连接扫描探头与5 K冷盘. 5 K冷盘能够通过增强型纤维塑料与60 K冷盘相连, 并固定在腔体上. 降温时, PT制冷机所产生的冷量首先在冷头下方的一级和二级冷台(分别对应图7(b)的cold head, 1st和2nd cooling stages)处传递给一级和二级热交换器, 然后由内层屏蔽罩通过铜辫子传递至5 K冷盘, 并最终通过5 K冷盘处的铜辫子将冷量传输至扫描探头. 该LT-SPM系统通过其双级换热系统能够在约9 h内将SPM扫描探头温度从室温降至5 K, 并能在该温度下长期稳定运行. UNISOKU公司研制了高度自动化的气体处理系统, 能够自动调节氦气的压强, 以便冷却一、二级热交换器至所需低温并稳定维持该温度.

      为了实现更高的共振频率和更大的扫描范围, UNISOKU公司所采用的扫描探头具有独特的设计. 扫描探头在其顶端装配了一个约1.8 g的针尖支架进行扫描, 并创新性地采用双重压电扫描管设计, 其中内外管同时负责XY轴的定位, 而外管还需控制Z轴的反馈. 对于该系统, 将电流设定为0.1 nA且偏压为–0.1 V条件下, 其隧道电流的噪音水平皆小于1.5 $ {\text{pA/}}\sqrt {{\text{Hz}}} $. 在设备功能方面, 该设备具有高性能低温SPM系统的功能, 并兼容STM和AFM两种模式. UNISOKU公司利用该设备测量获得了Au(111)表面的原子分辨, 以及用AFM模式获得了NaCl(100)表面的原子分辨.

      • 2.3.   多级制冷型干式扫描探针显微镜

    • 2023年, Huang等[20]基于已有干式SPM设备构型, 提出了改进的Dry-LT-SPM系统, 最低获得1.4 K的基础温度, 如图8(a)所示. 他们的方案与UNISOKU公司类似, 也选择了振动水平更低的PT制冷方案. PT制冷机被安装在LT-SPM系统上, 并通过波纹管进行连接, 采用两级不锈钢波纹管的多级减振方式. 不锈钢波纹管相较PTFE波纹管, 具有更好的减振效果和更长的使用寿命, 并且适用于高温烘烤, 更容易到达超高真空. 两级不锈钢波纹管通过两个刚性支架固定在地面上, 并不与LT-SPM系统其他部分产生直接接触.

      SPM腔体主要分为上下两部分, 上部SPM腔体固定在一个主动减振平台上, 下部SPM腔体由钛金属制成, 放置于干式超导磁体的室温孔中心. 钛金属腔体可以减小对磁场分布的影响. 超导磁体的制冷机和超导线圈通过铜辫子连接, 用于热传导. 为了隔振, 超导磁体的制冷机也通过刚性支架固定, 并通过波纹管和与超导磁体主体相连. 该磁体可以为SPM扫描探头提供约9 T的磁场.

      Huang等[20]同样采用了Pan式扫描探头设计. Pan式扫描探头由3根Be-Cu弹簧悬挂在1 K池下方, 并通过两股铜辫子连接1 K池和Pan式扫描探头. 该LT-SPM系统可在大约20 h, 将SPM扫描探头从室温冷却至30 K, 然后开启针阀, SPM扫描探头可在5 min内降温至2 K, 并在3 h后稳定在1.4 K, 并长时间维持该温度.

      在降温设计方面, Huang等[20]进一步改进了制冷方式, 该干式系统同样采用氦气作为换热介质, 通过PT制冷机将氦气液化, 聚集并储存在低温恒温器底部, 如图8(b)所示. 低温恒温器底部通过毛细管与1 K池相连, 液氦通过毛细管流到1 K池的流量可以通过针阀进行调节. 由于焦耳-汤姆孙效应, 流过针阀的液氦温度可进一步由4.2 K降低至1 K左右, 给扫描探头降温后汽化变成氦气, 氦气再通过涡旋泵组被泵回制冷机处, 参与下一个循环. 该过程为完整的闭循环过程, 没有任何额外的氦气消耗.

