近日，中國(guó)科學(xué)院有關(guān)專家在中科院物理研究所召開了一場(chǎng)“研制儀器驗(yàn)收會(huì)”，對(duì)2001年國(guó)際量子結(jié)構(gòu)中心申請(qǐng)的 “原位微區(qū)結(jié)構(gòu)分析與性質(zhì)測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)”和“超高真空低溫強(qiáng)磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統(tǒng)” 兩個(gè)大型儀器研制項(xiàng)目進(jìn)行了驗(yàn)收。

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試專家組進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)收專家組成員一致認(rèn)為，這兩臺(tái)大型儀器設(shè)備的研制成功不但在多項(xiàng)指標(biāo)上達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了原始性創(chuàng)新目標(biāo)，而且培養(yǎng)了一批難得的高水平技術(shù)人才，為中科院今后的大型儀器研發(fā)和可持續(xù)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，項(xiàng)目組提供的文件、資料齊全，經(jīng)費(fèi)使用合理，高質(zhì)量地完成了合同任務(wù)，并建議主管部門批準(zhǔn)該項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收。

　　據(jù)專家介紹，在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)中，物理研究所在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)儀器設(shè)備的同時(shí)，大力提倡自主開發(fā)研制大型的科學(xué)儀器，為實(shí)現(xiàn)原始創(chuàng)新提供平臺(tái)保障。2000年，物理所國(guó)際量子結(jié)構(gòu)中心成立以后，為滿足科研需求，利用量子中心的人才優(yōu)勢(shì)，制定了大型科學(xué)儀器研制計(jì)劃。目標(biāo)是建造兩臺(tái)先進(jìn)的精密儀器，并要求由我國(guó)自己獨(dú)立設(shè)計(jì)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，5年在市場(chǎng)上買不到的世界最尖端儀器。

　　經(jīng)過(guò)幾年的努力，“原位微區(qū)結(jié)構(gòu)分析與性質(zhì)測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)”和“超高真空低溫強(qiáng)磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統(tǒng)” 兩個(gè)大型儀器終于研制成功。這對(duì)提高我國(guó)的精密儀器的研制水平、對(duì)促進(jìn)科研成果的轉(zhuǎn)化、提高我國(guó)在該方面的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。同時(shí)，也將會(huì)大大提高量子中心的科研能力，對(duì)推動(dòng)目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的磁性、半導(dǎo)體和超導(dǎo)等多種功能材料向著納米尺度的方向的發(fā)展，對(duì)在一個(gè)更高的水平上研究與這些材料相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)、物理/化學(xué)性質(zhì)的表征、量子效應(yīng)研究以及新型納米/量子器件的研發(fā)方面具有重要的意義。

　　原位微區(qū)結(jié)構(gòu)分析與性質(zhì)測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)

　　研究低維材料的新結(jié)構(gòu)、新性質(zhì)以及新的器件性能要求實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的操縱和測(cè)量。現(xiàn)有的商業(yè)化設(shè)備的樣品操縱能力和測(cè)量功能難以滿足科研發(fā)展的需要，開發(fā)先進(jìn)的納米操縱和納米測(cè)量?jī)x器是解決科學(xué)前沿問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。物理所國(guó)際量子結(jié)構(gòu)中心的王中林教授、王恩哥研究員、白雪冬副研究員在院創(chuàng)新經(jīng)費(fèi)的大力支持下，研制原位微區(qū)結(jié)構(gòu)分析與性質(zhì)測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)，在高分辨透射電子顯微鏡中設(shè)計(jì)制造掃描隧道顯微鏡。透射電鏡為掃描探針導(dǎo)航，將兩者強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)表征功能和納米操縱功能結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的物性測(cè)量并原位表征材料的微觀結(jié)構(gòu)。此設(shè)備的探針調(diào)節(jié)范圍在毫米量級(jí)，調(diào)節(jié)精度達(dá)到0.1納米，除了用來(lái)測(cè)量單個(gè)納米材料場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)外，還可測(cè)量力學(xué)、機(jī)電性質(zhì)以及開展多種納米材料物理/化學(xué)問(wèn)題的研究，具有應(yīng)用的綜合性和靈活性。另外，可根據(jù)科研發(fā)展的需要，隨時(shí)自行對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，以滿足新的測(cè)量需求，對(duì)于商業(yè)化設(shè)備來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現(xiàn)的。利用研制的設(shè)備已經(jīng)開展了納米彈簧在自由振動(dòng)下的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)分辨的場(chǎng)電子發(fā)射性質(zhì)以及動(dòng)態(tài)場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)等研究，獲得了第一批實(shí)驗(yàn)成果。測(cè)試專家組對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面測(cè)試，結(jié)果表明該設(shè)備已達(dá)到合同書指標(biāo)，已經(jīng)利用該設(shè)備開展了研究工作，并取得了重要研究結(jié)果。該系統(tǒng)在非常有限的透射電鏡空間內(nèi)安裝掃描隧道顯微鏡單元，掃描探針位置調(diào)節(jié)范圍大并能精確定位，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)單個(gè)低維結(jié)構(gòu)樣品的操縱和物性測(cè)量。在透射電鏡中原位觀測(cè)物理現(xiàn)象，并同時(shí)高分辨地表征材料的微觀結(jié)構(gòu)，研究低維材料各種新穎的物理性質(zhì)，建立性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的直接聯(lián)系。該系統(tǒng)是先進(jìn)的大型納米表征儀器，為開展低維(納米)材料科學(xué)研究提供了一個(gè)有力的實(shí)驗(yàn)手段。它的成功研制對(duì)從事原創(chuàng)性研究具有重要意義。

