世界無液氦低溫STM/qPlusAFM系統

    美國RHK Technology公司突破了制冷機與STM（掃描隧道顯微鏡）結合時，存在*震動噪音的技術壁壘，推出了世界無液氦UHV LT STM/AFM-qPlus系統（PanScan Freedom）。在制冷機運行的狀態下(<9K)，輕松獲得原子級分辨率的掃描隧道顯微圖像。簡單易用的機械和軟件設計，不需要掌握復雜的STM技術和低溫制冷方法，輕松開展材料科學和表面物理前沿科學研究，讓低溫STM真正走進您的實驗室。

應用領域：

♦  二維材料，納米科學，表面物理化學等

♦  STM掃描隧道顯微鏡：導電樣品形貌、電學性能（電導、電子態密度、能帶、軌道）、磁學性能（近藤效應、自旋反轉）、化學鍵振動表征，原子或分子操縱，納米結構的建造

♦  AFM原子力顯微鏡：導電或不導電樣品形貌表征，力學性能,電荷分布（局部接觸勢）

RHK低溫掃描隧道顯微鏡產品特點：

-  閉循環制冷，無需任何液氦，樣品和探針始終處于相同溫度；

-  全溫區范圍實現STM原子級分辨圖像；在制冷機運行狀態下，噪音水平低于1pm；

-  工作模式有STM和AFM-qPlus，具有強大的譜圖采集和分析能力；自帶PLL和Lock-in，實現I-V，dI/dV以及dI2/dV2譜線采集和譜圖成像；

-  樣品架靈活配置：樣品尺寸10x10mm，可外接4個電路；

-  僅需日常用電，運行和維護成本極低；*擺脫了低溫STM實驗受液氦供應制約的煩惱；不再需要掌握復雜的液氦操作和安全知識，可連續不間斷地進行低溫STM實驗研究；

-  可與UFO腔體/MBE/PLD/LEED/APERS等儀器實現真空聯用。

RHK低溫掃描隧道顯微鏡基本參數：

-  溫度范圍：9K-400K

-  XY方向漂移：0.2Å/hour，Z方向漂移: 0.2Å/day

-  XYZ方向粗位移范圍：5x5x8mm@RT

-  掃描范圍：8x8x1.5μm@RT；2x2x0.5μm@10K

-  垂直樣品方向5T磁場或垂直

-  平行樣品方向5T-1T矢量磁場

 應用案例：

低溫掃描隧道顯微鏡PanScan Freedom應用案例

案例1：Oregon University的George Nazin教授利用掃描隧道顯微（STM）和掃描隧道譜學（STS）技術研究了吸附在Au(111)表面上的烷基取代噻吩低聚物的構象和電子結構，發現Au(111)表面反應活性的局部變化可以導致分子軌道能級的明顯變化（下圖，DOI: 10.1021/acsami.5b03516）。這些結果表明，界面分子的構象和電子結構可能與基于塊狀噻吩晶體的能帶結構而預期的性能有很大的不同。

參考文獻：Adsorption-Induced Conformational Isomerization of Alkyl-Substituted Thiophene Oligomers on Au(111): Impact on the Interfacial Electronic Structure[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(28):15138-15142.

案例2：荷蘭Leiden University的Marc T. M. Koper教授通過原子分辨的STM圖像發現了兩條由水分子組成的平行線沿Pt(111)臺階邊緣排布（下圖），并驗證了Pt(111)的模板作用，確認形成了雙鏈水的結構。這些結果突出表明了Pt表面電子波紋對吸附在其表面的水結構的巨大影響。

參考文獻：Double-Stranded Water on Stepped Platinum Surfaces. Phys. Rev. Lett. 116, 136101 – Published 29 March 2016.

■  超快太赫茲-掃描隧道顯微鏡（THz-STM）—— 調控單原子隧道電流

    原子級上電流的超快控制對納米電子未來的創新至關重要。之前相關研究表明，將皮秒級太赫茲脈沖耦合到金屬納米結構可以實現納米尺度上極度局部的瞬態電場。

    近期，加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）Frank A. Hegmann教授研究組在美國RHK Technology公司生產的商用超高真空掃描隧道顯微鏡（RHK-UHV-SPM 3000）系統上自主研發了太赫茲-掃描隧道顯微鏡（THz-STM），*在超高真空中對Si(111)-(7×7)樣品表面執行原子分辨率THz-STM測量，展示了超高真空中的THz-STM探索原子精度的超快非平衡隧道動力學的*能力。