      相比于以上的多级减振型系统, 该系统增加了一级制冷系统, 并利用外部的涡旋泵循环氦气, 在实现1.4 K基础温度的同时可获得约0.7 pm的振动水平. 在设备功能方面, 该SPM设备也同时兼容STM和AFM两种模式, 由于磁场的存在, 该设备还支持磁交换力显微镜成像(magnetic exchange force microscopy, MExFM). Huang等[20]选择在Ir(111)表面沉积Fe原子, Fe原子会形成两种方向相反的单层高三角形岛, 分别对应FCC和HCP超晶格的叠加. 图9展示了HCP岛skyrmion超晶格的自旋极化扫描隧道显微镜(spin polarized scanning tunneling microscope, SP-STM)和MExFM图像.

      • 2.4.   基于干式超导磁体的SPM系统

    • 2019年, Meng等[21]提出了一种基于干式超导磁体的STM设计. 该团队选择利用振动更小的脉管制冷机给变温插件降温并将冷量传递给STM扫描探头从而获得低温, 如图10所示.

      目前, 干式超导磁体大都采用GM制冷机或者PT制冷机给超导线圈降温, 从而使磁体线圈获得超导特性, 产生强大的磁场. 而现有的干式超导磁体因其直接与制冷机相接触, 振动较大, 人们大都认为在这种极端的条件下很难实现STM成像. Meng等[21]所设计的一种STM探头, 能在极端条件下依旧能达到原子级分辨率, 如图11所示, 探头部分主要由前放电路箱、波纹管接头、外径中心管、屏蔽板、配重棒、蓝宝石转接片、隔振弹簧和STM扫描探头组成. STM扫描探头通过隔振弹簧悬挂在配重棒上, 位于STM探头的最下方. 通过将STM扫描探头悬挂在配重棒上能有效的降低STM扫描探头的共振频率, 提高了STM扫描探头的隔振能力. 配重棒上方是3个由304不锈钢制成的屏蔽板, 每一块板都抛光两面, 以降低室温环境对低温下STM部分的影响.

      降温时, 将STM探头插入变温插件(variable temperature insert, VTI)内. 此时STM扫描探头恰好处于超导体的中心部分. 需要在样品腔内填充一定量的氦气, 为STM扫描探头提供低真空样品条件和氦气保护, 同时少量的氦气也能作为热交换气, 以保持扫描探头与VTI之间良好的热交换. 开启PT制冷机给VTI降温, 并通过氦气作为热交换气, 可以将实验样品从室温冷却到1.6 K. 样品腔底部的外侧是由PT制冷机冷却的磁体超导线圈, 当STM探头插入样品空间时, STM扫描探头恰好位于磁体线圈的中心区域, 能获得0—9 T的磁场.

      该设备采用了诸多隔振方式, 获得了较好的振动水平, 在0.2 V偏压, 0.5 nA的设定电流下, 峰值点处噪声在1.5 $ {\text{pA/}}\sqrt {{\text{Hz}}} $左右. 然而由于该设计通过氦气作为热交换气在样品腔内直接导热, 对扫描探头上样品影响较大, 所受到约束较多. 图12展示了该系统获得的NbSe2的原子分辨和添加磁场后的图像.

      2024年, Coe等[22]同样选择利用干式超导磁体给扫描探头进行降温. 相对于之前的方案, 该团队提出了很多改进方式, 首先选择将LT-SPM系统与干式超导磁体部分分开. LT-SPM选择采用超高真空(UHV)插件的方式于超导线圈中心处. 其次, Coe等[22]选择采用飞梭扫描探头(可在腔体内进行传递). 飞梭扫描探头可以通过传样机构直接放置在UHV插件底端的飞梭插口处. UHV插件的外部为高真空(HV)插件层, 其中含有少量氦气, 并通过ISO法兰密封. PT制冷机安装在HV插件层附近, 并通过多级波纹管与HV插件层连接. 降温时, PT制冷机带动40 K盘和4 K盘降温(图13(b)中的40 K stage和4 K stage), 从而冷却氦气. 氦气进一步将冷量带给UHV插件, 最终通过飞梭插口将冷量传递给飞梭扫描探头. 在UHV插件与HV插件层安装有无氧铜制散热鳍片(copper thermal fins)辅助导热, 并在飞梭扫描探头上方安装有多层的屏蔽隔层, 如图13(b)所示[22]. 该设备能够在20 h左右将飞梭扫描探头温度从室温降至4.6 K.

