[發明專利]一種基于無液氦室溫孔超導磁體的強磁場掃描探針顯微鏡

有效

• 申請號: 201610042953.3
• 申請日: 2016-01-22
• 公開（公告）號: CN105572423B
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發明（設計）人: 吳施偉;孫澤元;張帥;黃迪;周盛予;殷立峰;高春雷;沈健
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01Q60/00
• 分類號: G01Q60/00;G01Q60/10
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

本發明屬于掃描探針顯微鏡技術領域，具體是一種基于無液氦消耗室溫孔超導磁體的強磁場掃描探針顯微鏡。本發明包括無液氦消耗的室溫孔超導磁體、掃描探針顯微鏡和計算機控制系統；所述室溫孔超導磁體包括無液氦消耗的閉循環制冷機、超導磁體和具備室溫孔的腔室；所述掃描探針顯微鏡包括掃描頭、真空腔室、隔振平臺。本發明采用由制冷機制冷的室溫孔超導磁體，擺脫了強磁場運行對液氦的依賴；與制冷機相連的超導磁體和掃描探針顯微鏡之間無物理接觸，制冷機的機械振動不會直接傳到掃描探針顯微鏡上，可以實現掃描探針顯微鏡的原子級分辨能力；掃描探針顯微鏡的溫度不受制于超導磁體工作運行時要求的低溫條件；掃描探針顯微鏡及其真空腔體可以獨立于超導磁體進行高溫烘烤，滿足實現超高真空的條件。

技術領域

本發明屬于掃描探針顯微鏡技術領域，具體涉及應用無液氦室溫孔超導磁體實現強磁場掃描探針顯微鏡。

背景技術

掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope, SPM）是包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等在內的各類掃描探針顯微鏡的總稱。它們的工作原理均利用顯微鏡的探針與待測樣品表面之間的各種相互作用如隧穿電流、化學力和靜電力等。當探針在樣品表面進行掃描時，探針和樣品之間的相互作用變化可以反映樣品豐富的信息，如表面形貌、電子態密度分布和表面勢等。經過過去三十多年的發展，掃描探針顯微鏡的家族成員不斷擴充和完善，并已成為表面科學、材料科學、物理學、化學和生命科學等多個領域中不可或缺的研究工具。在發展過程中，各類掃描探針顯微鏡通常需要放置在不同環境下，如超高真空，低溫、磁場、電場、微波和光場等。在環境參量的改變和調控下，掃描探針顯微鏡的功能更強大，測量更精密。就強磁場下的掃描探針顯微鏡來說，待測樣品在外加強磁場的作用下會發生許多物理過程和現象，如電子自旋甚至原子核自旋開始進動、翻轉等。在現有的技術條件下，強磁場的實現大都需要利用超導材料的零電阻效應制成超導線圈磁體。而這樣的超導磁體由于超導態的轉變溫度均較低（一般小于10 K），需要低溫環境來保障。在掃描探針顯微鏡領域，由于探針和樣品之間的距離很近，甚至控制到單原子尺度大小，這些儀器對外界的振動和噪音都極端敏感。因此，在強磁場環境下的掃描探針顯微鏡，超導磁體大都放置在液氦杜瓦恒溫器中，通過液氦在4.2 K的相變潛熱來實現制冷，滿足超導磁體的超導相變溫度，引入大電流產生強磁場。這一方式因為液氦自身無振動產生，往往又可以和掃描探針顯微鏡直接集成，形成低溫強磁場掃描探針顯微鏡。但是，液氦是一種全球稀缺資源，價格極其昂貴。近年來，由于氦資源的不可再生性，液氦價格更是節節攀升。有鑒于此，國際上紛紛開始利用無需液氦消耗的閉循環制冷機如吉福特-麥克馬洪制冷機和脈管式制冷機等來對超導磁體進行致冷降溫。然而，由于常規的閉循環制冷機具有較強的機械振動和噪音，對振動和噪音極端敏感的掃描探針顯微鏡目前還未采用閉循環制冷機降溫的超導磁體。所以，如果能夠利用無需液氦消耗的閉循環制冷機，實現強磁場環境的掃描探針顯微鏡將具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于提出一種基于無液氦室溫孔超導磁體的強磁場掃描探針顯微鏡，與此同時掃描探針顯微鏡具備實現原子級分辨的低振動環境。

本發明提出的基于無液氦室溫孔超導磁體的強磁場掃描探針顯微鏡，包括無液氦消耗的室溫孔超導磁體、掃描探針顯微鏡和計算機控制電路系統；其中，所述無液氦消耗的室溫孔超導磁體包括：無液氦閉循環制冷機、超導磁體和具備室溫孔的腔室；所述掃描探針顯微鏡包括：掃描頭、顯微鏡真空腔室、放置顯微鏡的隔振平臺。