近日，北京大學(xué)物理學(xué)院、輕元素先進(jìn)材料研究中心江穎教授課題組與劉開輝教授課題組合作，自主研發(fā)了一臺qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡。該顯微鏡性能達(dá)到國際最好水平，其中原子力傳感器振幅噪音和品質(zhì)因子國際領(lǐng)先。相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)發(fā)表在國際著名科學(xué)儀器雜志《科學(xué)儀器評論》（Review of Scientific Instruments）。相關(guān)專利技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)讓，并完成了首臺商業(yè)化樣機(jī)。
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(diǎn)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(rèn)知。
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(jī)
由于技術(shù)受限和經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了水分子中氫原子的直接成像，將水的微觀實(shí)驗(yàn)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(jì)圖和實(shí)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、博士研究生吳達(dá)和邊珂副研究員進(jìn)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(jī)（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(xiàng)指標(biāo)達(dá)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(dá)到國際領(lǐng)先水平。此外，該顯微鏡系統(tǒng)還具備獨(dú)特性設(shè)計(jì)，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(xiàng)實(shí)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(fèi)支持。
相關(guān)論文：
Bowei Cheng, Da Wu, KeBian, 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(dá)，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(dá)、邊珂，一種透鏡三維移動裝置，中國，202120697032.7，2021-05-07。