      由于扫描探头是直接放置在飞梭插口处, 并非采用传统的弹簧悬挂方式. 为达到较低的振动水平, Coe等[22]选择将飞梭插口安装在焊接波纹管上, 并通过自主设计的负刚度减振器进行减振. 此外, 由于设备直接与干式超导磁体相连接, 该系统同样采用了多级焊接波纹管进行减振, 并且直接在腔体外部配备有磁阻尼辅助减振. 最终, 该设备实现了在0.2 V偏压, 0.2 nA的设定电流下约1.2 $ {\text{pA/}}\sqrt {{\text{Hz}}} $的噪声水平. 在功能上, 该系统配备有5 T的磁场, 并测量获得了HOPG表面的原子分辨, 在5 T磁场下HOPG表面的朗道能级, 如图14所示[22].

      • 2.5.   远端液化型干式扫描探针显微镜

    • 上述所提到的Dry-LT-SPM系统中, 研究者都将制冷机安装在SPM扫描探头附近, 可称之为近端制冷方案, 如图15所示. 近端安装制冷机的原因是由于离制冷机二级冷台越近, 热交换效率越高. 然而这种设计也存在着几个缺点.

      1)不耐烘烤. 超高真空是低温SPM设备的必备条件, 超高真空的获得需要将设备进行150 ℃以上的长时间烘烤. 由于制冷机中具有稀土材料, 不耐受60 ℃以上的高温. 因此现有方案在烘烤时需要将制冷机拆除或低温超长时间烘烤.

      2)磁场敏感. 同样由于制冷机中存在稀土材料, 磁场的存在会降低制冷机的制冷性能, 因此将强磁场集成到现有近端方案中去难度较大[15].

      3)安装角度受限. 由于制冷机的工作原理, 其安装角度只能局限在垂直向下的方向上, 这样 会导致顶部空间被制冷机占据, 限制了SPM设备功能的扩展, 例如增加光学通路、设置光学显微镜等.

      4)橡胶波纹管透气结冰. 采用了橡胶波纹管减振的干式SPM虽然具有较好的减振效果, 但是容易导致空气和水汽进入氦气进行热交换的空间, 导致结冰, 需要定期清理, 影响设备运行.

      5)难以升级. 现有的近端液化是高度集成的方案, 很难将现有的基于液氦杜瓦的SPM设备升级成干式SPM. 而且, 基于现有方案也无法进一步升级成获得亚K温区的系统.

      Ma等[23]提出了一种的全新的干式技术, 改变了现有Dry-LT-SPM近端安装制冷机的方式. 该团队选择将低频大幅振动的制冷机安装在远端的独立制冷腔体(图16), 并通过三级金属焊接波纹管将制冷机悬浮, 依靠大气压进行平衡, 减小制冷机运行时的振动对其他部件的影响[21]. 参与热交换的氦气在液化腔体内与制冷机进行热交换后被液化, 在通过节流阀时膨胀降温到2 K以下, 成为超流氦(液氦可以没有任何阻碍通过任何孔和缝隙), 并经由柔性液氦输液杆输送至SPM腔体处的连续流式低温恒温器, 为SPM部分进行降温. 汽化后的氦通过氦气回气管在循环泵的作用下传输回液化腔体, 完成整个循环. 在氦气回气管路中, 循环泵的出口安装有一个特制的不锈钢波纹管储气罐. 当气路中氦气液化导致气压减少时, 储气罐会在大气压的作用下压缩, 将气罐中的氦气补充到气路中从而保持气路压强始终维持在近1个大气压. 因此, 即使循环气路中灌入了10 L氦气亦可完成制冷循环并维持气压稳定. 在循环过程中流出连续流式低温恒温器的氦气首先通过液氮冷肼纯化后再进入液化腔体, 以防止气路堵塞, 使得系统能够更长时间且更加稳定地运行.

