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双探针扫描隧道显微镜 - 中国科学院物理研究所

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国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

低温超高真空强磁场双探头STM<br />

低温超高真空强磁场双探头 STM<br />

系统研发及输运测试介绍<br />

梁 学 锦<br />

中科院物理研究所


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

一、系统研发<br />

1 背景<br />

2 系统研发概述<br />

3 测试结果<br />

二、系统应用<br />

超薄金属单晶薄膜的输运测试


背景国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

1 背景<br />

A、输运测试 输运测试 -- 双(多)探头STM<br />

双(多)探头 STM<br />

B、纳米材料的活性<br />

纳米材料的活性 -- 超高真空环境


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

C、电导随温度的变化--<br />

、电导随温度的变化-- 低温、变温环境<br />

σ(T)∝ exp(T/T 0 ) ν 强定域化<br />

ν=1/3, =1/3, Mott变程跳跃<br />

Mott变程跳跃<br />

ν=1, =1, 定程跳跃<br />

ν=1/2, =1/2, Efros-Shklovskii<br />

Efros Shklovskii Coulomb gap<br />

σ(T)∝ ln(T) ln(T)<br />

弱定域化


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

D、输运随磁场的变化--<br />

、输运随磁场的变化-- 强磁场环境<br />

● 面内平行磁场可导致自旋相关的输运<br />

● 垂直磁场影响电子轨道运动和关联作用<br />

另外, 另外,自旋 自旋与电荷 电荷同磁场 磁场的相互作用对凝聚态物理中一些极为重要的<br />

的相互作用对凝聚态物理中一些极为重要的<br />

输运过程(超导、整数和分数量子霍尔效应等)起着决定性的作用,我<br />

们有理由期待着这种相互作用将在纳米尺度的材料中继续发挥相似的作<br />

用甚至可能导致新的量子现象<br />

塞曼分裂:ΔE=gμ B B<br />

朗道能级差:ΔE=2μ B B<br />

对10T的外加磁场,将导致, ΔE ~ 1meV


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

低温超高真空强磁场双探头STM<br />

低温超高真空强磁场双探头 STM<br />

+分子束外延联合系统<br />

分子束外延联合系统


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

双探针STM<br />

双探针 STM用于原位输运测试:<br />

用于原位输运测试:<br />

1、超高真空中实现样品制备和输运测试一体化,较好地克服<br />

、超高真空中实现样品制备和输运测试一体化,较好地克服<br />

了表面氧化、污染等造成的结效应<br />

A 纳米材料本身一般比较容易氧化或污染<br />

B 光刻技术本身可能导致样品污染<br />

C 电极易被氧化<br />

大气下金属表面氧化速度(单位:原子层)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

2、STM STM在原子尺度原位表征材料的形貌和电子态密度<br />

在原子尺度原位表征材料的形貌和电子态密度<br />

A 明确材料的几何结构<br />

B 直接获得局域态密度-STS<br />

直接获得局域态密度-STS<br />

3、精确控制探针与样品的接触和原位改变测试间距<br />

、精确控制探针与样品的接触和原位改变测试间距<br />

A 通过STM 通过 STM的反馈技术控制探针与样品的<br />

的反馈技术控制探针与样品的“稳定 稳定”接触 接触<br />

隧道结、QPC<br />

隧道结、 QPC(单电子输运)、欧姆接触等<br />

(单电子输运)、欧姆接触等<br />

B 测试间距和电极取向可“方便<br />

测试间距和电极取向可 方便”地改变 地改变<br />

b1、定域化长度、各向异性等<br />

b1、定域化长度、各向异性等<br />

b2、“克服 b2 克服”衬底的影响<br />

衬底的影响


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

不足:<br />

A 两端测试,研究体系受到限制<br />

B 探针的导航不方便<br />

C 为保持有效的接触面积,探针的最小间距受限,还会<br />

对样品结构造成破坏


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

2 系统研发概述<br />

2.1 分子束外延<br />

自行设计、组装,部件由海外公司制作<br />

2.2 超导强磁场/可变温<br />

超导强磁场 可变温STM STM杜瓦 杜瓦<br />

自行设计,英国CRYOGENICS<br />

自行设计,英国 CRYOGENICS公司制作 公司制作<br />

2.3 低温双探针STM<br />

低温双探针 STM<br />

自行设计、加工、组装


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

RHEED<br />

2.1 分子束外延(MBE)系统<br />

MBE室<br />

离子泵<br />

机械手<br />

快速进样室<br />

预处理腔<br />

LEED/AES


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

MBE 室设计


