用于42特斯拉抗磁体的原子级分辨扫描隧道显微镜

《Ultramicroscopy》：Atomically resolved Scanning Tunneling Microscope for use in a 42 T resistive magnet

　　

Jihao Wang|Shuai Dong|Wenjie Meng|Dan Wu|Yubin Hou|Qingyou Lu

中国科学院合肥物理科学研究院低能耗量子材料与器件实验室、强磁场实验室，安徽省合肥市230031，中国

摘要

高场扫描隧道显微镜（STM）是研究材料丰富物理性质的重要工具。然而，由于设计STM探针的极端难度以及对成像环境的严格要求，大多数报道的STM系统只能在磁场强度低于20T且振动极小的超导磁体中运行。迄今为止，尚未有STM能够在磁场强度超过40T的巨大振动水冷电阻磁体内实现原子分辨率。在这项工作中，我们设计了一种具有全新结构的新型STM探针。驱动电机采用嵌套设计，由内外压电管组成，分别控制探针相对于样品的接近和回缩动作。在成像过程中，扫描部分与电机机械分离，有效减少了外部振动的干扰。通过集成定制设计的液氦低温恒温器和两级振动隔离探针，我们实现了从300K到1.6K温度范围内高度取向热解石墨（HOPG）样品的原子分辨成像。此外，在样品温度保持在150K的情况下，我们获得了高达42T磁场强度下的HOPG原子分辨图像。X-Y-Z方向上观察到的低漂移率以及所得到的dI/dV谱表明，这种新构建的STM具有高稳定性和出色的光谱测量能力。这是世界上首个能够在42T超高磁场下获取原子分辨图像的STM。我们的结果对扩展STM的研究范围具有重要意义。

引言

自扫描隧道显微镜（STM）发明以来，由于其高空间和能量分辨率，已成为研究材料物理性质的有力工具[1]。早期的STM仪器仅限于在室温下观察表面原子晶格。随着低温和真空技术的快速发展，高性能STM系统[[2],[3],[4]]很快出现，能够在低温和超高真空环境中运行，使得能够观察到诸如超导性[5]和电荷密度波[6]等新现象，以及单原子的操控[7]和独特量子结构的构建[8]。随后，磁体技术的发展，包括液氦浸没式超导磁体、无低温剂超导磁体和水冷电阻磁体，使得高场下的STM研究变得尤为重要[9,10]。特别是低温和高磁场的结合极大地扩展了STM的能力和应用范围。量子霍尔效应[11,12]和巨磁阻[13]等现象只能在超低温度和超高磁场的极端条件下进行研究。到目前为止，大多数在低温和高磁场条件下进行的STM实验都是在液氦浸没式超导磁体或无低温剂磁体[[14],[15],[16],[17],[18]]中进行的。这些商用超导磁体的最大磁场强度只能达到20T[19]，这阻碍了对更高临界场下新物理现象的研究。石墨烯的平面霍尔效应[20]、极高的上临界场以及伊辛超导体的新颖配对机制[21]，都需要在几十特斯拉的磁场下进行研究。水冷电阻磁体使用铜制Bitter板代替铌钛超导线圈，可以可靠地产生超过30T的磁场。迄今为止，水冷磁体[22]所达到的最高磁场强度为42T，该设备位于中国中国科学院合肥市的强磁场实验室（HMFL）。

几个研究小组已成功构建了与水冷磁体设施兼容的STM。例如，荷兰强磁场实验室的Tao等人[23]开发了一种能够在高达34T磁场下进行光谱测量的STM。然而，由于冷却水产生的显著振动干扰，他们的仪器在约6T时失去了原子分辨率。除了水冷磁体，超高磁场也可以通过混合磁体设施产生，例如美国国家强磁场实验室的45T混合磁体和中国稳态强磁场实验室的45.22T混合磁体。尽管如此，由于包括巨大振动和超高磁场在内的极端挑战条件，还没有研究小组能够克服实现40T以上原子分辨成像所需的技术障碍。

在水冷磁体内构建原子分辨STM系统面临几个独特的挑战。首先，狭窄的样品空间要求STM探针设计极为紧凑，显著增加了结构工程的难度。其次，运行过程中需要大量的冷却水来散发热量，这不可避免地会引入巨大的振动，从而影响原子分辨图像的获取。第三，与超导磁体相比，水冷磁体的运行时间相对较短，尤其是在高磁场强度下。水冷磁体在42T时只能持续运行几十分钟。这些限制不仅要求电机具有快速的粗略接近时间，还要求STM能够快速稳定并完成测量。