　　超高真空低溫強(qiáng)磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統(tǒng)

　　原位系統(tǒng)地表征納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)是納米科技面臨的非常重要的問(wèn)題。它包括兩方面的內(nèi)容，一是能夠有控制地制備和生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是利用合適的科學(xué)儀器來(lái)對(duì)納米結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)、現(xiàn)象與過(guò)程進(jìn)行正確和準(zhǔn)確表征。由于現(xiàn)有的商業(yè)化設(shè)備或者缺乏某些技術(shù)功能，或者不同系統(tǒng)間難以整合等原因，無(wú)法滿足上述需要，只能根據(jù)具體的研究自主去研發(fā)這樣的儀器系統(tǒng)。特別是最近興起的自旋電子學(xué)和固態(tài)量子信息與計(jì)算，更是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器提出了新的功能要求和更復(fù)雜的性能組合，商業(yè)化的儀器無(wú)法滿足研究的需求。在這些全新領(lǐng)域的研究中，如果能根據(jù)最新的研究設(shè)想，有機(jī)地組合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)和開發(fā)新的儀器功能，無(wú)疑對(duì)開展的研究工作具有很大的幫助，而做到這一點(diǎn)的關(guān)鍵在于自主研發(fā)儀器系統(tǒng)并擁有整個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù)。

　　為此，物理所國(guó)際量子結(jié)構(gòu)中心的陳東敏研究員、薛其坤研究員、梁學(xué)錦副研究員在院創(chuàng)新經(jīng)費(fèi)的大力支持下，從2002年開始研制“超高真空低溫強(qiáng)磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：低溫強(qiáng)磁場(chǎng)雙探針掃描隧道顯微鏡(STM)、超高真空原位樣品制備系統(tǒng)、超快光譜測(cè)量平臺(tái)�？紤]到儀器在未來(lái)的功能擴(kuò)展，一方面將探頭和樣品座安裝在一個(gè)可方便拆卸的結(jié)構(gòu)上，硬件上保證了可隨時(shí)換上其它種類的測(cè)量裝置進(jìn)行特定性能的測(cè)試，另一方面整個(gè)控制系統(tǒng)的軟硬件全部自己開發(fā)，為系統(tǒng)進(jìn)一步改造和升級(jí)奠定了基礎(chǔ)。在保證科研工作的前提下，他們根據(jù)科研的需要，不斷地進(jìn)行功能擴(kuò)展，去年在此平臺(tái)上完成了“非原位的微弱信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)”。今年，他們還獲得了國(guó)家自然基金委儀器專項(xiàng)基金的資助，正在本儀器平臺(tái)上研發(fā)極端條件雙探針AFM系統(tǒng)，以進(jìn)一步拓展本系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，最大限度地利用現(xiàn)有資源。測(cè)試專家組對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明該研制設(shè)備已基本達(dá)到和部分超過(guò)任務(wù)指標(biāo)。這一系統(tǒng)的研制成功，不僅能夠有控制地制備和生長(zhǎng)納米尺度上的結(jié)構(gòu)，而且還可以原位地表征納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，為開展自旋電子學(xué)和固態(tài)量子信息與量子計(jì)算等全新領(lǐng)域的研究提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)手段。該項(xiàng)目是我國(guó)自主研發(fā)高精尖科學(xué)儀器的一個(gè)成功范例。