      Ma等[23]方案的核心是将氦的制冷部分和低温SPM部分拆分成相对独立的两个子系统, 即氦液化子系统和SPM子系统, 两者之间氦的流通由柔性液氦输液杆和氦气回路管承担, 可称之为远端液化方案.

      基于远端液化方案的Dry-LT-STM系统的三维模型如图17所示[23]. 低温SPM子系统部分由两个腔体组成, 分别为表征腔和快速进样腔. 该设备也采用了体积较小、抗振能力较高的Pan式扫描探头[11]. Pan式扫描探头由3根弹簧悬挂在冷指上, 工作状态时的自然频率为1.89 Hz. Ma等[23]选择将连续流低温恒温器安装在SPM腔体的顶部法兰上. 为扫描探头隔热的内、外屏蔽层分别与连续流低温恒温器的一级和二级热交换器紧密配合. 内外级屏蔽罩顶部是镀金的铜板, 其余的热屏蔽罩为铝制且镀银. 扫描探头安装在内屏蔽内, 多股螺旋状的铜辫子连接扫描探头和连续流低温恒温器冷指. 实验结果表明, 当扫描探头被冷却到约20 K时, 通过调节针阀的节流效果进行控制, SPM的样品处温度可进一步下降至3 K, 约一天时间冷却后最低可达到约2.8 K的温度.

      在减振设计上, 该系统一方面用3根弹簧将扫描探头悬挂起来, 并结合磁阻尼进行共同减振; 另一方面由于采用远端液化的方案, GM制冷机与LT-SPM系统相对隔离, 进一步减少了GM制冷机振动带来的影响. 此外, 该系统还采用主动减振气腿支撑起LT-SPM系统, 隔绝地面振动的影响. 最后, 以超流的形式的传输液氦也是减小制冷机振动传输的关键技术点. 通过采用上述的减振措施, 系统最终实现了原子级别的分辨率, 获得了与基于低温杜瓦的SPM系统相媲美的噪音水平(＜1$ {\text{pA/}}\sqrt {{\text{Hz}}} $). 图18展示了基于远端液化方案的Dry-LT-STM系统得到的Au(111)和Ag(110)表面的原子图像, 其振动水平在2 pm以下, 并在其表面测量得到了dI/dV谱[23]. 由于极低的振动水平和优异的温度稳定性, 该系统同样也能够得到CO分子的IETS谱, 并可进行数小时的谱学成像, 如图19所示[23].

    3.   总结与展望

    • 随着技术的发展, Dry-LT-SPM系统接连实现了显著的技术突破, 近端液化与远端液化两种构型的确立, 使Dry-LT-SPM系统更加适应了现代科研的复杂需求. 近端液化虽为早期技术方案, 目前日渐成熟, 性能也已满足日前的基本实验需求, 但是其将制冷机安装SPM系统近端, 这在一定程度上限制了系统的性能提升与未来功能扩展. 相对而言, 远端液化构型以其专有设计的制冷方式和改进的减振机制, 有效克服了近端液化的局限性, 不仅为更高精度的实验操作创造了条件, 而且为系统的进一步发展铺平了道路.

      展望未来, 可以预见远端液化技术将迎来更深入的发展, 比如开发基于远端液化4He方案的3He制冷装置以及3He/4He稀释制冷机, 这将大幅提升SPM系统的低温性能和能量分辨率, 减少系统运行中的热漂移现象, 并实现极低的振动水平, 扩大所研究材料体系的范围. 此外, 干式SPM系统的多功能化将成为发展的新趋势, 如通过集成磁场和激光等附加信号输入, 开发出能够支持电子自旋共振、针尖增强拉曼光谱等技术的设备. 又比如多探针技术的引入, 将使得长时间对复杂样品的多参数测量和纳米级操作成为可能. 这些技术的发展将推动纳米尺度科学和技术的进一步发展, 为其提供更加详尽和准确的纳米尺度表征和操作手段, 进而推动各个领域的科学研究和应用取得重要突破.

    参考文献 (23)

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