圖1 自行研制的qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡商業(yè)化樣機。掃描探針顯微鏡（scanning probe microscopy, SPM）是納米科技領(lǐng)域最偉大的發(fā)明之一，其利用尖銳的針尖逐點掃描樣品，可在原子/分子/納米尺度上獲取表面的形貌和豐富的物性。掃描探針顯微鏡主要包括掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscopy, STM, 1986年諾貝爾物理獎）和原子力顯微鏡（atomic force microscopy, AFM, 2016年卡夫里獎）。自其誕生以來，掃描探針顯微鏡已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)等多個領(lǐng)域，改變了人類對物質(zhì)的研究范式和基礎(chǔ)認知。由于技術(shù)受限和經(jīng)驗缺乏，我國的高端掃描探針顯微鏡多年來一直嚴(yán)重依賴進口。在這種被動的局面下，江穎課題組十多年來一直致力于研發(fā)掃描探針顯微鏡的核心部件以及高分辨成像和譜學(xué)技術(shù)，不斷挑戰(zhàn)掃描探針技術(shù)的探測極限。尤其是成功研發(fā)出一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于qPlus傳感器的非侵?jǐn)_式掃描探針顯微術(shù)，該技術(shù)通過探測極其微弱的高階靜電力，刷新了掃描探針顯微鏡的空間分辨率，國際上首次實現(xiàn)了水分子中氫原子的直接成像，將水的微觀實驗研究帶入一個全新的時代。圖2 自制qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡的核心部件。A和B，光耦合掃描探頭的三維設(shè)計圖和實物圖。C，qPlus原子力傳感器。D，聚焦離子束刻蝕后的針尖。在關(guān)鍵技術(shù)獲得突破的基礎(chǔ)上，江穎課題組的程博偉博士和邊珂副研究員進一步與劉開輝課題組緊密合作，成功搭建了一臺qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡商業(yè)化樣機（專利1）。該設(shè)備兼容超高真空和低溫（液氦）環(huán)境，電路噪音背底低至5 fA/Hz1/2，針尖高度振動噪音峰小于200 fm/Hz1/2，熱漂移小于0.1 pm/min，各項指標(biāo)達到國際最好水平。同時，該設(shè)備的qPlus傳感器具有極低的背底振幅噪音（~2 pm）和優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)（最高140000），達到國際領(lǐng)先水平。此外，該顯微鏡系統(tǒng)還具備獨特性設(shè)計，其掃描探頭上直接集成了可驅(qū)動光學(xué)透鏡的三維納米定位器（專利2），大幅提升了光激發(fā)與光收集效率，避免了激光聚焦光斑的微抖動問題，使得該顯微鏡兼?zhèn)涫謨?yōu)異的光學(xué)兼容性，是研究多種分子和材料體系的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及動力學(xué)行為的理想工具。圖3 自制qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡的原子力顯微成像測試結(jié)果。A，qPlus力傳感器頻率掃描曲線。B和D，不同針尖高度下Au(111)表面二維冰的恒高原子力顯微圖像（頻移圖）。C，二維冰表面不同位置的力譜。E和F，二維冰的原子結(jié)構(gòu)圖。最近，北京大學(xué)與國內(nèi)儀器公司就相關(guān)專利的轉(zhuǎn)讓簽訂了合同，涉及“一種基于qPlus的光耦合掃描探針顯微鏡”等兩項實用新型專利，正在積極推動具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端掃描探針顯微鏡的國產(chǎn)化，有望打破長期的國際壟斷局面。該設(shè)備的研發(fā)得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、中國科學(xué)院和北京市政府的經(jīng)費支持。
相關(guān)論文：
Bowei Cheng, Da Wu, Ke Bian, Ye Tian, Chaoyu Guo, Kaihui Liu, Ying Jiang, A qPlus-based scanning probe microscope compatible with optical measurements. Review of Scientific Instruments 93, 043701 (2022).
(https://doi.org/10.1063/5.0082369)
相關(guān)專利：
[1] 江穎、程博偉、邊珂、吳達，一種基于qPlus的光耦合掃描探針顯微鏡，中國，202121333378.5，2021-09-03。
[2] 江穎、程博偉、吳達、邊珂，一種透鏡三維移動裝置，中國，202120697032.7，2021-05-07。
參考資料：https://www.phy.pku.edu.cn/info/1031/8329.htm
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