[发明专利]一种包含气流式反应仓的反应型扫描隧道显微镜

说明书

技术领域：

本发明涉及扫描探针显微镜领域，特别是扫描隧道显微镜(STM)领域。本通过构造一个极小的气流式反应仓，并将其集成到扫描隧道显微镜上，实现了一种新型扫描隧道显微镜——反应型扫描隧道显微镜

背景技术：

扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，下文简称为STM)作为一种扫描探针显微工具，于1981年(另一说是1982年，根据文献的发表时间：1982PRL Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy)由格尔德·宾宁(G.Binning)及海因里希·罗雷尔(H.Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。两位发明者也因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。

作为一项强有力的技术工具，STM可以应用在各种复杂的环境：超高真空以及高压环境，低温(mK范围)或高温(10³K范围)环境，甚至是各种液态环境中。同时STM的使用领域也非常广泛，涉及薄膜生长、自组装单分子膜、电化学以及催化剂领域。

基于STM的基本原理(说明书附图1)，目前已衍生发展起了一系列扫描探针显微镜(SPM)，如原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描电容显微镜(SCAM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、扫描近场声显微镜、扫描近场热显微镜、扫描电化学显微镜等。这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度表现出的物理性质和化学性质。

发明内容：

本发明在现有STM的基础上，创新性地提出了构建一种气流式反应仓、将其集成到STM上的设计方案，实现了一种可同时监控样品表面原子结构、又可以测试样品表面化学反应活性或者催化剂催化效率的新型扫描隧道显微镜——反应式扫描隧道显微镜。

众所周知催化剂会诱导化学反应发生改变，使化学反应变快(有时是变慢)或者在较低的温度环境下进行。催化剂改变反应过程一般具有两个途径，一个是增加反应物的活性中心，另一种是改变反应途径。当科学研究深入到催化剂表面活性反应的物理机制时，实验操作需要更加严苛的条件，如超高真空(UHV)或高压。目前现有的技术尚未达到可以使催化剂直接暴露以供研究的现实环境。因此，营造现实的反应条件同时又可以进行表面科学的研究，这样一种设备的设计制造变得愈加重要起来。

本发明正是基于这样的需求，通过巧妙的设计，结合了STM的观测功能，加入了气流反应仓，通过分析气流反应仓中流出的气体，随时监控样品的活性状况。这种反应型扫描隧道显微镜原理图如说明书附图2。

首先构造一个反应仓V，通过精密的壁体设计出两组极细的气体管道：进气管1，出气管2。进气管1与外部的气体系统相连，可以将预订所需的纯净气体，或按照比例混合两种或两种以上气体，并将其送入反应仓V。出气管2可以根据需求连接四极分光质谱仪之类的测试设备，进行残余气体的分析。对STM而言，只有探针暴露在反应仓A中，通过密封圈R1将STM的探针扫描控制器与反应仓V分离开来。通过这种设计，可以保持反应仓具有足够小的体积，从而提高内部气体的更新速度和反应时间，同时，也可以保证STM的扫描控制器等其他设备不会长期暴露在高压和强烈的气流中。样品则通过密封圈2置于反应仓A另一侧。密封圈R2也保证了反应仓V与外界的超真空空间隔离开来。样品背面置于外界的超高真空空间中，正面则暴露在高压的反应仓V内，使用STM的探针进行实时的表面观测。

以上所述即为反应型扫描隧道显微镜(简称反应型STM)的构造原理。实际操作使用中，整个反应型STM将置于一个超高真空下，以满足所观测样品(如催化剂等)所需的严苛操作条件。

借助本发明，可以实现在高温、高压下对样品表面进行观测、成像。本发明的仪器特性为：

1.集成在STM上的一个极小的气流式反应仓(体积约0.5ml)；

2.此气流式反应仓可通过两组极细的气体管道使多种纯净或者混合气体通过，反应仓可承受2-3个大气压的压力；

3.两组气体管道均配置气流控制系统，可在不改变反应仓压力的情况下，方便地调节气体组分和流量；