一種基于無液氦室溫孔超導(dǎo)磁體的強磁場掃描探針顯微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于掃描探針顯微鏡技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及應(yīng)用無液氦室溫孔超導(dǎo)磁體實現(xiàn)強磁場掃描探針顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]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(nèi)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(xué)力和靜電力等。當(dāng)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(tài)密度分布和表面勢等。經(jīng)過過去三十多年的發(fā)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(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)等多個領(lǐng)域中不可或缺的研究工具。在發(fā)展過程中，各類掃描探針顯微鏡通常需要放置在不同環(huán)境下，如超高真空，低溫、磁場、電場、微波和光場等。在環(huán)境參量的改變和調(diào)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(fā)生許多物理過程和現(xiàn)象，如電子自旋甚至原子核自旋開始進動、翻轉(zhuǎn)等。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，強磁場的實現(xiàn)大都需要利用超導(dǎo)材料的零電阻效應(yīng)制成超導(dǎo)線圈磁體。而這樣的超導(dǎo)磁體由于超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度均較低(一般小于10 K)，需要低溫環(huán)境來保障。在掃描探針顯微鏡領(lǐng)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(huán)境下的掃描探針顯微鏡，超導(dǎo)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(xiàn)制冷，滿足超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)相變溫度，引入大電流產(chǎn)生強磁場。這一方式因為液氦自身無振動產(chǎn)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(jié)節(jié)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(huán)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(dǎo)磁體進行致冷降溫。然而，由于常規(guī)的閉循環(huán)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(huán)制冷機降溫的超導(dǎo)磁體。所以，如果能夠利用無需液氦消耗的閉循環(huán)制冷機，實現(xiàn)強磁場環(huán)境的掃描探針顯微鏡將具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提出一種基于無液氦室溫孔超導(dǎo)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(xiàn)原子級分辨的低振動環(huán)境。
[0004]本發(fā)明提出的基于無液氦室溫孔超導(dǎo)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(dǎo)磁體、掃描探針顯微鏡和計算機控制電路系統(tǒng);其中，所述無液氦消耗的室溫孔超導(dǎo)磁體包括:無液氦閉循環(huán)制冷機、超導(dǎo)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。