圖1：利用THz-STM在超高真空中控制隧道電流

    在圖1(a)中可以看到，超快太赫茲（THz）脈沖通過反向視窗上的透鏡（左側）聚焦到超高真空（中間）的STM探針上，在隧道結（插圖）處產生隧道電流。圖1(c)中展示了耦合到STM針尖的太赫茲脈沖引發隨時間變化的偏壓（VTHz（t），紅色實線），驅動超快太赫茲感應電流（ITHz（t），藍色實線），從而產生整流的平均隧道電流。太赫茲脈沖極性（0°, 90°, 180°）可用于控制太赫茲脈沖引起的整流隧道電流，如圖1(e)所示。電子從樣品向流動，產生負的太赫茲極性，從到樣品具有正的太赫茲極性。

圖2：Si(111)- (7×7)上的單個原子非平衡隧穿的超快控制

    極限太赫茲脈沖驅動的隧道電流高達常規STM中穩態電流的107倍，實現了以0.3nm的空間分辨率對硅表面上的單個原子成像，由此確定在高電流水平下的超快太赫茲脈沖驅動隧道確實可以局域化為單一原子。此外，測試結果表明解釋Si(111)-(7×7)上的太赫茲驅動的STM（TD-STM）圖像的原子波紋（其中數百個電子在亞皮秒時間尺度內隧穿），需要理解非平衡充電動力學由硅表面的太赫茲脈沖引起。同時，單個原子的太赫茲驅動隧道電流的方向可以通過太赫茲脈沖電場的極性來控制。在太赫茲頻率下，類金屬Si(111)-(7×7)表面不能從體電子屏蔽電場，導致太赫茲隧道電導與穩態隧道電導基本機制的不同。很顯然，這樣一個的瞬態電流密度并不會影響所研究的單原子STM針尖或樣品表面原子，如同在傳統STM測試中具有如此大小隧道電流的Si(111)-(7×7)一樣。

圖3：太赫茲感應電流中的熱電子

    在高太赫茲場中觀察到了來自熱電子的隧道電流的額外貢獻。超快太赫茲誘導的帶狀彎曲和表面狀態的非平衡充電打開了新的傳導通路，使瞬態隧道電流在和樣品之間流動。半導體表面的THz-STM為原子尺度上的超快隧穿動力學提供了新的見解，這對于開發新型硅納米電子學和以太赫茲頻率工作的原子級器件至關重要。

    美國RHK公司商用超高真空掃描隧道顯微鏡（RHK-UHV-SPM 3000）為THz-STM的研發提供了穩定可靠的基礎，期待Frank A. Hegmann教授研究組利用這個強大的科研武器取得更多成果，同時希望更多的科研工作者能在THz-STM實驗平臺上開展富有成效的學術研究。
參考文獻：
1. Tyler L. Cocker, Frank A. Hegmann et al. An ultrafast terahertz scanning tunneling microscope. Nature Photonics, 151(2013).
2. Vedran Jelic, Frank A. Hegmann et al. Ultrafast terahertz control of extreme tunnel currents through single atoms on a silicon surface. Nature Physics, 4047(2017).

測試數據

低溫掃描隧道顯微鏡PanScan Freedom測試數據

Si(111)表面dI/dV(微分電導) mapping

同時測量的Si(111)樣品STM/qPlus-AFM原子圖像 

發表文章：

1. Lee E. Korshoj et al. Nature comm. 8:14231, 2017.
2. Benjamen N. Taber et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 15138−15142.
3. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. C 2015, 119, 26959−26967.
4. Christian F. Gervasi et al.Nanoscale, 2015, 7, 19732–19742.
5. Manuel J. Kolb et al.PRL 116, 136101 (2016).
6. J. Derouin et al.Surface Science 641 (2015) L1–L4.
7. Jason D. Hackley et al.REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 85, 103704 (2014).
8. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7,1047−1054.
9. D. A. Kislitsyn et al.Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 4842--4849.
10. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3701−3707
11. Jonathan Derouin et al.ACS Catal. 2016, 6, 4640−4646.
12. Dmitry A. Kislitsyn et al.J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 3138−3143. 

部分用戶列表（排名不分先后）

RHK公司PanScan Freedom低溫掃描隧道顯微鏡以其技術穩定性、*的精度和良好的用戶體驗得到了國內外眾多科學家的認可和青睞，在范圍內已有超過了20位用戶。

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