近日，中國科學(xué)院有關(guān)專(zhuān)家在中科院物理研究所召開(kāi)了一場(chǎng)“研制儀器驗收會(huì )”，對2001年國際量子結構中心申請的 “原位微區結構分析與性質(zhì)測試聯(lián)合系統”和“超高真空低溫強磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統” 兩個(gè)大型儀器研制項目進(jìn)行了驗收。

    經(jīng)過(guò)測試專(zhuān)家組進(jìn)行的現場(chǎng)測試，驗收專(zhuān)家組成員一致認為，這兩臺大型儀器設備的研制成功不但在多項指標上達到了國際領(lǐng)先水平，實(shí)現了原始性創(chuàng )新目標，而且培養了一批難得的高水平技術(shù)人才，為中科院今后的大型儀器研發(fā)和可持續發(fā)展打下了堅實(shí)的基礎。同時(shí)，項目組提供的文件、資料齊全，經(jīng)費使用合理，高質(zhì)量地完成了合同任務(wù)，并建議主管部門(mén)批準該項目通過(guò)驗收。

    據專(zhuān)家介紹，在中國科學(xué)院知識創(chuàng )新工程試點(diǎn)中，物理研究所在引進(jìn)國外先進(jìn)儀器設備的同時(shí)，大力提倡自主開(kāi)發(fā)研制大型的科學(xué)儀器，為實(shí)現原始創(chuàng )新提供平臺保障。2000年，物理所國際量子結構中心成立以后，為滿(mǎn)足科研需求，利用量子中心的人才優(yōu)勢，制定了大型科學(xué)儀器研制計劃。目標是建造兩臺先進(jìn)的精密儀器，并要求由我國自己獨立設計，具有自主知識產(chǎn)權，5年在市場(chǎng)上買(mǎi)不到的世界最尖端儀器。

    經(jīng)過(guò)幾年的努力，“原位微區結構分析與性質(zhì)測試聯(lián)合系統”和“超高真空低溫強磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統” 兩個(gè)大型儀器終于研制成功。這對提高我國的精密儀器的研制水平、對促進(jìn)科研成果的轉化、提高我國在該方面的國際競爭力具有重要的意義。同時(shí)，也將會(huì )大大提高量子中心的科研能力，對推動(dòng)目前已經(jīng)得到廣泛應用的磁性、半導體和超導等多種功能材料向著(zhù)納米尺度的方向的發(fā)展，對在一個(gè)更高的水平上研究與這些材料相關(guān)的納米結構的生長(cháng)、物理/化學(xué)性質(zhì)的表征、量子效應研究以及新型納米/量子器件的研發(fā)方面具有重要的意義。

    原位微區結構分析與性質(zhì)測試聯(lián)合系統

    研究低維材料的新結構、新性質(zhì)以及新的器件性能要求實(shí)現對單個(gè)納米結構的操縱和測量?，F有的商業(yè)化設備的樣品操縱能力和測量功能難以滿(mǎn)足科研發(fā)展的需要，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的納米操縱和納米測量?jì)x器是解決科學(xué)前沿問(wèn)題的重要基礎。物理所國際量子結構中心的王中林教授、王恩哥研究員、白雪冬副研究員在院創(chuàng )新經(jīng)費的大力支持下，研制原位微區結構分析與性質(zhì)測試聯(lián)合系統，在高分辨透射電子顯微鏡中設計制造掃描隧道顯微鏡。透射電鏡為掃描探針導航，將兩者強大的結構表征功能和納米操縱功能結合起來(lái)，實(shí)現對單個(gè)納米結構的物性測量并原位表征材料的微觀(guān)結構。此設備的探針調節范圍在毫米量級，調節精度達到0.1納米，除了用來(lái)測量單個(gè)納米材料場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)和輸運性質(zhì)外，還可測量力學(xué)、機電性質(zhì)以及開(kāi)展多種納米材料物理/化學(xué)問(wèn)題的研究，具有應用的綜合性和靈活性。另外，可根據科研發(fā)展的需要，隨時(shí)自行對設備進(jìn)行改造，以滿(mǎn)足新的測量需求，對于商業(yè)化設備來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現的。利用研制的設備已經(jīng)開(kāi)展了納米彈簧在自由振動(dòng)下的力學(xué)性質(zhì)、結構分辨的場(chǎng)電子發(fā)射性質(zhì)以及動(dòng)態(tài)場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)等研究，獲得了第一批實(shí)驗成果。測試專(zhuān)家組對系統進(jìn)行了全面測試，結果表明該設備已達到合同書(shū)指標，已經(jīng)利用該設備開(kāi)展了研究工作，并取得了重要研究結果。該系統在非常有限的透射電鏡空間內安裝掃描隧道顯微鏡單元，掃描探針位置調節范圍大并能精確定位，實(shí)現了針對單個(gè)低維結構樣品的操縱和物性測量。在透射電鏡中原位觀(guān)測物理現象，并同時(shí)高分辨地表征材料的微觀(guān)結構，研究低維材料各種新穎的物理性質(zhì)，建立性質(zhì)和結構的直接聯(lián)系。該系統是先進(jìn)的大型納米表征儀器，為開(kāi)展低維(納米)材料科學(xué)研究提供了一個(gè)有力的實(shí)驗手段。它的成功研制對從事原創(chuàng )性研究具有重要意義。

