掃描探針顯微鏡的研制與極端條件下電子關(guān)聯(lián)材料的磁性研究.pdf

1、基于量子隧穿原理的掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，簡(jiǎn)寫為STM）因?yàn)榫哂袑?duì)導(dǎo)電樣品表面原子級(jí)別的空間分辨能力，在表面科學(xué)與納米科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，人們利用掃描隧道顯微鏡開(kāi)展對(duì)超導(dǎo)樣品表面電子序的研究，在低溫環(huán)境下對(duì)原子進(jìn)行人工移動(dòng)和操控，對(duì)溶液中樣品進(jìn)行開(kāi)展化學(xué)方面的研究等等。值得注意的是，利用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行研究的樣品在尺寸上常常是較為微小的，很多是在微米甚至納米級(jí)別的。這就對(duì)

2、掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐脒M(jìn)行掃描測(cè)試首先就得把細(xì)長(zhǎng)的STM探針對(duì)準(zhǔn)到微米或者納米級(jí)別樣品的表面。
　　 在極端條件如超高真空、低溫、極低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)等環(huán)境下面，很多材料表現(xiàn)出了一些非常奇異的物理性質(zhì)，如超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)、德哈斯-范阿爾芬效應(yīng)和量子相變等等。因此，搭建一臺(tái)能夠在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下工作的掃描隧道顯微鏡已成為世界上很多研究小組的研究項(xiàng)目。目前，世界上一些小組已經(jīng)研制出了能夠在磁場(chǎng)環(huán)境中工作的掃描隧道

3、顯微鏡，但是磁場(chǎng)強(qiáng)度不是很高（很多小組的最大可工作磁場(chǎng)在10T左右），這大大限制了STM的應(yīng)用范圍。
　　 磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscope，簡(jiǎn)寫為MFM）是一種利用微懸臂的動(dòng)力學(xué)原理對(duì)磁性樣品的表面磁結(jié)構(gòu)梯度進(jìn)行表征的儀器。在研究磁性材料方面得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在幾乎成為一種常規(guī)的物性表征手段。但低溫強(qiáng)磁場(chǎng)條件下面的磁力顯微鏡依然很少，因?yàn)榉湃氪朋w環(huán)境中會(huì)面臨很多問(wèn)題，比如磁體中心的孔徑較小，不適

4、合放入外徑過(guò)大的鏡體;磁體本身會(huì)帶來(lái)很多信號(hào)的干擾等等。
　　 針對(duì)以上的問(wèn)題和現(xiàn)狀，博士期間，在老師的精心指導(dǎo)下我的主要工作有以下幾部分:
　　 首先，通過(guò)對(duì)掃描隧道顯微鏡對(duì)準(zhǔn)微小樣品測(cè)量時(shí)所遇到難點(diǎn)的認(rèn)真分析，我精心設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一款能夠?qū)ξ⑿悠愤M(jìn)行定位并掃描成像的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。利用該STM系統(tǒng)，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)十幾至幾十微米大小樣品的一次性精確定位并掃描成像，克服了以前用STM測(cè)量小樣品方面的諸多不足。由于很多

5、人們感興趣的樣品尺寸往往都比較小，很多是在微米量級(jí)的，比如最近比較熱門的石墨烯材料、一些重要的微晶樣品、電子裝置（如磁隧道結(jié)、碳納米管晶體管等）等等;因而我們的這款顯微鏡具有非常重要的應(yīng)用方面價(jià)值。
　　 目前，世界上用STM測(cè)量微小樣品常用的方法有:(1)利用馬達(dá)使得探針盲目地向微小樣品步進(jìn)，經(jīng)過(guò)多次嘗試直到探測(cè)到指定的樣品(2)使用一臺(tái)具有大范圍搜索功能的掃描隧道顯微鏡。(3)使用掃描隧道顯微鏡-掃描電子顯微鏡(STM-SE

6、M)組合鏡體，或者掃描隧道顯微鏡-透射電子顯微鏡(STM-TEM)組合鏡體。無(wú)疑，這些方法的缺點(diǎn)是很明顯的:或者是比較耗時(shí)耗力、效率低（方法1和2），或者是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且兼容性比較差，不能進(jìn)一步在強(qiáng)磁場(chǎng)等極端環(huán)境中測(cè)量（方法3）等等。
　　 相比較于上面幾種方法，我們?cè)O(shè)計(jì)的這臺(tái)STM有以下幾大優(yōu)勢(shì):(1)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小樣品的一次性精確定位。鏡體采用了分體式掃描結(jié)構(gòu)，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的核心部分是一包含了針、樣品和掃描管的軟隧道結(jié)力學(xué)回路。

