南开今日物理Full.pdf

1 南开大学讲座 2012年3月2日 天津 扫描探针显微学浅析扫描探针显微学浅析 Introduction to scanning probe Introduction to scanning probe microscopymicroscopy 吴克辉 中国科学院物理研究所 1 扫描隧道显微镜 STM 发展简史 2 STM应用 原理 Crommie M F et al Science 262 218 1993 8 自由电子体系的特征 抛物线色散关系自由电子体系的特征 抛物线色散关系 Y Hasegawa PRL 71 1071 1993 Fourier Transform scanning tunneling spectroscopy FT STS L Simon et al J Phys D Appl Phys 44 2011 464010 ErSi2 The emergence of graphene Fermi velocity vF 106m 1s 1 E vFk Graphene 的制备的制备 G M Rutter et al Science 317 219 2007 以单层石墨烯为例 当某一 区域存在缺陷时 将会出现 如图 C 和 D 所示的两种不 同尺度的干涉条纹 经过傅 里叶变换以及与费米面形状 的对比之后发现 这两种散 射分别对应于谷间散射q1和 谷内散射q2 Graphene 上的电子驻波 9 Dirac Electron System v s Conventional 2D Electron system GrapheneSilicene S Cahangirov et al S Cahangirov et al Theory of silicene germanene 10 SOC gap in silicene germanene Stronger spin orbit coupling results in a larger band gap of 1 55 meV QSHE C C Liu et al arxiv 1104 1290 B Aufray et al APL 96 183102 2010 Recent experiments Silicene like film on Ag 111 Recent experiments Silicene 1ML Silver Silicene 1ML Silver Bias 0 5 VBias 1 5 V Silicene film on Ag 111 L Chen et al submitted Same structure with the second layer silicene L Chen et al submitted Our silicene film on Ag 111 We obtain a lattice constant of 6 4 0 01 instead of 3 8 L Chen et al submitted 11 1 01 52 02 53 0 0 0 0 4 0 8 1 2 1 6 Energy eV nm 1 q1 q1 q1 1 1 V 0 8 V 0 5 V Our result by linear fitting VF 0 97 0 02 106m s L Chen et al submitted Nature News Feature July 15 2010 A topological insulator is a quantum material that behaves as an insulator in its interior while permitting the movement of charges on its boundary 3D TI Helical Dirac fermiongraphene Dirac fermion 背散射禁止 Confirmed topological insulators Bi1 xSbx Bi2Te3 Bi2Se3 Sb2Te3 IOP Stanford H J Zhang et al Nature Phys 2009 Single Dirac cone Energy gap 0 3 eV 3600 K Bi2Se3 Hasan Shen Xue Yazdani ARPES or STM BiSb Theory Fu and Kane PRB 76 045302 2007 Experiment Hsieh et al Nature 452 907 2008 Bi2Te3 Sb2Te3 Bi2Se3Theory Zhang et al Nature Physics 5 438 2009 Theory and Experiment Bi2Se3 Xia et al Nature Physics 5 398 2009 Experiment BieTe3 Chen et al Science 325 178 2009 三维拓扑绝缘体 从理论预言到实验验证三维拓扑绝缘体 从理论预言到实验验证三维拓扑绝缘体 从理论预言到实验验证三维拓扑绝缘体 从理论预言到实验验证 Bi1 xSbx Bi2Te3 Bi2Se3 Sb2Te3 Insulator G H Zhang et al APL 95 053114 2009 引用45余次 G H Zhang et