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摘要

21世纪以来, 扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用. 为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率, 人们研发了具备超高真空(ultra high vacuum, UHV)和低温(low temperature, LT)环境的SPM系统(UHV-LT-SPM). 目前, 大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4( ⁴He), 使SPM的温度达到约4.2 K. 然而由于 ⁴He元素在自然界中含量低且因需求日益增长, 导致液氦价格急剧飙升, 严重影响到了 ⁴He相关低温设备的正常运行. 为应对上述问题, 干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向. 在此背景下, 将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合, 搭建干式低温扫描探针显微镜, 成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一. 本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面, 介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统. 最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战, 探讨了该技术未来的发展方向.

关键词:

Abstract

Since the beginning of the 21st century, scanning probe microscopy (SPM) has played an increasingly important role in investigating the micro- and nanoscale surface characterization, physical property measurement, and micro/nano fabrication. To provide a more stable operating environment and higher energy resolution for SPM, researchers have developed low-temperature scanning probe microscopy (LT-SPM) systems that operate under the conditions of ultra-high vacuum and low temperature. Currently, most of LT-SPM systems have achieved temperatures around 4.2 K by supplying liquid helium-4 ( ⁴He) to continuous flow cryostats or low-temperature Dewars. However, due to the low natural abundance of ⁴He and its increasing demand, the significant increase in the price of liquid helium has seriously affected the normal operation of ⁴He-based low temperature equipment. To solve this problem, dry (cryogen-free) refrigeration technology has emerged as a promising alternative to the next-generation low-temperature systems. In this context, the integration of dry refrigeration technology with SPM to construct Dry-LT-SPM systems has become a key research focus in the field of scanning probe instruments. This paper mainly discusses several reported closed-cycle Dry-LT-SPM systems, focusing on aspects such as system design, refrigeration schemes, vibration reduction methods, and overall performance. Finally, this paper summarizes the current challenges and problems faced by Dry-LT-SPM systems and explores potential future developments in this field.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:马瑞松,mars@iphy.ac.cn; 郇庆,huanq@iphy.ac.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: T2125014, 11927808, 12004417)和中国科学院关键技术研发团队项目 (批准号: GJJSTD20200005)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Ma Rui-Song,mars@iphy.ac.cn; Huan Qing,huanq@iphy.ac.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. T2125014, 11927808, 12004417) and the CAS Key Technology Research and Development Team Project (Grant No. GJJSTD20200005).

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