多（duō）探針掃描隧道顯微鏡分時複（fù）用切換技術研發進展（zhǎn）

科學儀器的發展（zhǎn），不斷促進對新材料的探索，從而直接或間接影響各科技領域的（de）方（fāng）方麵麵。工（gōng）欲善其事必先利其器（qì），深化與落實科學儀器（qì）的自主研（yán）發，更是科技攻關的橋頭堡。掃描隧道顯微鏡（STM），及一係列掃描探針顯微（wēi）鏡（SPM） ：原子（zǐ）力顯（xiǎn）微鏡（AFM）、掃描近場光（guāng）學（xué）顯微（wēi）鏡（SNOM） 等，掀起一場納米技術（shù）革命，廣泛應（yīng）用於材料表（biǎo）麵納米（mǐ）尺度局域電子態（tài）、形（xíng）貌以及（jí）分（fèn）子振動（dòng）等豐富（fù）物性的研（yán）究。電輸運性質作為材（cái）料的關鍵參數，被廣泛關注（zhù）。集成多個獨（dú）立STM的（de）多（duō）探針（zhēn）STM係統，通過施加電/力等調控手段，實現納米（mǐ）尺度、原位表（biǎo）征（zhēng）材料局域（yù）電子（zǐ）態與（yǔ）局域電輸（shū）運性質，有望加（jiā）速後摩爾時（shí）代新器件（jiàn）的（de）基（jī）礎研究。四探針 STM 可實現微觀體係的四端法測量，有效消除接觸電阻帶來的測（cè）量誤差，獲（huò）得材料的本征電導率。

圖1：分時複用切換方案

多個獨立探（tàn）針的協同（tóng）操（cāo）縱和成像，往往需要相同數量的（de）多（duō）套STM控製係統。隨著STM探針／壓電驅動部件（jiàn）的增加，多探針控製（zhì）係統的成本和複雜度急劇增加。因（yīn）此，發展（zhǎn）低成本、高效率、可擴展的通用控製（zhì）解決方案，實現STM控製係統分時操縱多個探針、乃（nǎi）至探針陣（zhèn）列的技術十分必（bì）要（yào）。

圖2：分時複用係統（tǒng）硬（yìng）件設計

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國（guó）家研究中心高鴻鈞（jun1）研究（jiū）團隊多年（nián）來一直致（zhì）力於掃描探針顯微學及其在低維量子結構（gòu）方（fāng）麵（miàn）的應用，在前沿科學（xué）研究取得一係列重要成（chéng）果。同時（shí），他們也在（zài）相（xiàng）關（guān）高精尖儀器自主（zhǔ）研製（zhì）方麵（miàn）不斷積累，奠定了紮實的基礎（chǔ）。物（wù）理（lǐ）所技術（shù）部郇慶/劉利團（tuán）隊一直致力於科研儀器（qì）設（shè）備（bèi）的自（zì）主研發，與所（suǒ）內外（wài）多（duō）個課題組緊密合作，在核心（xīn）關（guān）鍵（jiàn）部件、成套係統等方麵（miàn）取得了一係列成果（guǒ）（包括一（yī）台商業化四探（tàn）針係統的徹底升級改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】、光學-低溫掃描探針（zhēn）顯微鏡（jìng）超高真空聯合（hé）係（xì）統【Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018)】和新一代高通量（liàng）薄膜製備（bèi）及原位表（biǎo）征係統【Review of Scientific Instruments 91, 013904 (2020)】的自主研製）。兩個團隊再次密切合（hé）作、聯合攻關，共同指（zhǐ）導N04組（zǔ）博士生嚴佳浩（已畢業（yè），愛爾（ěr）蘭科克大學博士後）、馬（mǎ）佳俊、王愛偉（已（yǐ）畢業，國家納米（mǐ）中心博士（shì）後）、馬瑞鬆（已畢業（yè），物理（lǐ）所（suǒ）關（guān）鍵技術（shù）人才）等（děng）同學（xué）成功研製並搭建了一台多探（tàn）針STM分時複用切換係統，完（wán）成單個STM控製係統依次（cì）操縱多（duō）個（gè）探針在納（nà）米尺度下的成像與定位，以及維持探針位置後的局域電輸運測量。該係統采用的核心思（sī）路為研（yán）發團隊首（shǒu）次（cì）提出，軟（ruǎn）硬件均完（wán）全自主研（yán）發，采用了ARM + DSP + FPGA多核數字平台來兼備複雜切（qiē）換邏輯、多路高精度高速（sù）並行（háng）采（cǎi）樣與數據處理（lǐ），涉（shè）及C/C++與Verilog HDL編程語言，並（bìng）提供（gòng）圖形操作（zuò）界麵以提高易操作性（xìng），具備多項獨特（tè）優（yōu）點：1）單（dān）個（gè）探針（zhēn）內大（dà）、小掃描（miáo）管及（jí）多（duō）個探（tàn）針間的無縫切換，無瞬態抖動；2）皮安級電流（liú）切換（huàn）；3）任（rèn）意單個探針具備毫米級（jí）移（yí）動範圍與原子級（jí）空間分辨；４）多個探針（zhēn）可無限靠近，最小距離僅取決（jué）於針尖曲率半徑（jìng）；５）原（yuán）位、納米尺度、相同區域內，STM成像與電輸（shū）運測量。

圖（tú）3：分時（shí）複用切換係統軟件架構

該聯合研發團隊（duì）用６年多時間（jiān）對（duì）係（xì）統（tǒng）進行了反複地設計優（yōu）化和改進，並進行了全麵性（xìng）能測試。該研發（fā）成果所涉及的多項關鍵技術，如微弱信號的放大與切（qiē）換、高穩定電壓（yā）保持、複雜控（kòng）製邏輯等，是（shì）未來大規模探（tàn）針陣列應用的重要（yào）技術基礎。分時切換的（de）核心思（sī）路具有可擴展性強、成本低廉的特點，有望（wàng）在材料（liào）基因組研究高通量表征領域有廣（guǎng）泛的（de）應用。

圖4：分（fèn）時複用切換係統部（bù）分圖形用戶界麵

該係統（tǒng）的詳（xiáng）細介紹發表在（zài）近（jìn）期的《科學儀器評論》雜誌上【Review of Scientific Instruments 92, 103702 (2021); doi: 10.1063/5.0056634】。該工作得到（dào）了中國科（kē）學院（yuàn）關鍵技術研發團隊項（xiàng）目(GJJSTD20200005)、國家自然科學基金國家重（chóng）大科研儀器研製項目(11927808)和國家自然科（kē）學（xué）基金委青年基金項目(12004417)等的（de）支持。

圖5：單STM探針（zhēn）空間定位（wèi）

圖6：多探（tàn）針切換與（yǔ）空間（jiān）定位