采用Gecko Drive技术的STM（扫描隧道显微镜），可在无需低温环境的超导磁体中实现稳定的原子级分辨率成像

《Micron》：Gecko Drive-enabled STM for stable atomic resolution imaging in cryogen free superconducting magnet

原子级成像与隧道扫描光谱在无液氦超导磁体中的STM头设计与验证

　　扫描隧道显微镜（STM）作为表面科学领域的重要工具，自问世以来，就以其卓越的分辨率和对材料表面电子结构的深入解析能力而备受关注。随着研究的不断深入，STM不仅在常温条件下被广泛用于原子级别的表征，还逐渐发展出在极端条件下，如低温和强磁场环境下的应用。这些条件下的STM操作能够揭示更为复杂的物理现象，如超导态的对称性、准粒子干涉图案、Weyl半金属中的费米弧结构、纳米结构中的量子限域效应，以及高温超导体中的伪能隙状态等。这些研究方向不仅推动了基础科学的发展，也为量子材料和强关联材料的探索提供了关键手段。

在实际操作中，STM面临的主要挑战之一是其对机械振动和声学噪声的高度敏感性。这种敏感性在低温和强磁场环境下尤为明显，因为这些条件下的环境更加稳定，但也对设备的振动隔离提出了更高要求。传统上，为了解决这一问题，研究人员通常会将STM安装在低温杜瓦（cryostat）中，其中超导磁体浸没在液氦中，以提供必要的热稳定性和振动隔离。然而，这种系统结构较为复杂，需要定期手动补充液氦，同时在运行和维护方面也存在较高的成本。这些限制使得STM在一些需要长时间稳定运行或高操作便利性的实验中面临挑战。

近年来，随着技术的进步，无液氦低温超导磁系统逐渐成为一种可行的替代方案。这种系统通过脉冲管或Gifford-McMahon型制冷机对超导线圈进行冷却，从而避免了对液氦的依赖，提高了操作的便捷性和长期成本效益。然而，这类制冷机在运行过程中会产生周期性振动，这些振动可能会对STM的性能造成干扰，尤其是在需要实现原子级分辨率的扫描过程中。因此，为了确保STM在无液氦环境下仍能保持稳定性能，设备的设计必须强调紧凑性、结构刚性和有效的振动隔离措施。

为了解决这些挑战，我们开发了一种新型的STM头部结构，专门适用于无液氦超导磁系统。该设计采用了紧固的PTS（Piezoelectric Tube Scanner）单元，并将其置于隔离扫描单元中，以增强设备的稳定性。在这一设计中，我们使用了一种改进型的Gecko Drive电机，其输出力超过2.2 N，能够有效驱动PTS单元。该电机的设计细节已在之前的文献中有所描述，它由五组压电堆组成，能够在低电压下实现高精度的运动控制。此外，该STM头部结构还采用了锆石框架，以确保其在强磁场环境下的电绝缘性能，从而防止涡流耦合导致的磁场加热问题。

通过实验测试，我们验证了这一新型STM在低温和强磁场条件下的性能。测试结果表明，该设备能够在室温（300 K）下实现对石墨样品的原子级分辨率成像，且在磁场范围从0到9 T的条件下仍能保持良好的稳定性。进一步的实验还表明，在低温（3 K）下，该STM能够实现对NbSe?表面的原子级分辨率成像和高精度的扫描隧道谱（STS）测量。这些结果充分证明了该STM在极端条件下的卓越性能。

在STM头部结构的设计中，我们特别关注了其紧凑性和结构刚性，以确保在有限的样品空间内仍能实现高精度的扫描。通过有限元分析（FEA），我们发现该STM结构具有较高的固有频率和较强的结构刚性，这使得其在运行过程中能够有效抵抗外部振动的影响。此外，该STM头部结构的设计还考虑了在粗调运动过程中，如何确保探针与样品之间的接触稳定，避免在扫描过程中因探针脱离而造成损坏。

在实验设置方面，我们采用了由牛津仪器提供的无液氦超导磁系统，该系统适用于低温扫描隧道显微镜（STM）研究。该系统包含一个可变温度插入件（VTI），其中央样品管直径为50 mm，能够在1.6 K至300 K的温度范围内进行精确的温度控制。VTI采用了一个封闭的氦气循环系统，包括一个小型存储罐和一个机械泵，以确保氦气在系统内的持续循环，从而维持稳定的低温环境。此外，该系统还配备了多种实验配件，如样品夹具、探针保护装置等，以提高实验的可操作性和安全性。

为了进一步提高STM在强磁场环境下的稳定性，我们还特别优化了其振动隔离设计。在传统的STM系统中，探针与样品之间的接触往往受到粗调运动装置的影响，尤其是在强磁场环境下，这种影响更为显著。因此，我们采用了一种隔离扫描单元，该单元通过紧固的PTS单元和锆石框架实现高精度的扫描和良好的结构刚性。此外，我们还对STM头部的运动控制进行了优化，以确保其在不同磁场条件下的稳定运行。

在实际应用中，该STM系统展现出了良好的性能和稳定性。例如，在室温条件下，该设备能够实现对石墨样品的原子级分辨率成像，而在低温条件下，其对NbSe?表面的扫描和STS测量也达到了预期的效果。这些结果表明，该STM系统不仅适用于常规的表面科学研究，还能够满足在极端条件下的高精度成像需求。

此外，该STM系统在设计过程中还考虑了与现有实验设备的兼容性。例如，其低电压运行特性使其能够与Teslatron磁系统无缝对接，从而提高实验的可操作性和安全性。同时，该系统的结构设计也兼顾了实验操作的便捷性，使其在长期运行过程中能够保持良好的稳定性，减少因设备老化或环境变化导致的性能下降。

综上所述，这一新型STM系统在设计上充分考虑了多种因素，包括结构刚性、振动隔离、温度控制和运动控制等，使其在低温和强磁场环境下仍能保持优异的性能。该系统的成功开发不仅为表面科学研究提供了新的工具，也为探索量子材料和强关联材料的电子特性提供了重要的技术支持。未来，随着技术的进一步发展，这一STM系统有望在更多极端条件下得到应用，为科学界带来更多突破性的发现。