新型无液氦光耦合扫描探针显微镜系统研制取得重要进展 | 进展

近年来，扫描探针显微镜（SPM）凭借其原子级空间分辨率，已成为微纳科学研究的重要工具。然而，传统SPM在探测分子化学键、解析相似形貌结构等方面常因缺乏化学识别能力而受限。为此，研究者将SPM与近场等离激元增强技术相结合，发展出具备单分子光谱探测能力的光耦合扫描探针显微镜（OC-SPM）。但要实现埃米级光谱学成像，往往需要将样品冷却至液氦温区，以提升信噪比和信号稳定性。长期以来，液氦的昂贵价格和不稳定供给成为制约该类技术广泛应用的关键瓶颈。更为重要的是，OC-SPM实验通常需要长时间修饰针尖和精密光学对准，这些操作对低温环境的持续稳定性提出了极高要求。而依赖液氦补给的湿式方案难以实现长时间连续运行，实验往往在关键时刻因液氦耗尽而被迫中断，严重制约了OC-SPM的实验效率和科学产出。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心郇庆团队与中国科学技术大学谭世倞团队联合中科艾科米（北京）科技有限公司，成功研制出一套新型无液氦闭循环光耦合扫描隧道显微镜系统，实现了埃米级光谱学成像能力。该系统的核心创新在于将“远端液化无液氦闭循环”理念（Rev. Sci. Instrum. 94, 093701 (2023)）成功融入OC-SPM设计中。通过将压缩机置于独立氦循环中，利用柔性输液杆将液氦传输至扫描探头，既有效隔离了震动噪音，又大幅缩小了系统体积，更重要的是彻底摆脱了对液氦补给的依赖。测试结果表明，该系统基础工作温度低于3 K，温度稳定性接近±1 mK，振动水平小于1 pm，能够实现数月连续运行，综合性能足以媲美传统杜瓦式OC-SPM系统。系统在扫描探头上集成了两个数值孔径（N.A.）为0.46的可移动透镜模组，提供最高22.8%的光子收集效率，为埃米级光谱学成像提供了坚实的基础。

在此基础上，研究团队进一步对单个银酞箐分子（AgPc）开展了多模态表征实验。通过扫描隧道显微镜（STM）与非接触原子力显微镜（nc-AFM）联动，成功锁定分子结构并清晰分辨出中心银原子；利用扫描隧道谱（STS）成像揭示了分子内最高占据轨道（HOMO）与最低未占据轨道（LUMO）的空间分布；结合TERS技术，进一步识别出分子振动的细节与归属，例如718 cm-1的拉曼峰对应中心环的水平扭动，756 cm-1峰源于苯环中C-H键的面外弯曲振动，856 cm-1峰则与苯环的面外扭动相关。这些结果充分展示了该系统在埃米级尺度上实现从形貌观测到电子态解析、再到振动指纹识别和局域化学信息探测的全维度表征能力。

图：新型无液氦闭循环光耦合扫描隧道显微镜系统的设计图与多模式成像结果

远端液化无液氦闭循环极低振动制冷方案是物理所郇庆团队的原创技术，该系统的成功研制不仅标志着我国在高端精密仪器领域实现了从“原理创新”到“关键核心技术自主可控”的深度跨越，也为量子材料、表面催化、单分子科学等前沿研究提供了以“高信噪比、多参数耦合”为特征的微观科学探测所需的高端科学仪器支撑。其“无液氦、高集成、多模态”的技术优势，大幅降低了科研运行成本与操作门槛，为实现高精度、长时程、多模态的微观表征实验奠定了坚实基础。

该研究工作由中国科学院物理所马瑞松副研究员、博士后刘代融、中国科学技术大学博士生刘志伟为共同第一作者，物理所郇庆研究员和中国科学技术大学谭世倞教授为共同通讯作者。相关成果以“A Cryogen-free Low Temperature Scanning Probe Microscope System for Ångström-resolved Spectroscopic Imaging”为题发表于《高端科学仪器》期刊（Advanced Scientific Instruments）。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院科研仪器研制项目、北京市自然科学基金、中国科学院青年基础研究项目、国家科技重大专项等项目的支持。

编辑：辣条