7、該力學(xué)回路上的小掃描管四個(gè)外電極負(fù)責(zé)對(duì)樣品的兩維平面內(nèi)的掃描，內(nèi)電極用來(lái)調(diào)節(jié)隧道結(jié)的間距。該回路可以自由移動(dòng)，首先在光學(xué)顯微鏡下面把探針對(duì)準(zhǔn)到樣品上面之后，用銀膠粘到一個(gè)三角形形狀的滑塊上面，再移置到鏡體的步進(jìn)掃描管頂端的三個(gè)藍(lán)寶石珠構(gòu)成的平面上。(2)全低壓步進(jìn)，減少了高壓步進(jìn)時(shí)對(duì)隧道電流信號(hào)的干擾?；瑝K的粗逼近采用了慣性原理和“探-甩”結(jié)合機(jī)制。先在掃描管上面施加一緩慢變大的電壓使得掃描管向前探出，滑塊由于靜摩擦力作用會(huì)跟著前探。倘

8、前放電壓大于0.2V則粗逼近過(guò)程終止，滑塊停止步進(jìn)。如果電壓不大于0.2伏，則滑塊快速撤回到自然狀態(tài)，緊接著給掃描管施加一個(gè)尖峰信號(hào)，滑塊由于慣性作用會(huì)向前甩出一小步。粗逼近完成后，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)針樣品之間間距執(zhí)行細(xì)逼近，最后進(jìn)行掃描成像。(3)兼容性好，可以方便地移植到低溫強(qiáng)磁場(chǎng)中測(cè)量。由于我們的對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（軟隧道結(jié)力學(xué)回路）是獨(dú)立于步進(jìn)結(jié)構(gòu)的，因而在把探針對(duì)準(zhǔn)到了樣品之后，可以直接放到低溫STM鏡體里，然后移植到我們實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買的強(qiáng)磁體(

9、18/20T)中進(jìn)行測(cè)量。
　　 我們的實(shí)測(cè)結(jié)果表明該款顯微鏡具有非常高的定位精度、信號(hào)穩(wěn)定性和測(cè)量重復(fù)性。高質(zhì)量的小石墨樣品原子圖像在一個(gè)月之后依然能很容易地掃描得到。實(shí)測(cè)的隧道電流譜的e指數(shù)關(guān)系曲線也同時(shí)表明了該鏡體的隧道結(jié)力學(xué)回路良好的穩(wěn)定性。相關(guān)的詳細(xì)鏡體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)，已經(jīng)發(fā)表在了SCI二區(qū)期刊Review of Scientific Instruments上面。
　　 此外，利用該鏡

10、體高質(zhì)量的成像能力，在王霽浩的協(xié)助下我們迄今第一次發(fā)現(xiàn)了電流對(duì)石墨烯的晶格點(diǎn)陣具有顯著的調(diào)制效應(yīng)。清晰的原子精度圖像表明石墨烯樣品在未加電流和施加電流之后的晶格點(diǎn)陣有明顯差異。
　　 其次，我和實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)畢業(yè)的博士生李全鋒，以及實(shí)驗(yàn)室的副研究員侯玉斌還完成了組合顯微鏡鏡體中的掃描隧道顯微鏡部分（簡(jiǎn)稱為SMA掃描隧道顯微鏡）在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下（磁場(chǎng)高達(dá)18/20T）的項(xiàng)目驗(yàn)收工作。我們成功獲得了在磁體插件上的前置放大電路的12fA電流

11、分辨率測(cè)量和18T強(qiáng)磁場(chǎng)下面石墨原子圖像的測(cè)量。前者要高于李全鋒已經(jīng)發(fā)表在科學(xué)儀器評(píng)論期刊上相同條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)(20fA，迄今世界已發(fā)表的最高紀(jì)錄)，遠(yuǎn)高于世界上別的研究小組的最高電流分辨率(49fA)，為進(jìn)一步在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下面進(jìn)行絕緣體的STM測(cè)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 組合顯微鏡是由三種顯微鏡——掃描隧道顯微鏡、磁力顯微鏡和原子力顯微鏡集成于一個(gè)鏡體中的兼具三種不同功能的顯微鏡系統(tǒng)。利用組合顯微鏡我們可以實(shí)現(xiàn)利用三種各不

