多探針掃描隧道顯微鏡分時復用切換技術研發進展

科學儀器的發展，不斷促進對新材料的探索，從而直接或間接影響各科技領域的方方面面。工欲善其事必先利其器，深化與落實科學儀器的自主研發，更是科技攻關的橋頭堡。掃描隧道顯微鏡（STM），及一系列掃描探針顯微鏡（SPM） ：原子力顯微鏡（AFM）、掃描近場光學顯微鏡（SNOM） 等，掀起一場納米技術革命，廣泛應用于材料表面納米尺度局域電子態、形貌以及分子振動等豐富物性的研究。電輸運性質作為材料的關鍵參數，被廣泛關注。集成多個獨立STM的多探針STM系統，通過施加電/力等調控手段，實現納米尺度、原位表征材料局域電子態與局域電輸運性質，有望加速后摩爾時代新器件的基礎研究。四探針 STM 可實現微觀體系的四端法測量，有效消除接觸電阻帶來的測量誤差，獲得材料的本征電導率。

圖1：分時復用切換方案

多個獨立探針的協同操縱和成像，往往需要相同數量的多套STM控制系統。隨著STM探針／壓電驅動部件的增加，多探針控制系統的成本和復雜度急劇增加。因此，發展低成本、高效率、可擴展的通用控制解決方案，實現STM控制系統分時操縱多個探針、乃至探針陣列的技術十分必要。

圖2：分時復用系統硬件設計

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞研究團隊多年來一直致力于掃描探針顯微學及其在低維量子結構方面的應用，在前沿科學研究取得一系列重要成果。同時，他們也在相關高精尖儀器自主研制方面不斷積累，奠定了扎實的基礎。物理所技術部郇慶/劉利團隊一直致力于科研儀器設備的自主研發，與所內外多個課題組緊密合作，在核心關鍵部件、成套系統等方面取得了一系列成果（包括一臺商業化四探針系統的徹底升級改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】、光學-低溫掃描探針顯微鏡超高真空聯合系統【Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018)】和新一代高通量薄膜制備及原位表征系統【Review of Scientific Instruments 91, 013904 (2020)】的自主研制）。兩個團隊再次密切合作、聯合攻關，共同指導N04組博士生嚴佳浩（已畢業，愛爾蘭科克大學博士后）、馬佳俊、王愛偉（已畢業，國家納米中心博士后）、馬瑞松（已畢業，物理所關鍵技術人才）等同學成功研制并搭建了一臺多探針STM分時復用切換系統，完成單個STM控制系統依次操縱多個探針在納米尺度下的成像與定位，以及維持探針位置后的局域電輸運測量。該系統采用的核心思路為研發團隊首次提出，軟硬件均完全自主研發，采用了ARM + DSP + FPGA多核數字平臺來兼備復雜切換邏輯、多路高精度高速并行采樣與數據處理，涉及C/C++與Verilog HDL編程語言，并提供圖形操作界面以提高易操作性，具備多項獨特優點：1）單個探針內大、小掃描管及多個探針間的無縫切換，無瞬態抖動；2）皮安級電流切換；3）任意單個探針具備毫米級移動范圍與原子級空間分辨；４）多個探針可無限靠近，最小距離僅取決于針尖曲率半徑；５）原位、納米尺度、相同區域內，STM成像與電輸運測量。

圖3：分時復用切換系統軟件架構

該聯合研發團隊用６年多時間對系統進行了反復地設計優化和改進，并進行了全面性能測試。該研發成果所涉及的多項關鍵技術，如微弱信號的放大與切換、高穩定電壓保持、復雜控制邏輯等，是未來大規模探針陣列應用的重要技術基礎。分時切換的核心思路具有可擴展性強、成本低廉的特點，有望在材料基因組研究高通量表征領域有廣泛的應用。

圖4：分時復用切換系統部分圖形用戶界面

該系統的詳細介紹發表在近期的《科學儀器評論》雜志上【Review of Scientific Instruments 92, 103702 (2021); doi: 10.1063/5.0056634】。該工作得到了中國科學院關鍵技術研發團隊項目(GJJSTD20200005)、國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目(11927808)和國家自然科學基金委青年基金項目(12004417)等的支持。

圖5：單STM探針空間定位

圖6：多探針切換與空間定位