al Adv Funct Mater 2011 首次实现拓扑绝缘体薄膜的分子束外延 QL by QL 五原子层 生长模式 RHEED Pattern 12 Standing Waves on Topological insulators Work by Q K Xue et al Phys Rev Lett 103 266803 2010 利用利用STM STS研究 单分子物理 研究 单分子物理 dI dV map the spatial distribution of sample LDOS at certain energy For example a1 f1 STM topography of Dy C82 molecule on Si 111 Ag root3Xroot3 surface a2 f2 dI dV maps of same area Scanning bias a 1 95 V b 2 0 V c 2 05 V d 2 10 V e 2 15 V f 2 20 V The bright spot in dI dV map correspond to the metal atom in carbon cage 非弹性隧穿通道打开 非弹性隧穿不能发生 eV eV 位置 能量守恒 宽度 位置 能量守恒 宽度 3个因素 个因素 自然线宽 温度 实验展宽 强度 作用过程强度 作用过程 振动 声子 等离激元 可视为一种局域电子能量损失谱可视为一种局域电子能量损失谱 非弹性隧道谱 非弹性隧道谱 IETS 13 Single H Atom 扫描电子显微镜的基本功能 扫描电子显微镜的基本功能 4 非弹性隧道谱 非弹性隧道谱 IETS 对应原子 对应原子 分子的特征振动 分子的特征振动 By Wilson Ho et al W Ho et al SCIENCE 280 1732 1998 14 PRL91 106804 2003 自旋分辨 原子操纵自旋分辨 原子操纵 其它其它 Measurement with a iron covered tip By Herman van Kempen 自旋分辨自旋分辨STM 单原子操纵单原子操纵 开辟了开辟了 自下而上自下而上 的制造技术的制造技术 Brief History of Cryogenic SPMs 1981 invention of STM Binnig and Rohrer 1985 low temperature STM de Lozzane et al 1990s 4 K STMs Eigler Hug Wiesendager 2000s sub K STMs Heinrich Wiebe Challenges in combining coarse movement UHV cryogenics vibration isolation Sub K STMs more challenging since fridges can be noisy and vibration isolation can be difficult 低温强磁场低温强磁场STM光耦合光耦合STM 15 1 扫描隧道显微镜 STM 发展简史 2 STM应用 原理 举例 原子分辨 扫描隧道谱 原子操纵 其它 3 STM的制作 4 当前感兴趣的研究方向 STM运动机构的核心 压电陶瓷元件运动机构的核心 压电陶瓷元件 当压电陶瓷管的内壁与外壁之间存在电压差 时 管会发生轴向伸缩 并产生径向长度的 变化 Z向 四分电极的压电陶瓷管还可 以产生XYZ三维运动 压电陶瓷片压电陶瓷管压电陶瓷片压电陶瓷管 压电陶瓷片的形变方向与其极化方 向有关 一个简单的大气下一个简单的大气下STM装置装置 大气下的大气下的STM系统系统 某德国业余爱好者自制某德国业余爱好者自制STM系统系统 大气下的大气下的STM系统系统 瑞士瑞士Nanosurf公司的公司的STM系统系统 16 大气下的大气下的STM系统系统 某国内公司生产的大气某国内公司生产的大气SPM系统系统 LT STM生产商 市场 德国Omicron公司德国Omicron公司 进入最早 占据国内市场份额最多 近日被Oxford Inst 收购 进入最早 占据国内市场份额最多 近日被Oxford Inst 收购 日本Unisoku公司日本Unisoku公司 家庭作坊 灵活并善于创新 价格比德国便宜 家庭作坊 灵活并善于创新 价格比德国便宜 德国Specs公司德国Specs公司 通过收购德国Createc公司进入STM市场 近两年开始进入中国市场通过收购德国Createc公司进入STM市场 近两年开始进入中国市场 日本JEOL公司日本JEOL公司 美国RHK公司美国RHK公司 中国 本原公司 上海卓伦公司等 仅有常温 大气下的产品 中国 本原公司 上海卓伦公司等 仅有常温 大气下的产品 尽管中国的市场在过去几年中迅速增长 但国内高端仪器的应用 研发以 及生产还相当有限 只有少数国内顶尖科研机构拥有一些尖端的扫描隧道 显微镜 并且几乎全部依赖进口 尽管中国的市场在过去几年中迅速增长 但国内高端仪器的应用 研发以 及生产还相当有限 只有少数国内顶尖科研机构拥有一些尖端的扫描隧道 显微镜 并且几乎全部依赖进口 国内之前有单位亦开发了低温 强磁场 STM系统 但未见实际工作 国内之前有单位亦开发了低温 强磁场 STM系统 但未见实际工作 超高真空 高性能 超高真空 高性能STM探头探头 