[发明专利]一种利用闭循环制冷机致冷的低温扫描隧道显微镜

说明书

技术领域

本发明属于扫描探针显微镜领域，具体涉及一种利用闭循环制冷机致冷无需消耗液氦的低温扫描隧道显微镜。

技术背景

扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）是扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）家族中的一个主要成员，由瑞士苏黎世IBM公司的Binnig和Rohrer等人在1982年发明。它的工作原理利用了量子力学中的电子隧穿效应。具体来说，当一个原子级尖锐的金属针尖无限接近被探测样品表面，直至只有几个或一个原子的距离时，如果在被探测样品和金属针尖之间施加一个偏置电压，针尖或样品中的电子会隧穿过两者之间的真空势垒，从而形成隧穿电流。由于隧穿电流的大小随针尖和样品之间的距离呈指数式衰减，金属针尖在样品表面的扫描探测就可以形成原子级分辨的表面形貌图。同时，由于隧穿电流也极度依赖于样品和针尖的电子态和原子结构，通过在改变针尖和样品表面之间的偏置电压的同时测量隧穿电流的变化也可以分析样品或针尖的局部电子态、分子振动态或表面声子态，这就是通常说的扫描隧道谱（Scanning Tunneling Spectroscopy）。因此，扫描隧道显微镜是表面科学中探测表面形貌和研究电子、原子结构的强有力工具。

由于扫描隧道显微镜中隧穿电流对针尖和样品之间的距离敏感度达亚原子级别（一般在0.01埃左右或以下），扫描隧道显微镜的运行环境往往需要超高真空、低温或极低温等条件。超高真空环境为实现和保持实验样品和针尖的清洁提供保障。而低温条件可以使扫描隧道显微镜内部部件之间的热漂移差大大减少，较好地满足仪器原子级精准和稳定的要求；更为重要的是可以有效降低由样品和针尖中的电子热温度造成的展宽，促使实验样品呈现新奇有趣的低温物理现象。因此，先进高端的扫描隧道显微镜往往都运行在低温/极低温和超高真空环境中。

目前，低温扫描隧道显微镜大都放置于杜瓦恒温器或连续流恒温器中，采用液态冷媒如液氦或液氮的相变潜热来致冷降温。液氮在一个大气压下的相变温度是77 K，往往还不足以满足实验研究的低温要求。而液氦的4.2K相变温度能较好的满足需求，但是其全球资源稀缺，价格极其昂贵。近年来，由于氦资源的不可再生性，液氦价格更是节节攀升。因此，一些低温设备纷纷开始采用无需消耗液氦的制冷机如GM闭循环制冷机或脉管闭循环制冷机等来致冷降温。然而，常规的闭循环制冷机具有较强的机械振动和噪音。对振动和噪音敏感的仪器还无法简单采用闭循环制冷机降温，扫描隧道显微镜就属于这一类。以市场上GM闭循环制冷机为例，在放置样品的制冷头端振动位移一般在1微米或以上。而扫描隧道显微镜中针尖和样品表面之间的距离精度要求控制在0.01埃左右或以下，这为在扫描隧道显微镜中使用闭循环制冷机致冷降温这种无需使用液氦的方式带来了极大的挑战。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用闭循环制冷机致冷的低温扫描隧道显微镜，其无需消耗液氦进行致冷，具有原子级分辨率，解决了闭循环制冷机的微米级左右或以上的机械振动的问题，从而实现低温空间成像和高能量分辨的扫描隧道谱精密测量。

本发明提供的一种利用闭循环制冷机致冷的低温扫描隧道显微镜，包括：包括闭循环制冷机系统、氦气交换气致冷隔振界面系统、低温扫描隧道显微镜扫描头系统、真空系统、减振平台和扫描隧道显微镜控制系统；所述减振平台用于隔离从地面传过来的振动；所述扫描隧道显微镜控制系统用于控制扫描头的进针、测量。

所述氦气热交换气致冷隔振界面系统包括连接于超高真空腔体上的致冷隔振界面，软橡胶和氦气热交换气体；所述闭循环制冷机系统的制冷头伸入致冷隔振界面内，制冷头和致冷隔振界面之间填充氦气热交换气体作为制冷降温媒质；所述软橡胶连接密封致冷隔振界面的上端和制冷头，其密封氦气交换气的同时能够隔离制冷头的振动；所述低温扫描隧道显微镜扫描头系统包括扫描头，弹簧，测温元件，加热元件，温度控制系统和内、外热辐射屏蔽罩；所述扫描头通过弹簧悬挂于与致冷隔振界面最冷端相连的内热辐射屏蔽罩上；外热辐射屏蔽罩在内热辐射屏蔽罩的外面，外热辐射屏蔽罩也固定在致冷隔振界面上。

在上述方案中，氦气热交换气致冷隔振界面系统还包括控制氦气热交换气气压的放气阀、球阀、减压阀和高纯氦气压缩气体。

在上述方案中，低温扫描隧道显微镜扫描头系统还包括扫描隧道显微镜的电信号线缆和测温加热线缆。

在上述方案中，真空系统包括超高真空腔，还包括实现和维持真空的真空泵、真空规等。