[0005]所述無液氦消耗的室溫孔超導(dǎo)磁體中，無液氦閉循環(huán)制冷機用于制冷超導(dǎo)磁體，以滿足超導(dǎo)磁體在工作時所需的低溫條件。具體制冷方式可通過無氧銅等導(dǎo)熱優(yōu)良的金屬把制冷機的冷端和超導(dǎo)磁體相連形成熱接觸傳導(dǎo)致冷;也可以在超導(dǎo)腔室中通過制冷機液化氦氣并維持液氦，使超導(dǎo)磁體浸泡在液氦中滿足超導(dǎo)磁體的工作溫度。超導(dǎo)磁體本身由超導(dǎo)線圈組成的螺線管或分立線圈構(gòu)成。它可以是一維的強磁場，也可以組成二維或三維的矢量強磁場。超導(dǎo)磁體的磁場最強點位于超導(dǎo)磁體的中心，也同時是室溫孔腔室的中心。室溫孔腔室的室溫孔需要有足夠空間容納掃描探針顯微鏡的掃描頭及其部分真空腔體，但兩者之間不能有任何物理接觸，以防止制冷機的振動直接傳遞至掃描探針顯微鏡。整個無液氦消耗的室溫孔超導(dǎo)磁體通過獨立支架固定于地面或天花板或墻壁等。為避免無液氦閉循環(huán)制冷機的振動通過地面等其他間接的方式傳遞到掃描探針顯微鏡，閉循環(huán)制冷機固有的機械振動應(yīng)盡可能小，如選用振動較小的脈管式制冷機。但所述閉循環(huán)制冷機的類型不限于脈管式制冷機，還包括吉福特-麥克馬洪制冷機、斯特林式制冷機、以及基于這些的改良型制冷機等。選型要求視掃描探針顯微鏡的隔振要求而定。
[0006]所述掃描探針顯微鏡中，掃描頭在工作時將位于無液氦消耗的室溫孔超導(dǎo)磁體的中心。掃描探針顯微鏡理論上也可在大氣下使用。如果在真空甚至超高真空環(huán)境下，顯微鏡真空腔體的一部分需要穿過超導(dǎo)磁體的室溫孔，但不能物理接觸磁體的腔體。為避免強磁場環(huán)境影響掃描探針顯微鏡的工作，并能夠?qū)悠泛吞结樖┘哟艌?，掃描探針顯微鏡系統(tǒng)和穿過磁體室溫孔的腔體需要使用無磁性或弱磁性的材料。為隔離地面的機械振動，掃描探針顯微鏡及其真空腔體放置于隔振平臺上。
[0007]所述計算機控制電路系統(tǒng)與掃描探針顯微鏡遠(yuǎn)程連接，控制掃描探針顯微鏡的操作運行。
[0008]本發(fā)明中，所述掃描探針顯微鏡的運行溫度獨立于超導(dǎo)磁體運行所需要的低溫環(huán)境，既可選擇室溫運行，又可配以液氦恒溫器、連續(xù)流恒溫器或機械振動隔離的無液氦低溫恒溫器在低溫或變溫條件下運行。因此，掃描探針顯微鏡的溫度不受制于超導(dǎo)磁體工作運行時要求的低溫環(huán)境。
[0009]本發(fā)明中，所述掃描探針顯微鏡的真空腔體和室溫孔超導(dǎo)磁體之間由于無物理接觸，掃描探針顯微鏡的真空腔體可以方便地進行高溫烘烤，實現(xiàn)超高真空環(huán)境。
[0010]本發(fā)明具有以下有益效果:
1、本發(fā)明中的強磁場掃描探針顯微鏡采用了無液氦消耗的室溫孔超導(dǎo)磁體，擺脫了常規(guī)強磁場掃描探針系統(tǒng)運行對液氦的依賴；
2、本發(fā)明中與閉循環(huán)制冷機相連的超導(dǎo)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(xiàn)掃描探針顯微鏡的原子級分辨能力；
3、本發(fā)明中掃描探針顯微鏡的運行獨立于超導(dǎo)磁體運行所需的低溫環(huán)境，掃描探針顯微鏡的溫度不受制于超導(dǎo)磁體工作運行時要求的低溫，掃描頭在施加強磁場的同時能進行大范圍變溫測量；
4、本發(fā)明中掃描探針顯微鏡及其真空腔體可以獨立于室溫孔超導(dǎo)磁體進行高溫烘烤，滿足實現(xiàn)超高真空的條件。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明提出的基于無液氦消耗室溫孔超導(dǎo)磁體的強磁場掃描探針顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明應(yīng)用于通過連續(xù)流杜瓦方式致冷的變溫強磁場超高真空掃描隧道顯微鏡的一種實施例不意圖。
[0013]圖3是本發(fā)明應(yīng)用于基于閉循環(huán)制冷機致冷的低溫強磁場超高真空掃描隧道顯微鏡的一種實施例不意圖。
[0014]圖中標(biāo)號:1-室溫孔超導(dǎo)磁體，2-閉循環(huán)制冷機，3-掃描探針顯微鏡掃描頭，4-掃描探針顯微鏡真空腔體，5-室溫孔超導(dǎo)磁體支架，6-減振平臺，7-掃描探針顯微鏡計算機控制電路系統(tǒng);8-離子栗，9-連續(xù)流杜瓦，10-中空直線導(dǎo)入器；11-閉循環(huán)制冷機，12-基于氦氣交換氣的致冷隔振界面，13-固定閉循環(huán)制冷機的獨立支架。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實施例，并參照附圖，