本文關(guān)鍵詞：27T水冷磁體掃描隧道顯微鏡原子分辨率成像

  更多相關(guān)文章： 掃描隧道顯微鏡 水冷磁體 超導(dǎo)磁體 強(qiáng)磁場 壓電馬達(dá) 高定向熱解石墨

【摘要】：掃描隧道顯微鏡(STM)誕生于上世紀(jì)80年代,是一種集合了精密機(jī)械設(shè)計(jì)、微弱信號(hào)測量、智能數(shù)據(jù)采集的高精尖機(jī)電一體化設(shè)備。STM不僅能夠提供材料表面原子分辨率形貌,還能夠結(jié)合掃描隧道譜學(xué)(STS)獲得材料的能帶結(jié)構(gòu)信息,這些可以和量子理論進(jìn)行精確比對(duì),廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科學(xué)研究。在掃描隧道顯微鏡的發(fā)展歷程中,通過結(jié)合不同類型的測試環(huán)境,例如在室溫大氣、溶液、低溫、強(qiáng)磁場等條件下,發(fā)展出了電化學(xué)掃描隧道顯微鏡、低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡、以及針尖增強(qiáng)型的掃描隧道顯微鏡等。但是這其中最廣泛也是最基礎(chǔ)的應(yīng)用是在低溫和強(qiáng)磁場中,這是研究高溫超導(dǎo)材料、量子相變機(jī)制、電荷密度系統(tǒng)、半導(dǎo)體材料以及磁性材料的重要條件。高溫超導(dǎo)材料一直是凝聚態(tài)物理強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的熱門材料,大量研究著眼于超導(dǎo)性質(zhì)與磁場相互作用的相變。在高溫超導(dǎo)中,存在兩個(gè)臨界磁場,在磁場強(qiáng)度大于下臨界磁場時(shí),磁場會(huì)以量子化的磁通線穿過樣品,攜帶一個(gè)單元的Hc/2e的磁通量子,以庫珀對(duì)的方式作用于超導(dǎo)特性,直到磁場上升至上臨界場材料(通常為幾十到幾百特斯拉)的超導(dǎo)電性才會(huì)被抑制。高場研究可以加深我們對(duì)這一區(qū)間相變的理解,而常用的角分辨光電能譜(ARPES)在強(qiáng)磁場時(shí)不可行的,我們的研究手段只能轉(zhuǎn)向掃描隧道顯微鏡。強(qiáng)磁場的掃描隧道顯微鏡是對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行研究的最佳手段,能夠以極高的能量分辨率觀測材料能量空間的信息,包括能隙、朗道能級(jí)振蕩以及其他費(fèi)米面附近的性質(zhì)。目前國際上流行的高場STM都是與超導(dǎo)磁體聯(lián)用,主要因?yàn)槌瑢?dǎo)磁體尤其是液氦浸泡的超導(dǎo)磁體,其工作時(shí)振動(dòng)小,噪音弱,而STM是一種對(duì)外界干擾十分敏感的設(shè)備,這使得超導(dǎo)磁體中的STM成為相對(duì)容易搭建的設(shè)備。目前已報(bào)道的18T高場STM的記錄就是在超導(dǎo)磁體中實(shí)現(xiàn)的。但是由于受到當(dāng)前超導(dǎo)材料自身臨界電流的限制,超導(dǎo)磁體反而成為了STM朝向更高場發(fā)展的屏障。盡管美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)出了27T超導(dǎo)磁體,但是代價(jià)太高,想要商業(yè)化的道路還很長。為此,將目光轉(zhuǎn)向能夠產(chǎn)生更高磁場的水冷磁體或者是混合磁體成為了必然。掃描隧道顯微鏡是一種在原子尺度探測材料表面特性的儀器,對(duì)外界的干擾十分敏感。水冷磁體在工作中由于需要使用大量的冷卻水將磁體工作過程中產(chǎn)生的焦耳熱帶走,會(huì)產(chǎn)生高達(dá)85dB環(huán)境嗓音和平臺(tái)的振動(dòng)干擾�？梢�,研制水冷磁體下的掃描隧道顯微鏡最大的挑戰(zhàn)是水冷磁體工作過程中伴隨的極端惡劣條件。