多探針掃描隧道（dào）顯微（wēi）鏡分時（shí）複用切換技術研發進展

科（kē）學儀（yí）器的發展，不（bú）斷促進對新（xīn）材（cái）料（liào）的探索，從而直（zhí）接或間接影響各科技領域的方方（fāng）麵麵。工欲善其事必先利其器，深化與（yǔ）落實科學儀器的自主研發，更是科技攻關（guān）的橋頭堡（bǎo）。掃描（miáo）隧道顯微鏡（jìng）（STM），及一係列掃描（miáo）探針顯（xiǎn）微鏡（jìng）（SPM） ：原子（zǐ）力顯微鏡（AFM）、掃（sǎo）描近場光學顯（xiǎn）微鏡（SNOM） 等，掀起一場納米技術革（gé）命，廣（guǎng）泛應用於材料表麵（miàn）納米尺度局域（yù）電子態、形貌以及（jí）分（fèn）子振動等豐富物性的（de）研究（jiū）。電（diàn）輸運（yùn）性質作為材料的（de）關鍵參數，被廣泛關注。集（jí）成多個獨立（lì）STM的多探針STM係（xì）統，通（tōng）過施加電/力等調控手段（duàn），實（shí）現納米尺（chǐ）度、原（yuán）位（wèi）表征材料（liào）局域電子（zǐ）態（tài）與局域電輸運性（xìng）質，有望加速後摩爾時（shí）代新器件的基礎研究。四探針 STM 可實現微觀體係的四端（duān）法測量，有效消除接觸電阻帶來的測量誤（wù）差，獲得材料的本征（zhēng）電導率。

圖1：分時複用切換方案

多個（gè）獨立探針（zhēn）的協同操縱和成像，往往（wǎng）需（xū）要（yào）相同數量的多套STM控製係統（tǒng）。隨著STM探針（zhēn）／壓電驅動部件的增加，多探針控製（zhì）係統的成本（běn）和複雜度（dù）急劇增加。因此，發展低（dī）成本、高效率、可擴（kuò）展的通用（yòng）控製（zhì）解決方（fāng）案，實現STM控製係統分時（shí）操縱多個探針、乃至探針（zhēn）陣列的技術十分（fèn）必要。

圖2：分（fèn）時複用係統硬件設計

中國科學（xué）院物（wù）理研究所（suǒ）/北京凝聚態（tài）物理國家研究（jiū）中（zhōng）心（xīn）高鴻（hóng）鈞研究團隊多年來一直致力於掃描探針顯微學及（jí）其在低維量子結構方（fāng）麵的應用，在前沿科學研究取得一係列重要成果（guǒ）。同時，他們也在相關（guān）高精尖儀器（qì）自主研（yán）製方麵不斷積（jī）累，奠（diàn）定了紮實（shí）的基（jī）礎。物理所技術部郇慶（qìng）/劉利團隊一直致力（lì）於科研儀器設（shè）備的自主（zhǔ）研發，與所內（nèi）外多個（gè）課題（tí）組緊密合作，在核心（xīn）關鍵部（bù）件、成套係統等方麵取得了一係列成果（guǒ）（包（bāo）括一（yī）台商（shāng）業化四探針（zhēn）係統（tǒng）的徹底（dǐ）升級改（gǎi）造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】、光學-低（dī）溫（wēn）掃描（miáo）探針顯微鏡超高真（zhēn）空（kōng）聯合係統【Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018)】和（hé）新一代高通量薄膜製（zhì）備及（jí）原位表征（zhēng）係（xì）統【Review of Scientific Instruments 91, 013904 (2020)】的自主研製）。兩個（gè）團（tuán）隊再次密切合作、聯合攻關，共同（tóng）指導（dǎo）N04組博士（shì）生嚴（yán）佳浩（已（yǐ）畢業，愛爾蘭科克大學博士後）、馬佳（jiā）俊、王愛偉（已畢業（yè），國家納米中心博（bó）士後）、馬瑞鬆（已畢業（yè），物理所關鍵（jiàn）技術（shù）人（rén）才）等（děng）同學（xué）成功研製並搭建了一台多探針STM分時複用切換係統，完成（chéng）單個STM控製係統依次（cì）操（cāo）縱（zòng）多個探針在（zài）納（nà）米尺度下（xià）的成（chéng）像與定位，以及維持探針位置後的（de）局域電輸（shū）運測量。該係統采（cǎi）用的（de）核（hé）心思路為研發團隊首次提出（chū），軟硬件均（jun1）完全（quán）自（zì）主研發（fā），采（cǎi）用了ARM + DSP + FPGA多核（hé）數（shù）字平台來兼備複雜切換邏輯、多路高精度高速並行（háng）采樣與數據處（chù）理，涉（shè）及C/C++與Verilog HDL編（biān）程（chéng）語言，並提供圖（tú）形操作界麵以提高易操作性，具備多項獨（dú）特優點（diǎn）：1）單個探針內大、小掃描管及（jí）多個探（tàn）針間的（de）無縫切換，無（wú）瞬（shùn）態抖動；2）皮安級電流切換（huàn）；3）任意單（dān）個探針（zhēn）具備毫米級移動範圍與原子級（jí）空間分辨；４）多個（gè）探針（zhēn）可無限靠（kào）近（jìn），最小距離僅取決於針尖曲率（lǜ）半（bàn）徑；５）原位、納米尺度（dù）、相同（tóng）區域內，STM成像與電輸運測量（liàng）。

圖3：分時複用切換係（xì）統軟件架構

該聯（lián）合研（yán）發團（tuán）隊（duì）用６年多時間對（duì）係統進行了反複地設計優化和改進（jìn），並進（jìn）行了全麵性能（néng）測試。該研發成果所涉及（jí）的多項關鍵技術，如微弱信號的（de）放大與切（qiē）換、高穩（wěn）定電壓保（bǎo）持、複雜控製邏輯等，是未來（lái）大規模探針陣列應（yīng）用的重要技（jì）術基（jī）礎。分時切換的核心思路具有可擴展性強、成本（běn）低（dī）廉的特點（diǎn），有（yǒu）望（wàng）在（zài）材（cái）料基因組研究高（gāo）通量表征（zhēng）領域有（yǒu）廣泛的應用。

圖4：分時複用切換係統部分圖（tú）形（xíng）用戶界麵

該係統的詳細介紹（shào）發（fā）表在近期的《科（kē）學儀器評論》雜誌上【Review of Scientific Instruments 92, 103702 (2021); doi: 10.1063/5.0056634】。該工（gōng）作得到了中國科（kē）學（xué）院關鍵技術研發團隊項目（mù）(GJJSTD20200005)、國家自（zì）然科學基金國家重大科研儀（yí）器研製項目(11927808)和國（guó）家自（zì）然科學基金委（wěi）青年基金項目(12004417)等的支（zhī）持。

圖5：單STM探針空間定位

圖6：多（duō）探（tàn）針切換（huàn）與空間（jiān）定（dìng）位