[發(fā)明專利]一種利用閉循環(huán)制冷機致冷的低溫掃描隧道顯微鏡

有效

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• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN103901232A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設計）人: 吳施偉;張帥;黃迪
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01Q60/10
• 分類號: G01Q60/10
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;王潔平

技術領域

本發(fā)明屬于掃描探針顯微鏡領域，具體涉及一種利用閉循環(huán)制冷機致冷無需消耗液氦的低溫掃描隧道顯微鏡。

技術背景

掃描隧道顯微鏡（Scanning?Tunneling?Microscope,?STM）是掃描探針顯微鏡（Scanning?Probe?Microscope,?SPM）家族中的一個主要成員，由瑞士蘇黎世IBM公司的Binnig和Rohrer等人在1982年發(fā)明。它的工作原理利用了量子力學中的電子隧穿效應。具體來說，當一個原子級尖銳的金屬針尖無限接近被探測樣品表面，直至只有幾個或一個原子的距離時，如果在被探測樣品和金屬針尖之間施加一個偏置電壓，針尖或樣品中的電子會隧穿過兩者之間的真空勢壘，從而形成隧穿電流。由于隧穿電流的大小隨針尖和樣品之間的距離呈指數(shù)式衰減，金屬針尖在樣品表面的掃描探測就可以形成原子級分辨的表面形貌圖。同時，由于隧穿電流也極度依賴于樣品和針尖的電子態(tài)和原子結構，通過在改變針尖和樣品表面之間的偏置電壓的同時測量隧穿電流的變化也可以分析樣品或針尖的局部電子態(tài)、分子振動態(tài)或表面聲子態(tài)，這就是通常說的掃描隧道譜（Scanning?Tunneling?Spectroscopy）。因此，掃描隧道顯微鏡是表面科學中探測表面形貌和研究電子、原子結構的強有力工具。

由于掃描隧道顯微鏡中隧穿電流對針尖和樣品之間的距離敏感度達亞原子級別（一般在0.01埃左右或以下），掃描隧道顯微鏡的運行環(huán)境往往需要超高真空、低溫或極低溫等條件。超高真空環(huán)境為實現(xiàn)和保持實驗樣品和針尖的清潔提供保障。而低溫條件可以使掃描隧道顯微鏡內(nèi)部部件之間的熱漂移差大大減少，較好地滿足儀器原子級精準和穩(wěn)定的要求；更為重要的是可以有效降低由樣品和針尖中的電子熱溫度造成的展寬，促使實驗樣品呈現(xiàn)新奇有趣的低溫物理現(xiàn)象。因此，先進高端的掃描隧道顯微鏡往往都運行在低溫/極低溫和超高真空環(huán)境中。

目前，低溫掃描隧道顯微鏡大都放置于杜瓦恒溫器或連續(xù)流恒溫器中，采用液態(tài)冷媒如液氦或液氮的相變潛熱來致冷降溫。液氮在一個大氣壓下的相變溫度是77?K，往往還不足以滿足實驗研究的低溫要求。而液氦的4.2K相變溫度能較好的滿足需求，但是其全球資源稀缺，價格極其昂貴。近年來，由于氦資源的不可再生性，液氦價格更是節(jié)節(jié)攀升。因此，一些低溫設備紛紛開始采用無需消耗液氦的制冷機如GM閉循環(huán)制冷機或脈管閉循環(huán)制冷機等來致冷降溫。然而，常規(guī)的閉循環(huán)制冷機具有較強的機械振動和噪音。對振動和噪音敏感的儀器還無法簡單采用閉循環(huán)制冷機降溫，掃描隧道顯微鏡就屬于這一類。以市場上GM閉循環(huán)制冷機為例，在放置樣品的制冷頭端振動位移一般在1微米或以上。而掃描隧道顯微鏡中針尖和樣品表面之間的距離精度要求控制在0.01埃左右或以下，這為在掃描隧道顯微鏡中使用閉循環(huán)制冷機致冷降溫這種無需使用液氦的方式帶來了極大的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用閉循環(huán)制冷機致冷的低溫掃描隧道顯微鏡，其無需消耗液氦進行致冷，具有原子級分辨率，解決了閉循環(huán)制冷機的微米級左右或以上的機械振動的問題，從而實現(xiàn)低溫空間成像和高能量分辨的掃描隧道譜精密測量。

本發(fā)明提供的一種利用閉循環(huán)制冷機致冷的低溫掃描隧道顯微鏡，包括：包括閉循環(huán)制冷機系統(tǒng)、氦氣交換氣致冷隔振界面系統(tǒng)、低溫掃描隧道顯微鏡掃描頭系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、減振平臺和掃描隧道顯微鏡控制系統(tǒng)；所述減振平臺用于隔離從地面?zhèn)鬟^來的振動；所述掃描隧道顯微鏡控制系統(tǒng)用于控制掃描頭的進針、測量。

所述氦氣熱交換氣致冷隔振界面系統(tǒng)包括連接于超高真空腔體上的致冷隔振界面，軟橡膠和氦氣熱交換氣體；所述閉循環(huán)制冷機系統(tǒng)的制冷頭伸入致冷隔振界面內(nèi)，制冷頭和致冷隔振界面之間填充氦氣熱交換氣體作為制冷降溫媒質(zhì)；所述軟橡膠連接密封致冷隔振界面的上端和制冷頭，其密封氦氣交換氣的同時能夠隔離制冷頭的振動；所述低溫掃描隧道顯微鏡掃描頭系統(tǒng)包括掃描頭，彈簧，測溫元件，加熱元件，溫度控制系統(tǒng)和內(nèi)、外熱輻射屏蔽罩；所述掃描頭通過彈簧懸掛于與致冷隔振界面最冷端相連的內(nèi)熱輻射屏蔽罩上；外熱輻射屏蔽罩在內(nèi)熱輻射屏蔽罩的外面，外熱輻射屏蔽罩也固定在致冷隔振界面上。

在上述方案中，氦氣熱交換氣致冷隔振界面系統(tǒng)還包括控制氦氣熱交換氣氣壓的放氣閥、球閥、減壓閥和高純氦氣壓縮氣體。

在上述方案中，低溫掃描隧道顯微鏡掃描頭系統(tǒng)還包括掃描隧道顯微鏡的電信號線纜和測溫加熱線纜。

在上述方案中，真空系統(tǒng)包括超高真空腔，還包括實現(xiàn)和維持真空的真空泵、真空規(guī)等。