为了解决这些问题，我们开发了多个版本的STM探针。我们的初始设计[24]使用了高纯度钽作为框架材料，电机和扫描部分通过一对挂钩连接。这种配置在干式磁体中实现了1.7K和8T下的原子分辨图像，但在水冷磁体中的15T以上磁场下未能正常工作。STM探针的金属结构在磁场变化时会产生涡流，电机噪音通过挂钩传递到探针-样品接头，这两个问题都影响了原子分辨成像。在后续设计[25]中，我们用非金属蓝宝石替代了主要结构材料以消除涡流，并去除了机械挂钩以减少振动干扰。这一改进使得在水冷磁体中实现了22.8T下的原子分辨成像。然而，这种设计在30T以上的更高磁场下仍然失败，因为电机的自由端与扫描部分仍有轻微接触，为振动传递到探针-样品接头提供了路径。因此，为在振动水冷磁体中运行的STM探针必须具备卓越的结构刚性和稳定性。设计不仅需要紧凑、坚固且非磁性，还需要实现电机和扫描部分的完全机械分离，并提供出色的外部振动隔离。这些考虑构成了本文的核心重点。

在这项研究中，我们展示了一种新型STM探针，其特征是体积紧凑、稳定性高，并且适用于42T水冷磁体的巨大振动环境。该设计包括一个独立的扫描器和两个嵌套的压电电机，分别控制探针相对于样品的接近和回缩动作。在成像过程中，电机与扫描部分机械分离，有效减少了振动干扰向探针-样品接头的传递。利用定制设计的液氦低温恒温器和两级振动隔离探针，我们在300K到1.6K的温度范围内对高度取向热解石墨（HOPG）样品进行了原子分辨STM测量。在0T到35T不同磁场强度下对HOPG表面进行的dI/dV光谱测量展示了我们仪器的光谱测量能力。最后，我们获得了0T到42T磁场范围内HOPG的原子分辨图像，证明了STM在高磁场下的高稳定性和成像能力。这是世界上首个能够在42T超高磁场下运行的原子分辨STM仪器。我们的结果为研究超高磁场下的新物理现象提供了一个独特且可靠的技术平台。

章节片段

系统设计

我们的STM系统主要由一个42T水冷磁体、液氦低温恒温器、STM探针和STM探针头组成，如图1(a)所示。水冷磁体具有直径为30mm的室温样品孔径。最大磁场强度为42T，最大磁场变化率为0.15T/s。为了实现低温STM测量，我们设计了一个与30mm孔径兼容的液氦低温恒温器。

新型STM探针头

图2展示了新型STM探针头的结构。它主要由一个独立扫描器、一个扫描器框架、两个压电电机和一个电机底座组成。如图2(a)所示，扫描器部分基于一个压电管（型号为EBL#3，来自EBL PRODUCTS, INC.）构建，外径为6.35mm，长度为10mm。PZT#1的一端使用H74环氧树脂固定在氧化锆环上，而另一端作为自由端用于扫描。

性能

我们最初在室温下评估了新型STM的成像精度和稳定性。图3(a)显示了在300K下获得的HOPG样品的原子分辨图像，其中原子晶格结构清晰可见。图3(b)展示了沿图3(a)中黑色虚线获得的隧穿电流分布图，显示出较高的信噪比。图3(c)描绘了300K下STM系统的漂移率曲线。

结论

本文介绍了一种建立在定制设计的液氦低温恒温器和42T水冷磁体平台上的原子分辨STM装置。自主设计的STM探针头采用双管嵌套压电电机配置来分别控制探针的接近和回缩动作。这种设计实现了扫描器和电机在成像过程中的完全机械分离，从而 isolate 了外部振动干扰并提高了图像质量。两个方向的低漂移率

作者贡献声明

Jihao Wang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念构思。Shuai Dong：撰写 – 原稿，软件，方法论，研究，数据管理，概念构思。Wenjie Meng：监督，软件，方法论，资金获取，形式分析，概念构思。Dan Wu：可视化，软件，研究。Yubin Hou：监督，方法论，形式分析。Qingyou Lu：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢中国国家重点研发计划（项目编号2023YFA1607701）、国家自然科学基金（项目编号125278031、2374225）、中国科学院重大科学技术基础设施维护与改造项目（项目编号DSSWXGZ-2021-0006）以及中国科学院科学仪器开发项目（项目编号PTYQ2025TD0005）的财政支持。这项工作是在水冷磁体WM5上完成的（//cstr.cn/31125.02.SHMFF.WM5