高精尖科學儀(yi) 器的獲得是基礎前沿科學探索研究及新發現的最重要因素之一。過去一些年裏，我國在超高真空-分子束外延及其相關(guan) 裝備的研製方麵與(yu) 發達國家存在著巨大差距，成為(wei) 我國相關(guan) 領域科學研究、應用開發水平、重大原創性科研成果產(chan) 生的重要瓶頸和掣肘。

作為(wei) 研究低維材料和表麵科學的重要工具，掃描隧道顯微鏡（STM）及其相關(guan) 各類掃描探針顯微技術（SPM）的發明極大推動了納米科技的發展。然而作為(wei) 複雜的綜合性係統，該類設備涉及超高真空、低溫、極低振動、精密機械加工、精密電子學探測和控製等諸多技術領域，我國SPM設備長期以來主要依靠從(cong) 發達國家進口。

中國科學院物理研究所高鴻鈞研究組（N04組）多年來一直致力於(yu) 掃描探針顯微學及其在低維量子結構方麵應用的研究，取得了一係列重要成果。同時也在相關(guan) 高精尖儀(yi) 器自主研製方麵不斷積累，奠定了紮實的基礎。通過與(yu) 物理所技術部研究員郇慶緊密合作，他們(men) 自主研製了一批核心關(guan) 鍵部件，成功完成了一台商業(ye) 化四探針係統的全麵升級改造【Review of Scientific Instruments, 88(6):063704, 2017】。針對原有係統所存在的噪音大、溫漂顯著、分辨率低等問題，他們(men) 將該係統進行了多方位徹底改造，包括減振與(yu) 阻尼、掃描結構、導熱鏈接與(yu) 熱屏、針尖定位掃描電鏡的替換等，從(cong) 根本上解決(jue) 了係統信噪比、機械和溫度穩定性、成像分辨率以及降溫等方麵的問題。與(yu) 此同時，他們(men) 研發了一套“分時複控電路單元”，為(wei) 多探針SPM係統提供低成本的分時控製解決(jue) 方案，進一步發揮該係統的特色和優(you) 勢。該研究組博士生馬瑞鬆、副研究員鮑麗(li) 宏等人利用徹底改造升級後的四探針係統，對石墨烯晶界電阻率與(yu) 遷移率等輸運特性展開了係統研究，拓展了人們(men) 對石墨烯晶界/褶皺處本征電子輸運特性的認識，展示了改造完成的四探針掃描隧道顯微鏡係統在研究缺陷等微觀結構特性對材料輸運性質的影響方麵的獨特優(you) 勢【Nano Letters, 17(9): 5291, 2017】。

最近，在郇慶研究員的直接指導與(yu) 帶領下，N04組的博士研究生吳澤賓、高兆豔等成功研製並搭建了多台套新型低溫光學SPM聯合分子束外延（MBE）係統，具有性能穩定、可擴展性強、樣品製備能力完善和光學兼容性好的特點，主要技術指標達到國際同類商業(ye) 化係統的優(you) 良水平。由於(yu) 所采用的諸多核心部件均為(wei) 自主研發，因此係統具有商業(ye) 化係統所不具備的多項優(you) 點：1）模塊化設計的掃描探頭可以同時兼容STM探針和qPlus  AFM傳(chuan) 感器，具有剛性高、結構緊湊的特點，在達到極低振動水平的同時，還可在超高真空、低溫環境中對探頭進行原位調節，顯著提高了設備的調試效率和使用便捷性；2）專(zhuan) 利設計的掃描探頭鎖定結構，可在低溫端實現探頭鎖定，進一步減小來自室溫的漏熱；3）機械和壓電驅動的透鏡調整方式，可根據具體(ti) 實驗要求靈活選擇，保證光信號精確引入和高效收集；4）集成的MBE子係統，具有低溫吸附冷屏，可實現多達6種不同材料的生長，並具備RHEED、LEED、QCM等多種原位生長監測的擴展能力。

該研發團隊對係統進行了反複調試和設計改進，並完成了全麵的性能測試。他們(men) 在幹淨的HOPG表麵和Au(111)表麵均可獲得高清原子分辨圖像，並進一步通過掃描隧道譜、隧穿結噪聲譜、二維周期原子結構製備等手段驗證了係統的各項性能。此外，研發團隊還根據研究應用單位的具體(ti) 需求對係統進行了優(you) 化定製設計，並對多個(ge) 核心關(guan) 鍵部件以及係統整體(ti) 進行了長時間的可靠性測試。目前，所搭建的多台套係統已分別交付物理所、清華大學、國家納米科學中心、中山大學等合作單位以開展不同方向的研究應用，並通過遠程運輸和異地安裝測試，多方麵驗證了係統的設計合理性和可靠性。進一步地，按照科技部重大科學儀(yi) 器專(zhuan) 項要求，研發團隊已將研製成果在更大範圍進行了推廣應用。目前，包括多種蒸發源及控製器、掃描探頭、光學調整台、分子束外延係統等在內(nei) 的部件和成套係統，已在國內(nei) 外數十所高校和科研機構推廣應用。

該光學兼容低溫掃描探針顯微鏡係統的詳細工作發表在近期的《科學儀(yi) 器評論》雜誌上【Review of Scientific Instruments 89, 113705 (2018); doi: 10.1063/1.5046466】。該工作得到了科技部重大科學儀(yi) 器專(zhuan) 項和中科院關(guan) 鍵技術研發團隊項目的支持。

    圖：(a-b) 四探針掃描隧道顯微鏡改造設計圖；(c) 石墨烯晶界測試示意圖；(d) 光學兼容低溫掃描探針顯微鏡係統三維設計圖與(yu) (e) 實物照片；(f) 部分係統性能測試數據。