[发明专利]一种基于无液氦室温孔超导磁体的强磁场扫描探针显微镜

说明书

本发明属于扫描探针显微镜技术领域，具体是一种基于无液氦消耗室温孔超导磁体的强磁场扫描探针显微镜。本发明包括无液氦消耗的室温孔超导磁体、扫描探针显微镜和计算机控制系统；所述室温孔超导磁体包括无液氦消耗的闭循环制冷机、超导磁体和具备室温孔的腔室；所述扫描探针显微镜包括扫描头、真空腔室、隔振平台。本发明采用由制冷机制冷的室温孔超导磁体，摆脱了强磁场运行对液氦的依赖；与制冷机相连的超导磁体和扫描探针显微镜之间无物理接触，制冷机的机械振动不会直接传到扫描探针显微镜上，可以实现扫描探针显微镜的原子级分辨能力；扫描探针显微镜的温度不受制于超导磁体工作运行时要求的低温条件；扫描探针显微镜及其真空腔体可以独立于超导磁体进行高温烘烤，满足实现超高真空的条件。

技术领域

本发明属于扫描探针显微镜技术领域，具体涉及应用无液氦室温孔超导磁体实现强磁场扫描探针显微镜。

背景技术

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）是包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜等在内的各类扫描探针显微镜的总称。它们的工作原理均利用显微镜的探针与待测样品表面之间的各种相互作用如隧穿电流、化学力和静电力等。当探针在样品表面进行扫描时，探针和样品之间的相互作用变化可以反映样品丰富的信息，如表面形貌、电子态密度分布和表面势等。经过过去三十多年的发展，扫描探针显微镜的家族成员不断扩充和完善，并已成为表面科学、材料科学、物理学、化学和生命科学等多个领域中不可或缺的研究工具。在发展过程中，各类扫描探针显微镜通常需要放置在不同环境下，如超高真空，低温、磁场、电场、微波和光场等。在环境参量的改变和调控下，扫描探针显微镜的功能更强大，测量更精密。就强磁场下的扫描探针显微镜来说，待测样品在外加强磁场的作用下会发生许多物理过程和现象，如电子自旋甚至原子核自旋开始进动、翻转等。在现有的技术条件下，强磁场的实现大都需要利用超导材料的零电阻效应制成超导线圈磁体。而这样的超导磁体由于超导态的转变温度均较低（一般小于10 K），需要低温环境来保障。在扫描探针显微镜领域，由于探针和样品之间的距离很近，甚至控制到单原子尺度大小，这些仪器对外界的振动和噪音都极端敏感。因此，在强磁场环境下的扫描探针显微镜，超导磁体大都放置在液氦杜瓦恒温器中，通过液氦在4.2 K的相变潜热来实现制冷，满足超导磁体的超导相变温度，引入大电流产生强磁场。这一方式因为液氦自身无振动产生，往往又可以和扫描探针显微镜直接集成，形成低温强磁场扫描探针显微镜。但是，液氦是一种全球稀缺资源，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。有鉴于此，国际上纷纷开始利用无需液氦消耗的闭循环制冷机如吉福特-麦克马洪制冷机和脉管式制冷机等来对超导磁体进行致冷降温。然而，由于常规的闭循环制冷机具有较强的机械振动和噪音，对振动和噪音极端敏感的扫描探针显微镜目前还未采用闭循环制冷机降温的超导磁体。所以，如果能够利用无需液氦消耗的闭循环制冷机，实现强磁场环境的扫描探针显微镜将具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于无液氦室温孔超导磁体的强磁场扫描探针显微镜，与此同时扫描探针显微镜具备实现原子级分辨的低振动环境。

本发明提出的基于无液氦室温孔超导磁体的强磁场扫描探针显微镜，包括无液氦消耗的室温孔超导磁体、扫描探针显微镜和计算机控制电路系统；其中，所述无液氦消耗的室温孔超导磁体包括：无液氦闭循环制冷机、超导磁体和具备室温孔的腔室；所述扫描探针显微镜包括：扫描头、显微镜真空腔室、放置显微镜的隔振平台。