世界无液氦低温STM/qPlusAFM系统

    美国RHK Technology公司突破了制冷机与STM（扫描隧道显微镜）结合时，存在*震动噪音的技术壁垒，推出了世界无液氦UHV LT STM/AFM-qPlus系统（PanScan Freedom）。在制冷机运行的状态下(<9K)，轻松获得原子级分辨率的扫描隧道显微图像。简单易用的机械和软件设计，不需要掌握复杂的STM技术和低温制冷方法，轻松开展材料科学和表面物理前沿科学研究，让低温STM真正走进您的实验室。

应用领域：

♦  二维材料，纳米科学，表面物理化学等

♦  STM扫描隧道显微镜：导电样品形貌、电学性能（电导、电子态密度、能带、轨道）、磁学性能（近藤效应、自旋反转）、化学键振动表征，原子或分子操纵，纳米结构的建造

♦  AFM原子力显微镜：导电或不导电样品形貌表征，力学性能,电荷分布（局部接触势）

RHK低温扫描隧道显微镜产品特点：

-  闭循环制冷，无需任何液氦，样品和探针始终处于相同温度；

-  全温区范围实现STM原子级分辨图像；在制冷机运行状态下，噪音水平低于1pm；

-  工作模式有STM和AFM-qPlus，具有强大的谱图采集和分析能力；自带PLL和Lock-in，实现I-V，dI/dV以及dI2/dV2谱线采集和谱图成像；

-  样品架灵活配置：样品尺寸10x10mm，可外接4个电路；

-  仅需日常用电，运行和维护成本极低；*摆脱了低温STM实验受液氦供应制约的烦恼；不再需要掌握复杂的液氦操作和安全知识，可连续不间断地进行低温STM实验研究；

-  可与UFO腔体/MBE/PLD/LEED/APERS等仪器实现真空联用。

RHK低温扫描隧道显微镜基本参数：

-  温度范围：9K-400K

-  XY方向漂移：0.2Å/hour，Z方向漂移: 0.2Å/day

-  XYZ方向粗位移范围：5x5x8mm@RT

-  扫描范围：8x8x1.5μm@RT；2x2x0.5μm@10K

-  垂直样品方向5T磁场或垂直

-  平行样品方向5T-1T矢量磁场

 应用案例：

低温扫描隧道显微镜PanScan Freedom应用案例

案例1：Oregon University的George Nazin教授利用扫描隧道显微（STM）和扫描隧道谱学（STS）技术研究了吸附在Au(111)表面上的烷基取代噻吩低聚物的构象和电子结构，发现Au(111)表面反应活性的局部变化可以导致分子轨道能级的明显变化（下图，DOI: 10.1021/acsami.5b03516）。这些结果表明，界面分子的构象和电子结构可能与基于块状噻吩晶体的能带结构而预期的性能有很大的不同。

参考文献：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：荷兰Leiden University的Marc T. M. Koper教授通过原子分辨的STM图像发现了两条由水分子组成的平行线沿Pt(111)台阶边缘排布（下图），并验证了Pt(111)的模板作用，确认形成了双链水的结构。这些结果突出表明了Pt表面电子波纹对吸附在其表面的水结构的巨大影响。

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

■  超快太赫兹-扫描隧道显微镜（THz-STM）—— 调控单原子隧道电流

    原子级上电流的超快控制对纳米电子未来的创新至关重要。之前相关研究表明，将皮秒级太赫兹脉冲耦合到金属纳米结构可以实现纳米尺度上极度局部的瞬态电场。

    近期，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）Frank A. Hegmann教授研究组在美国RHK Technology公司生产的商用超高真空扫描隧道显微镜（RHK-UHV-SPM 3000）系统上自主研发了太赫兹-扫描隧道显微镜（THz-STM），*在超高真空中对Si(111)-(7×7)样品表面执行原子分辨率THz-STM测量，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动力学的*能力。

图1：利用THz-STM在超高真空中控制隧道电流

    在图1(a)中可以看到，超快太赫兹（THz）脉冲通过反向视窗上的透镜（左侧）聚焦到超高真空（中间）的STM探针上，在隧道结（插图）处产生隧道电流。图1(c)中展示了耦合到STM针尖的太赫兹脉冲引发随时间变化的偏压（VTHz（t），红色实线），驱动超快太赫兹感应电流（ITHz（t），蓝色实线），从而产生整流的平均隧道电流。太赫兹脉冲极性（0°, 90°, 180°）可用于控制太赫兹脉冲引起的整流隧道电流，如图1(e)所示。电子从样品向流动，产生负的太赫兹极性，从到样品具有正的太赫兹极性。

图2：Si(111)- (7×7)上的单个原子非平衡隧穿的超快控制

    极限太赫兹脉冲驱动的隧道电流高达常规STM中稳态电流的107倍，实现了以0.3nm的空间分辨率对硅表面上的单个原子成像，由此确定在高电流水平下的超快太赫兹脉冲驱动隧道确实可以局域化为单一原子。此外，测试结果表明解释Si(111)-(7×7)上的太赫兹驱动的STM（TD-STM）图像的原子波纹（其中数百个电子在亚皮秒时间尺度内隧穿），需要理解非平衡充电动力学由硅表面的太赫兹脉冲引起。同时，单个原子的太赫兹驱动隧道电流的方向可以通过太赫兹脉冲电场的极性来控制。在太赫兹频率下，类金属Si(111)-(7×7)表面不能从体电子屏蔽电场，导致太赫兹隧道电导与稳态隧道电导基本机制的不同。很显然，这样一个的瞬态电流密度并不会影响所研究的单原子STM针尖或样品表面原子，如同在传统STM测试中具有如此大小隧道电流的Si(111)-(7×7)一样。

图3：太赫兹感应电流中的热电子

    在高太赫兹场中观察到了来自热电子的隧道电流的额外贡献。超快太赫兹诱导的带状弯曲和表面状态的非平衡充电打开了新的传导通路，使瞬态隧道电流在和样品之间流动。半导体表面的THz-STM为原子尺度上的超快隧穿动力学提供了新的见解，这对于开发新型硅纳米电子学和以太赫兹频率工作的原子级器件至关重要。

    美国RHK公司商用超高真空扫描隧道显微镜（RHK-UHV-SPM 3000）为THz-STM的研发提供了稳定可靠的基础，期待Frank A. Hegmann教授研究组利用这个强大的科研武器取得更多成果，同时希望更多的科研工作者能在THz-STM实验平台上开展富有成效的学术研究。
参考文献：
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).

测试数据

低温扫描隧道显微镜PanScan Freedom测试数据

Si(111)表面dI/dV(微分电导) mapping

同时测量的Si(111)样品STM/qPlus-AFM原子图像 

发表文章：

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. 

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