我們?yōu)橹锌圃簭?qiáng)磁場科學(xué)中心實(shí)驗(yàn)室編號(hào)WM4水冷磁體量身定做了一套完整的掃描隧道顯微鏡系統(tǒng),系統(tǒng)的特點(diǎn)有以下三個(gè)方面：1、合理設(shè)計(jì)的減振系統(tǒng)：水冷磁體工作過程中其平臺(tái)的振動(dòng)譜數(shù)據(jù)顯示振動(dòng)主要集中在500HZ至2000HZ,相較于普通建筑物的噪音屬于高頻處的影響占主要地位,且強(qiáng)度是普通環(huán)境振動(dòng)的80倍以上。針對(duì)這種頻率較高的振動(dòng)噪音,高品質(zhì)因子的彈簧懸吊減振是很好的解決方案。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了多級(jí)串聯(lián)減振構(gòu)架,包括三級(jí)重彈簧懸吊和六級(jí)重水泥磚橡膠墊間隔層疊減振系統(tǒng)。2、超剛性STM鏡體單元：通過外部減振設(shè)計(jì),高頻段振動(dòng)噪音會(huì)被大量抑制,但是低頻噪音會(huì)進(jìn)入到鏡體單元上。增強(qiáng)鏡體單元的剛性提升掃描隧道回路的共振頻率可以有效地衰減傳入的低頻振動(dòng)干擾。新設(shè)計(jì)鏡體單元擁有“專利設(shè)計(jì)”推力高達(dá)1.5N的相向摩擦減阻力型三折疊壓電堆棧馬達(dá),緊湊的壓電馬達(dá)推動(dòng)分離式微型掃描頭結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)了掃描隧道回路的超剛性,增加了對(duì)外界振動(dòng)的抗干擾能力。3、多用途液氮冷帳式真空腔室：帶有液氮冷帳的低溫準(zhǔn)備腔室設(shè)計(jì),最大程度的增加液氮的冷凝面的面積,獲得潔凈的高真空(10-5 Torr),該設(shè)計(jì)與水冷磁體兼容,能夠有效地隔絕外界噪音對(duì)掃描隧道回路的干擾,高真空也保護(hù)了活潑樣品的表面免收污染。同時(shí)腔室外部可拓展如Load-Loc k,樣品生長等功能。通過以上設(shè)計(jì),我們克服了水冷磁體工作中惡劣的振動(dòng)和噪音環(huán)境帶來的干擾,實(shí)現(xiàn)了世界上首次水冷磁體中的STM原子分辨率成像,獲得了石墨的高清原子數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)也為在即將完工的高達(dá)45T的混合磁體中實(shí)現(xiàn)原子分辨率鋪平了道路,使得在極高場下直接觀察材料表面以及能帶特性成為了可能。該工作發(fā)表于納米類著名期刊Nanoresearch上,審稿人認(rèn)為"this work will make a huge inpact in the STM community".有關(guān)該裝置的詳細(xì)說明見正文第四章。為了實(shí)現(xiàn)水冷磁體中高場成像,我們?cè)谇捌谧隽撕芏噤亯|性設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn),分別在第二章、第三章列出：在第二章中我們?cè)O(shè)計(jì)了一款適用于低溫、優(yōu)于普通超高真空的掃描隧道顯微鏡。設(shè)計(jì)了分離式掃描頭的第一個(gè)版本——水平放置的分離式掃描結(jié)構(gòu)單元,從而減小了樣品探針的掃描機(jī)械回路,實(shí)現(xiàn)了掃描的高穩(wěn)定；粗逼近馬達(dá)是雙掃描管并推慣性馬達(dá),提升了慣性馬達(dá)的推力和降低了啟動(dòng)電壓。同時(shí)分離式的結(jié)構(gòu)隔離了粗逼近馬達(dá)的不穩(wěn)定性使掃描機(jī)械回路免受干擾；解決了將密封鏡體單元的真空腔室的完全浸泡于液氮中的技術(shù)難題,使得樣品區(qū)域具有超高真空和強(qiáng)冷卻功率。在第三章中我們?cè)O(shè)計(jì)了一款適用于18/20T超導(dǎo)磁體的掃描隧道顯微鏡。該裝置設(shè)計(jì)了首款多用途液氮冷帳式真空腔室,并使用其作為低溫真空準(zhǔn)備腔與超導(dǎo)磁體聯(lián)用在沒有使用離子泵、鈦升華泵基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)備腔內(nèi)真空度10-9 Torr：多用途液氮冷帳式真空腔室內(nèi)部設(shè)計(jì)自重性“機(jī)械手”,可以實(shí)現(xiàn)樣品在磁體中心與準(zhǔn)備腔之間的轉(zhuǎn)移,具有原位解離的功能：該裝置的鏡體單元結(jié)構(gòu)緊湊,使用了縱向分離式微型掃描頭結(jié)構(gòu),配合低溫強(qiáng)磁場下工作流暢的專利設(shè)計(jì)縱向慣性蜘蛛馬達(dá),裝置在12K高場下獲得清晰原子圖像。