12、相同的表面表征手段對(duì)同一塊樣品的同一個(gè)位置的性質(zhì)研究。我們這臺(tái)低溫強(qiáng)磁場(chǎng)STM具有以下幾大優(yōu)勢(shì):(1)具有目前世界上同等條件下最高的電流分辨能力(12fA)，使得在低溫磁場(chǎng)下測(cè)量絕緣體樣品成為可能;(2)20T的石墨原子圖形是世界上磁場(chǎng)情況下測(cè)量的最高紀(jì)錄，與當(dāng)前世界上最高紀(jì)錄相持平。但是，與現(xiàn)有紀(jì)錄的18T條件下的紀(jì)錄相比較，我們的強(qiáng)磁場(chǎng)18T STM具有明顯的幾大優(yōu)點(diǎn):首先，樣品測(cè)量環(huán)境是低溫環(huán)境，我們的鏡體插件是直接浸泡在液氦中的

13、，利用該鏡體可以直接進(jìn)行低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的樣品測(cè)量。相比之下，目前最高紀(jì)錄的18T圖像是在室溫環(huán)境下面的成像。其次，鏡體馬達(dá)步進(jìn)掃描管較為短粗并且采用了內(nèi)電極分割技術(shù)，使得即使在液氦環(huán)境下馬達(dá)低電壓就可行走（最低啟動(dòng)電壓為6伏），從而大大減低了低溫下面步進(jìn)信號(hào)對(duì)隧道電流信號(hào)的耦合干擾。第三，我們自創(chuàng)和設(shè)計(jì)了一系列隔振消音措施和工件，大大降低了外界干擾對(duì)測(cè)量的影響。對(duì)整個(gè)磁體裝置采用了彈簧懸吊，同時(shí)磁體周圍包裹了多層吸音海綿;整個(gè)掃描隧道

14、顯微鏡鏡體材料一律用無(wú)磁材料加工而成，通過(guò)彈簧懸吊于磁體插件上，大大降低外界干擾（如液氦揮發(fā)，磁場(chǎng)梯度不均勻性等），同時(shí)又可隨意拆卸，便于操作，兼容性好。
　　 對(duì)電流分辨率的測(cè)量，我們通過(guò)使用一阻值高達(dá)100G的大電阻來(lái)模擬隧道結(jié)電阻，通過(guò)改變輸入電壓來(lái)模擬隧道電流變化。在實(shí)際的位于磁體插件頂部的前置放大電路的輸出端口測(cè)量當(dāng)輸入端的隧道電流改變時(shí)輸出電壓的變化。通過(guò)高斯擬合最終知道我們的前放最高電流分辨率12fA。驗(yàn)收專家組給

15、予了我們項(xiàng)目極高的評(píng)價(jià):“……該系統(tǒng)的成功研制，不但填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在高靈敏、超強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件掃描隧道顯微鏡研制方面的空白，而且在國(guó)際上還首次實(shí)現(xiàn)了全低壓、最高電流分辨率（12fA）……，將對(duì)推動(dòng)材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展發(fā)揮重要的促進(jìn)作用……”。
　　 此外，我還對(duì)一款能夠把樣品溫度精確降到液氦溫度和具有切割樣品功能的掃描隧道顯微鏡鏡體進(jìn)行了初步測(cè)試，利用磁體插件的STM電路系統(tǒng)對(duì)高序熱解石墨進(jìn)行了成像，并且獲得了良好的隧

16、道電流譜線與原子分辨率圖像，為下一步在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)中的切割樣品測(cè)試奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　 第三，我利用實(shí)驗(yàn)室去年已畢業(yè)博士生施益智同學(xué)調(diào)試成功的組合顯微鏡鏡體中磁力顯微鏡部分對(duì)La(5/8-x)PrxCa3/8MnO3單晶薄膜樣品進(jìn)行了極端環(huán)境下的磁疇結(jié)構(gòu)測(cè)量。我們?cè)贚a(5/8-x)PrxCa3/8MnO3薄膜這種材料中非常直觀地證實(shí)了該體系中確實(shí)存在著電子相分離現(xiàn)象，F(xiàn)M相與絕緣相在一定的溫度區(qū)間共存，并且鐵磁性區(qū)域的比例隨