极端条件集成极端条件集成极端条件集成极端条件集成 光学手段集成光学手段集成光学手段集成光学手段集成 mK级低温级低温STM 低温强磁场低温强磁场STM STS IETS TERS STM诱导发光 超快激光诱导化学反应 诱导发光 超快激光诱导化学反应 STM前沿技术发展趋势 mK级低温强磁场STM 自旋极化STM 电子回旋共振STM STM诱导光发射谱 非弹性隧道谱 自旋翻转谱 mK级低温强磁场STM 自旋极化STM 电子回旋共振STM STM诱导光发射谱 非弹性隧道谱 自旋翻转谱 具备最前沿功能的STM系统没有商业化产品 只能自行研发 而国内仍基本空白 掌握乃至开创最新的基于STM的分析技术对基础研究至关重要 样品制备室 小型MBE系统 大容量液氦 液氮杜瓦 STM室 自制低温 自制低温 4K 扫描隧道显微镜系统 扫描隧道显微镜系统 真空系统真空系统真空系统真空系统 减震减震减震减震 STM STM STM STM探头探头探头探头 液氦杜瓦液氦杜瓦液氦杜瓦液氦杜瓦 均为从头自行设计制作 均为从头自行设计制作 隔振气腿 超高真空 样品传递超高真空 样品传递 样品制备装置 MBE样品制备装置 MBE 低温冷却系统低温冷却系统 机械减震系统机械减震系统 STM探头STM探头 STMSTM控控制电子学系制电子学系统统 光学及光谱采集系统光学及光谱采集系统 STM 探头 STM 探头 自主设计 工作稳定 高分辨 低噪声 低漂移 版本1版本2版本3 优势优势1 超低噪声 超低噪声 系统布线系统布线 屏蔽 抗干扰屏蔽 抗干扰 Fermto LCA 4K 1G超低噪音前置电流放大器 1 放大倍数 109 2 噪音噪音噪音噪音 40fA 40fA 3 带宽4KHz 4 最大输入电流20nA 超低噪声前置放大超低噪声前置放大 优势优势1 超低噪声 超低噪声 指标参数自制系统 4K 德国Omicron LTSTM 4K 电子学噪声0 1 pA2 pA 机械振动噪声 60 hour LHe 60 hour 优势优势2 自减震 低损耗液氦杜瓦的设计 自减震 低损耗液氦杜瓦的设计 减震机构减震机构 专利已受理 优势优势3 超高稳定性 低漂移 超高稳定性 低漂移 5 03 am13 41 pm 2011 9 25 8小时连续扫描 无可观测漂移 优势优势4 对环境无要求 对环境无要求 四级减震机制配合 可适应恶劣环境四级减震机制配合 可适应恶劣环境 减震气腿 过滤建筑物的减震气腿 过滤建筑物的高频振动高频振动 减震杜瓦 过滤空气传播的减震杜瓦 过滤空气传播的高频振动高频振动 涡流磁阻尼减振 过滤涡流磁阻尼减振 过滤低频振动低频振动 高刚性探头本体 过滤高刚性探头本体 过滤低频振动低频振动 典型低温典型低温STM配置配置 我们 我们 无特殊要求无特殊要求 无需地下室无需地下室 无须挖坑无须挖坑 机械振动噪声机械振动噪声 0 1pm Z向综合噪声向综合噪声 0 06pm 隔振气腿 自减震杜瓦 优势优势5 压电陶瓷技术 压电陶瓷技术 低温下快速逼近 超大扫描范围 低温下快速逼近 超大扫描范围 由于压电陶瓷的压电系数随温度急由于压电陶瓷的压电系数随温度急 剧降低剧降低 典型低温STM在4K温度下 压电陶 瓷运动缓慢 针尖粗逼近过程经常 达1小时以上 我们的大压电系数陶瓷 温度变化 不敏感 4K温度下仍可以保证逼近 时间 10min 典型扫描范围 常温 10微米x10微米 4K下 1微米x1微米 或 常温 5微米x5微米 4K下 0 5微米x0 5微米 STM基本特征以及参数指标基本特征以及参数指标 探头自主全新结构设计 采用探头自主全新结构设计 采用6足压电陶瓷结构 以惯性滑移的方式进行粗逼近足压电陶瓷结构 以惯性滑移的方式进行粗逼近 coarse approach Z向粗逼近行程 向粗逼近行程 10 mm 标准行程 可根据需要修改 标准行程 可根据需要修改 特有的低温压电陶瓷技术 在低温 特有的低温压电陶瓷技术 在低温 4K 下仍可达成快速逼近 典型 下仍可达成快速逼近 典型粗逼近耗时粗逼近耗时 10分钟分钟 探头全部采用镀金铍铜以及蓝宝石材料制作 以保证低温下良好的导热性 绝缘 性和稳定性 探头全部采用镀金铍铜以及蓝宝石材料制作 以保证低温下良好的导热性 绝缘 性和稳定性 系统扫描范围 系统扫描范围 5微米 微米 5微米 室温 微米 室温 2微米 微米 2微米 微米 77 K 1微米 微米 1微米微米 4 K 系统分辨率 系统分辨率 0 1 横向 横向 0 01 纵向 纵向 系统噪声水平 系统噪声水平 电子学噪声电子学噪声 300 fA 机械噪声 机械噪声 0 06 pm STM针尖可随时更换 针尖和样品的间距针尖可随时更换 针尖和样品的间距可调范围达可调范围达1cm 方便进行原位的蒸发 或者增加其他的特殊功能机构 方便进行原位的蒸发 或者增加其他的特殊功能机构 样品和针尖的传送过程可实现全程监控 避免一些系统在某些地方无法看到样品 而导致的误操作 样品和针尖的传送过程可实现全程监控 避免一些系统在某些地方无法看到样品 而导致的误操作 全系统从室温 全系统从室温 300K 达到 达到5K的耗时约的耗时约12小时 单独冷却样品耗时小时 单独冷却样品耗时 1小时 小时 STM探头温度监控精确度 探头温度监控精确度 0 5K 低温下最大热漂移速率低温下最大热漂移速率 0 2pm 每小时每小时 优化后可以达到每小时 优化后可以达到每小时0 1pm以内 以内 残留机械振动 残留机械振动 2pm 经优化后可以达到