在第五章,我們提出STM在水冷磁體中的應(yīng)用改進(jìn),主要包括液氦低溫制冷設(shè)計(jì)以及適用于更小腔體孔徑的STM鏡體單元。同時(shí)也提出了一款專利設(shè)計(jì)的全新壓電馬達(dá),擁有更緊湊的設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的推力,這都有望被應(yīng)用于水冷磁體以及未來的混合磁體中。
【關(guān)鍵詞】：掃描隧道顯微鏡 水冷磁體 超導(dǎo)磁體 強(qiáng)磁場 壓電馬達(dá) 高定向熱解石墨
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH742
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-14
• 第一章 掃描隧道顯微鏡背景介紹14-30
• 1.1 概述14-16
• 1.2 掃描隧道顯微鏡工作原理16-19
• 1.2.1 量子隧穿效應(yīng)16-17
• 1.2.2 掃描隧道顯微鏡結(jié)構(gòu)與工作模式17-19
• 1.3 掃描隧道譜學(xué)研究19-23
• 1.3.1 微分電導(dǎo)譜20-22
• 1.3.2 二次微分譜22-23
• 1.4 掃描隧道顯微鏡減震設(shè)計(jì)原理23-27
• 1.4.1 外部振動(dòng)系統(tǒng)24-26
• 1.4.2 鏡體振動(dòng)系統(tǒng)26-27
• 1.4.3 內(nèi)外結(jié)合減振27
• 1.5 本章小結(jié)27-28
• 參考文獻(xiàn)28-30
• 第二章 超高真空低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)30-50
• 2.1 背景介紹30-32
• 2.2 減震隔音單元設(shè)計(jì)32-33
• 2.3 掃描隧道顯微鏡鏡體單元33-37
• 2.4 組合式真空腔體37-43
• 2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論43-47
• 參考文獻(xiàn)47-50
• 第三章 18T超導(dǎo)磁體中掃描隧道顯微鏡研制50-64
• 3.1 背景介紹50
• 3.2 磁體簡介50-51
• 3.3 裝置簡介51-57
• 3.3.1 超高真空腔室51-53
• 3.3.2 STM鏡體單元53-54
• 3.3.3 探針樣品更換以及樣品原位解離54-55
• 3.3.4 電路及控制系統(tǒng)介紹55-57
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果57-60
• 3.5 小結(jié)與討論60-62
• 參考文獻(xiàn)62-64
• 第四章 水冷磁體中掃描隧道顯微鏡研制64-90
• 4.1 背景介紹64-66
• 4.2 磁體簡介66-69
• 4.3 水冷磁體下掃描隧道顯微鏡的研制69-85
• 4.3.1 鏡體結(jié)構(gòu)單元69-80
• 4.3.2 真空腔室系統(tǒng)80-82
• 4.3.3 減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)82-85
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果85-87
• 4.5 討論與小結(jié)87-89
• 參考文獻(xiàn)89-90
• 第五章 水冷磁體在掃描探針顯微鏡的拓展90-98
• 5.1 背景介紹90-91
• 5.2 低溫水冷磁體掃描隧道顯微鏡拓展91-93
• 5.3 水冷磁體上發(fā)展SPM儀器93
• 5.4 一種高效的馬達(dá)控制法93-96
• 參考文獻(xiàn)96-98
• 在讀期間發(fā)表的論文及取得的研究成果98-100
• 致謝100

