掃描隧道顯微鏡(STM)具有實(shí)空間中的原子分辨率成像能力,因而在基礎(chǔ)科學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用,但它對振動(dòng)、甚至聲音等哪怕很微弱的干擾都非常敏感,所以通常需要在隔音、減震很好的準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境中工作。STM的一個(gè)很重要的應(yīng)用是在強(qiáng)磁場中成像,但迄今都工作于超導(dǎo)磁體中,因?yàn)槌瑢?dǎo)磁體的振動(dòng)小,很安靜。然而超導(dǎo)磁體受限于臨界磁場,產(chǎn)生的磁場難以超過23T,所以國際上強(qiáng)磁場STM雖發(fā)展多年,但其工作的最強(qiáng)磁場仍然不超過20T。水冷磁體(water-cooled magnet,簡稱WM)以及由水冷磁體和超導(dǎo)磁體構(gòu)成的混合磁體(hybrid magnet)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場,但其在高壓大流量冷卻水流的沖擊下也會(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)與噪聲,這對原子分辨率STM成像是嚴(yán)重挑戰(zhàn),所以國際上至今尚沒有實(shí)現(xiàn)在水冷磁體強(qiáng)磁場中的STM成像。?
近日,中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心陸輕鈾研究組首次在編號(hào)為WM4的水冷磁體中實(shí)現(xiàn)了27T強(qiáng)磁場環(huán)境下的STM原子分辨率成像,得到的石墨樣品的原始成像數(shù)據(jù)(raw data image)。WM4磁體的口徑為32mm。這一試驗(yàn)的成功為強(qiáng)磁場STM實(shí)驗(yàn)研究提供了國際先進(jìn)的技術(shù)手段,也為在即將竣工的45T混合磁體(口徑也為32mm)中實(shí)現(xiàn)更高磁場下的STM原子分辨率成像研究鋪平了道路。?
陸輕鈾研究組長期致力于惡劣條件下的STM研制工作,先后研制出適用于狹小空間惡劣環(huán)境中原子分辨率STM成像的多種高剛性、高穩(wěn)定壓電馬達(dá),如GeckoDrive、TunaDriver、PandaDrive和SpiderDrive等及其制成的掃描探針顯微鏡,相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)儀器評論》、《超顯微學(xué)》、《掃描》期刊上(Review of Scientific Instruments 80, 085104 (2009);Review of Scientific Instruments 84, 113703 (2013);Review of Scientific Instruments 84, 56106 (2013);Review of Scientific Instruments 83, 115111 (2012);Ultramicroscopy 147, 133 (2014);Scanning 36, 554 (2014);Review of Scientific Instruments 85, 56108 (2014) 等)。并獲得了20余項(xiàng)國家發(fā)明專利的授權(quán)。在這些系統(tǒng)性工作的基礎(chǔ)上,陸輕鈾研究組最終克服了水冷磁體的大振動(dòng)和強(qiáng)噪音對STM的干擾,在國際上首次實(shí)現(xiàn)了在高達(dá)27T強(qiáng)磁場環(huán)境下的高清晰STM原子分辨率成像。?
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上圖:10 MW水冷磁體(WM4)中獲得的27 T強(qiáng)磁場下的高定向熱解石墨(HOPG)樣品的原子分辨率STM圖像(未作任何處理的raw data image,圖像尺寸:2.4 nm × 2.4 nm)。下圖:該STM在WM4水冷磁體中的實(shí)物照片