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

五维运动、并具有加热和制冷功能的机械手


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

超导裂磁<br />

(SPLIT COIL)<br />

2.2 超导强磁场及可变温STM杜瓦<br />

超导磁场及可变温STM杜瓦子系统<br />

2.5K~RT STM 杜瓦


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

12T<br />

超<br />

导<br />

磁<br />

铁<br />

光学测试和导航<br />

系统<br />

分<br />

析<br />

室<br />

MBE<br />


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

DUAL STM:<br />

1.STM核心部件<br />

2.双STM集成<br />

2.3 低温双探针STM<br />

低温双探针STM<br />

控制系统<br />

1.电路系统<br />

2.软件系统


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

电<br />

容<br />

带位置传感器的纳米步进电机<br />

77K<br />

步 进 电 机<br />

步数<br />

Position sensor<br />

带有传感器的<br />

低温PZT步机<br />

(无商业化STM具<br />

有此功能)<br />

三维独立运动、且具有位置<br />

传感器的双STM


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

双STM STM的集成 的集成


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

双STM模块


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

变温杜瓦<br />

可用于多种不同功能探测模块的变温杜瓦<br />

Clod finger<br />

for<br />

different<br />

exp module<br />

DUALSTM<br />

4-probe<br />

LT AFM


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

双探针STM 双探针 STM控制系统和测试系统<br />

控制系统和测试系统<br />

高压电源<br />

低压电源<br />

双偏压控制器<br />

双步进电机控制器<br />

双扫描电压控制器<br />

采样反馈控制器<br />

DSP单元<br />

锁相放大器<br />

数字电源<br />

数字界面<br />

工控机<br />

软件界面


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

研发的DSP 研发的 DSP采样反馈控制单元<br />

采样反馈控制单元


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

双探针<br />

导航<br />

图象数据<br />

分析处理<br />

双探头STM 双探头 STM软件系统 软件系统<br />

I-V谱和 谱和<br />

可控输运<br />

进针微调<br />

控制<br />

双 STM<br />

调控<br />

采像处理<br />

通讯<br />

扫描系统<br />

反馈系统


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

主菜单<br />

部分软件功能界面<br />

进针<br />

STS和输运<br />

成像<br />

探针位置检测


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

光学导航<br />

双探针光学导航<br />

(分辨率 ~ 几十um)<br />

侧CCD视图 主CCD视图


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

Tip1 Tip1<br />

双探针自身成像导航<br />

Tip2 Tip2<br />

Tip1 Tip1<br />

A、样品上方尖对尖隧流<br />

、样品上方尖对尖隧流 B、Tip1 Tip1与样品隧流<br />

与样品隧流<br />

Tip1 Tip1<br />

Tip2 Tip2<br />

Tip1 Tip1<br />

Tip2 Tip2<br />

Tip2 Tip2<br />

C、样品上方尖对尖隧流<br />

、样品上方尖对尖隧流 D、Tip1 Tip1和Tip2 Tip2同时与样品隧流<br />

同时与样品隧流


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

O. Hiroshi, D.M. Chen,<br />

J. Vac. Sci. Technol. A 19(4), 1982(2001)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

3 测试结果<br />

A、系统动态稳定性测试<br />

、系统动态稳定性测试<br />

B=0T<br />

B=1T<br />

200x200nm2 STM image of Si(111) at 80K<br />

B=2T


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

B、强磁场下成像<br />

、强磁场下成像<br />

77K, 8T Si(111)-7x7 Si(111) 7x7 STM图像 STM图像


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

STM集成<br />

超<br />

导<br />

磁<br />

铁<br />