    超高真空低溫強磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統

    原位系統地表征納米結構的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)是納米科技面臨的非常重要的問(wèn)題。它包括兩方面的內容，一是能夠有控制地制備和生長(cháng)納米結構，另一個(gè)是利用合適的科學(xué)儀器來(lái)對納米結構的各種性質(zhì)、現象與過(guò)程進(jìn)行正確和準確表征。由于現有的商業(yè)化設備或者缺乏某些技術(shù)功能，或者不同系統間難以整合等原因，無(wú)法滿(mǎn)足上述需要，只能根據具體的研究自主去研發(fā)這樣的儀器系統。特別是最近興起的自旋電子學(xué)和固態(tài)量子信息與計算，更是對實(shí)驗儀器提出了新的功能要求和更復雜的性能組合，商業(yè)化的儀器無(wú)法滿(mǎn)足研究的需求。在這些全新領(lǐng)域的研究中，如果能根據最新的研究設想，有機地組合現有實(shí)驗技術(shù)和開(kāi)發(fā)新的儀器功能，無(wú)疑對開(kāi)展的研究工作具有很大的幫助，而做到這一點(diǎn)的關(guān)鍵在于自主研發(fā)儀器系統并擁有整個(gè)系統的核心技術(shù)。

    為此，物理所國際量子結構中心的陳東敏研究員、薛其坤研究員、梁學(xué)錦副研究員在院創(chuàng )新經(jīng)費的大力支持下，從2002年開(kāi)始研制“超高真空低溫強磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統”。該系統主要包括三個(gè)部分：低溫強磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡(STM)、超高真空原位樣品制備系統、超快光譜測量平臺?？紤]到儀器在未來(lái)的功能擴展，一方面將探頭和樣品座安裝在一個(gè)可方便拆卸的結構上，硬件上保證了可隨時(shí)換上其它種類(lèi)的測量裝置進(jìn)行特定性能的測試，另一方面整個(gè)控制系統的軟硬件全部自己開(kāi)發(fā)，為系統進(jìn)一步改造和升級奠定了基礎。在保證科研工作的前提下，他們根據科研的需要，不斷地進(jìn)行功能擴展，去年在此平臺上完成了“非原位的微弱信號測試系統”。今年，他們還獲得了國家自然基金委儀器專(zhuān)項基金的資助，正在本儀器平臺上研發(fā)極端條件雙探針AFM系統，以進(jìn)一步拓展本系統的應用領(lǐng)域，最大限度地利用現有資源。測試專(zhuān)家組對系統進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)際測試，結果表明該研制設備已基本達到和部分超過(guò)任務(wù)指標。這一系統的研制成功，不僅能夠有控制地制備和生長(cháng)納米尺度上的結構，而且還可以原位地表征納米結構的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，為開(kāi)展自旋電子學(xué)和固態(tài)量子信息與量子計算等全新領(lǐng)域的研究提供了強大的實(shí)驗手段。該項目是我國自主研發(fā)高精尖科學(xué)儀器的一個(gè)成功范例。

信息來(lái)源：中國儀器儀表信息網(wǎng)