新型無液氦光耦合掃描探針顯微鏡系統研制取得重要進展 | 進展

近年來，掃描探針顯微鏡（SPM）憑借其原子級空間分辨率，已成為微納科學研究的重要工具。然而，傳統SPM在探測分子化學鍵、解析相似形貌結構等方面常因缺乏化學識別能力而受限。為此，研究者將SPM與近場等離激元增強技術相結合，發展出具備單分子光譜探測能力的光耦合掃描探針顯微鏡（OC-SPM）。但要實現埃米級光譜學成像，往往需要將樣品冷卻至液氦溫區，以提升信噪比和信號穩定性。長期以來，液氦的昂貴價格和不穩定供給成為制約該類技術廣泛應用的關鍵瓶頸。更為重要的是，OC-SPM實驗通常需要長時間修飾針尖和精密光學對準，這些操作對低溫環境的持續穩定性提出了極高要求。而依賴液氦補給的濕式方案難以實現長時間連續運行，實驗往往在關鍵時刻因液氦耗盡而被迫中斷，嚴重制約了OC-SPM的實驗效率和科學產出。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心郇慶團隊與中國科學技術大學譚世倞團隊聯合中科艾科米（北京）科技有限公司，成功研制出一套新型無液氦閉循環光耦合掃描隧道顯微鏡系統，實現了埃米級光譜學成像能力。該系統的核心創新在于將“遠端液化無液氦閉循環”理念（Rev. Sci. Instrum. 94, 093701 (2023)）成功融入OC-SPM設計中。通過將壓縮機置于獨立氦循環中，利用柔性輸液桿將液氦傳輸至掃描探頭，既有效隔離了震動噪音，又大幅縮小了系統體積，更重要的是徹底擺脫了對液氦補給的依賴。測試結果表明，該系統基礎工作溫度低于3 K，溫度穩定性接近±1 mK，振動水平小于1 pm，能夠實現數月連續運行，綜合性能足以媲美傳統杜瓦式OC-SPM系統。系統在掃描探頭上集成了兩個數值孔徑（N.A.）為0.46的可移動透鏡模組，提供最高22.8%的光子收集效率，為埃米級光譜學成像提供了堅實的基礎。

在此基礎上，研究團隊進一步對單個銀酞箐分子（AgPc）開展了多模態表征實驗。通過掃描隧道顯微鏡（STM）與非接觸原子力顯微鏡（nc-AFM）聯動，成功鎖定分子結構并清晰分辨出中心銀原子；利用掃描隧道譜（STS）成像揭示了分子內最高占據軌道（HOMO）與最低未占據軌道（LUMO）的空間分布；結合TERS技術，進一步識別出分子振動的細節與歸屬，例如718 cm-1的拉曼峰對應中心環的水平扭動，756 cm-1峰源于苯環中C-H鍵的面外彎曲振動，856 cm-1峰則與苯環的面外扭動相關。這些結果充分展示了該系統在埃米級尺度上實現從形貌觀測到電子態解析、再到振動指紋識別和局域化學信息探測的全維度表征能力。

圖：新型無液氦閉循環光耦合掃描隧道顯微鏡系統的設計圖與多模式成像結果

遠端液化無液氦閉循環極低振動制冷方案是物理所郇慶團隊的原創技術，該系統的成功研制不僅標志著我國在高端精密儀器領域實現了從“原理創新”到“關鍵核心技術自主可控”的深度跨越，也為量子材料、表面催化、單分子科學等前沿研究提供了以“高信噪比、多參數耦合”為特征的微觀科學探測所需的高端科學儀器支撐。其“無液氦、高集成、多模態”的技術優勢，大幅降低了科研運行成本與操作門檻，為實現高精度、長時程、多模態的微觀表征實驗奠定了堅實基礎。

該研究工作由中國科學院物理所馬瑞松副研究員、博士后劉代融、中國科學技術大學博士生劉志偉為共同第一作者，物理所郇慶研究員和中國科學技術大學譚世倞教授為共同通訊作者。相關成果以“A Cryogen-free Low Temperature Scanning Probe Microscope System for ?ngstr?m-resolved Spectroscopic Imaging”為題發表于《高端科學儀器》期刊（Advanced Scientific Instruments）。研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院科研儀器研制項目、北京市自然科學基金、中國科學院青年基礎研究項目、國家科技重大專項等項目的支持。

編輯：辣條