变<br />

温<br />

杜<br />

瓦<br />

光学导航<br />

12T<br />

SC<br />

磁铁<br />

LEED<br />

& AES<br />

RHEED<br />

MBE<br />

氩枪<br />

防震支架<br />

控制操作系统<br />

DSP<br />

软件界面<br />

4端测试<br />

Si(7x7)LEED图<br />

STM组装 双探针导航 Si(7x7)LEED Si(7x7)RHEED图<br />

Si(7x7)RHEED 8T下Si(7x7)STM<br />

8T Si(7x7)STM图


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

特性及功能<br />

具有双探头STM<br />

具有双探头 STM,其中每个探头具有独立的扫描成像能力,并且可在原<br />

,其中每个探头具有独立的扫描成像能力,并且可在原<br />

子尺度上准确定位;<br />

能够外加最高12T<br />

能够外加最高 12T的两维磁场;<br />

的两维磁场;<br />

工作温度最低可以达到2.5K<br />

工作温度最低可以达到 2.5K,并具有 ,并具有2.5K 2.5K~室温的变温功能;<br />

~室温的变温功能;<br />

超高真空中实现MBE<br />

超高真空中实现 MBE子系统与强磁场和双探头<br />

子系统与强磁场和双探头STM STM子系统的一体化;<br />

子系统的一体化;<br />

能够方便地用AFM<br />

能够方便地用 AFM或4-probe probe或其它样品测试平台取代双探头<br />

或其它样品测试平台取代双探头STM STM测试 测试<br />

平台;<br />

具有几十微米精度地的光学导航子系统;


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

二、超薄铟单晶薄膜的输运测试<br />

二、 超薄铟单晶薄膜的输运测试<br />

测试结构<br />

测试结构如图所示。测试时双探针间的电<br />

压通过计算机软件控制从-V 压通过计算机软件控制从 0 ~ +V 0 , 然后再由<br />

+V 0 ~ -V0 。同时监测I 。同时监测 1和I2,以确保整个测试 ,以确保整个测试<br />

中I 1=I 2<br />

辅<br />

助<br />

电<br />

极<br />

I 1<br />

V1<br />

preamp1 preamp2<br />

In 层<br />

In-Si界面<br />

Si表面态<br />

Si衬底<br />

I 2<br />

Tip1 Tip2<br />

双探针I-V测试结构示意图


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

稳定的欧姆接触和排除衬底的影响<br />

A、稳定的欧姆接触<br />

、稳定的欧姆接触<br />

a、清洁的金属间的接触<br />

、清洁的金属间的接触<br />

b、反馈控制接触面的稳定性<br />

、反馈控制接触面的稳定性<br />

~5ML金膜 不同温度下的I-V曲线


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

B、衬底的影响<br />

、衬底的影响<br />

衬底的STM<br />

衬底的 STM图象 图象<br />

衬底和wetting<br />

衬底和 wetting层的 层的I-V曲线 曲线<br />

wetting层的<br />

wetting层的STM<br />

STM图象 图象<br />

J.W. Wells et al, PRL.97, (2006)


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

铟膜电阻测试<br />

In/Si In/ Si(111 111)STM STM 图像<br />

Ln R<br />

Eg~63meV<br />

1/T<br />

4层铟膜微分电导随温度的变化<br />

T/θ T/ D<br />

4层铟膜微分电导随温度的变化 65层铟膜微分电导随温度的变化<br />

R( R(T)/R( T)/R(θD )


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

4层铟膜微分电导随温度的变化 4层铟膜微分电导随探针距离的变化<br />

18层铟膜微分电导随垂直磁场的变化<br />

18ML铟膜微分电导随平行磁场的变化 18ML铟膜微分电导随垂直磁场的变化


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

单晶薄膜作为实际的二维体系具有丰富的物理内涵<br />

传统的理论认为在二维体系中任何小的无序将导致电子<br />

态的定域化<br />

STM对铟和铅膜的实验研究似乎支持了这个观点<br />

STM对铟和铅膜的实验研究似乎支持了这个观点<br />

77K, Si(111)-7x7<br />

Si(111) 7x7 生长的铟膜的STM<br />

生长的铟膜的 STM图像 图像<br />

(PRL92,226404(2004))


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

铅和铟膜中面内有效质量与束缚能(a)和厚度(b)的关系,<br />

其中绿点是铟膜的理论值(PRB.73,161308 (2006))


国家自然科学基金委员会<br />

数理学部实验物理讲习班<br />

体铅的电导率~10<br />

体铅的电导率~ 106 (Ωcm)<br />

cm) -1<br />

铅单晶薄膜面内并非存在强定<br />

域化现象,铟膜中却存在强定<br />

域化<br />

温度T=80K<br />

温度 80K时10ML 10ML铟膜电阻率随层厚的变化<br />

铟膜电阻率随层厚的变化<br />

(PRL. PRL. 76, 4227(1996))


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