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 向東;王青玲;柳金鳳;何開華;;在掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)中開展研究性學(xué)習(xí)[J];實(shí)驗(yàn)室研究與探索;2007年03期

2 姜宇;徐送寧;;掃描隧道顯微鏡探針針尖的制作[J];中國高新技術(shù)企業(yè);2008年09期

3 柴立全;楊樂;;掃描隧道顯微鏡的技術(shù)研究[J];實(shí)驗(yàn)室科學(xué);2008年04期

4 齊磊;曹劍英;;掃描隧道顯微鏡簡介[J];赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年03期

5 沈電洪;王昌衡;林彰達(dá);;掃描隧道顯微鏡的工作原理及其進(jìn)展[J];國外科學(xué)儀器;1985年05期

6 戴道宣;掃描隧道顯微鏡[J];物理;1985年04期

7 姚駿恩;商廣義;焦越坎;藝苑;白春禮;賀節(jié);鐘集昌;榮德年;;一種原子分辨率掃描隧道顯微鏡[J];電子顯微學(xué)報(bào);1988年01期

8 姚駿恩;;掃描隧道顯微鏡的進(jìn)展——1989年第四屆國際掃描隧道顯微鏡會(huì)議概況[J];國外科學(xué)儀器;1989年03期

9 陳虞峰,黃金林;掃描隧道顯微鏡[J];真空科學(xué)與技術(shù);1989年02期

10 陳虞峰,黃金林,許衛(wèi),華中一;掃描隧道顯微鏡的一種新模式[J];真空科學(xué)與技術(shù);1989年05期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 姚駿恩;商廣義;賀節(jié);;大范圍高分辨掃描隧道顯微鏡的研究[A];第六次全國電子顯微學(xué)會(huì)議論文摘要集[C];1990年

2 梁景洪;劉玲;魏奕民;李紀(jì)軍;顏佳偉;毛秉偉;;掃描隧道顯微鏡裂結(jié)法測量銀量子電導(dǎo)[A];中國化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場摘要集[C];2010年

3 沈?qū)W浩;葉曦;;淺談教學(xué)型掃描隧道顯微鏡的使用與維護(hù)[A];第六屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)論文集（下冊(cè)）[C];2010年

4 金閑馳;衛(wèi)東;馬志博;戴東旭;楊學(xué)明;;用于表面光化學(xué)研究的低溫掃描隧道顯微鏡的設(shè)計(jì)、搭建與調(diào)試[A];第十三屆全國化學(xué)動(dòng)力學(xué)會(huì)議報(bào)告摘要集[C];2013年

5 李夢(mèng)超;傅星;胡小唐;;掃描隧道顯微鏡振動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的研究[A];全國生產(chǎn)工程第九屆年會(huì)暨第四屆青年科技工作者學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（二）[C];2004年

6 李彥;林昌健;卓向東;;掃描微電極與掃描隧道顯微鏡聯(lián)用系統(tǒng)及其微探針研究[A];2006年全國腐蝕電化學(xué)及測試方法學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2006年

7 李超;向菲菲;王仲平;劉小青;蔣丹鳳;王立;;通過掃描隧道顯微鏡對(duì)單個(gè)二氯酞菁錫分子在銅(100)表面的室溫操縱[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第01分會(huì)：表面物理化學(xué)[C];2014年

8 李彥;胡融剛;卓向東;林昌健;;掃描微電極技術(shù)與掃描隧道顯微鏡聯(lián)用系統(tǒng)的研制[A];第十三次全國電化學(xué)會(huì)議論文摘要集（下集）[C];2005年

9 陳曦;;超高真空極低溫強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡的研制[A];中國真空學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2006年

10 時(shí)東霞;Joshua B.Ballard;Erin S.Carmichael;Joseph W.Lyding;Martin Gruebele;;激光輔助掃描隧道顯微鏡對(duì)納米碳管的研究[A];中國化學(xué)會(huì)第二十五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集（上冊(cè)）[C];2006年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 本報(bào)記者 孫利華 實(shí)習(xí)生 許彬 通訊員 彭為民;“做自己想要做的事”[N];洛陽日?qǐng)?bào);2006年

2 李含);諾獎(jiǎng)獲得者 Heinrich Rohrer做客清華論壇[N];新清華;2007年

3 毛黎邋馮衛(wèi)東;美德科學(xué)家提出電子器件存儲(chǔ)新機(jī)制[N];科技日?qǐng)?bào);2007年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 孟文杰;27T水冷磁體掃描隧道顯微鏡原子分辨率成像[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 郭穎;適用于極端與惡劣環(huán)境中的掃描隧道顯微鏡的研制[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

3 李全鋒;超快與強(qiáng)磁場掃描隧道顯微鏡研制[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

4 潘拴;金屬表面分子吸附體系表征與調(diào)控的掃描隧道顯微學(xué)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

5 侯玉斌;高精密掃描隧道顯微鏡及原子力顯微鏡研制[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

6 張超;不同襯底上分子的掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

7 謝楠;超快激光耦合掃描隧道顯微鏡的研制和功能化材料的研究[D];南開大學(xué);2013年

8 王俊聽;低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)研制及層狀材料缺陷研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

9 陳留國;掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光中的光學(xué)檢測和單分子發(fā)光研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

10 陶偉;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[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉佩;掃描隧道顯微鏡研究芴衍生物在石墨表面的自組裝[D];華南理工大學(xué);2015年

2 姜建偉;多層鋅卟啉分子薄膜掃描隧道顯微鏡誘導(dǎo)發(fā)光[D];華東師范大學(xué);2015年

3 伏明明;大范圍、高深—寬比掃描隧道顯微鏡技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2010年

4 李俚;檢測超精表面的掃描隧道顯微鏡樣機(jī)的研制及應(yīng)用研究[D];廣西大學(xué);2002年

5 馬尚行;掃描隧道顯微鏡的新方法研究和系統(tǒng)研制[D];浙江大學(xué);2005年

6 張建明;掃描隧道顯微鏡運(yùn)行及圖像重建軟件研究[D];重慶大學(xué);2003年

7 柏菲;色散介質(zhì)光子掃描隧道顯微鏡成像的數(shù)值模擬[D];大連理工大學(xué);2005年

8 程舒雯;掃描隧道顯微鏡性能優(yōu)化及實(shí)用化研究[D];浙江大學(xué);2003年

9 樊英民;低溫掃描隧道顯微鏡部分電子電路的研制[D];西北大學(xué);2008年

10 高彥錕;光子掃描隧道顯微鏡相關(guān)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究[D];大連理工大學(xué);2000年

，

本文編號(hào)：895437