国产两大科学仪器设备研制成功

    近日，中国科学院有关专家在中科院物理研究所召开了一场“研制仪器验收会”，对2001年国际量子结构中心申请的 “原位微区结构分析与性质测试联合系统”和“超高真空低温强磁场双探针扫描隧道显微镜/谱系统” 两个大型仪器研制项目进行了验收。

    经过测试专家组进行的现场测试，验收专家组成员一致认为，这两台大型仪器设备的研制成功不但在多项指标上达到了国际领先水平，实现了原始性创新目标，而且培养了一批难得的高水平技术人才，为中科院今后的大型仪器研发和可持续发展打下了坚实的基础。同时，项目组提供的文件、资料齐全，经费使用合理，高质量地完成了合同任务，并建议主管部门批准该项目通过验收。

    据专家介绍，在中国科学院知识创新工程试点中，物理研究所在引进国外先进仪器设备的同时，大力提倡自主开发研制大型的科学仪器，为实现原始创新提供平台保障。2000年，物理所国际量子结构中心成立以后，为满足科研需求，利用量子中心的人才优势，制定了大型科学仪器研制计划。目标是建造两台先进的精密仪器，并要求由我国自己独立设计，具有自主知识产权，5年在市场上买不到的世界最尖端仪器。

    经过几年的努力，“原位微区结构分析与性质测试联合系统”和“超高真空低温强磁场双探针扫描隧道显微镜/谱系统” 两个大型仪器终于研制成功。这对提高我国的精密仪器的研制水平、对促进科研成果的转化、提高我国在该方面的国际竞争力具有重要的意义。同时，也将会大大提高量子中心的科研能力，对推动目前已经得到广泛应用的磁性、半导体和超导等多种功能材料向着纳米尺度的方向的发展，对在一个更高的水平上研究与这些材料相关的纳米结构的生长、物理/化学性质的表征、量子效应研究以及新型纳米/量子器件的研发方面具有重要的意义。

    原位微区结构分析与性质测试联合系统

    研究低维材料的新结构、新性质以及新的器件性能要求实现对单个纳米结构的操纵和测量。现有的商业化设备的样品操纵能力和测量功能难以满足科研发展的需要，开发先进的纳米操纵和纳米测量仪器是解决科学前沿问题的重要基础。物理所国际量子结构中心的王中林教授、王恩哥研究员、白雪冬副研究员在院创新经费的大力支持下，研制原位微区结构分析与性质测试联合系统，在高分辨透射电子显微镜中设计制造扫描隧道显微镜。透射电镜为扫描探针导航，将两者强大的结构表征功能和纳米操纵功能结合起来，实现对单个纳米结构的物性测量并原位表征材料的微观结构。此设备的探针调节范围在毫米量级，调节精度达到0.1纳米，除了用来测量单个纳米材料场发射性质和输运性质外，还可测量力学、机电性质以及开展多种纳米材料物理/化学问题的研究，具有应用的综合性和灵活性。另外，可根据科研发展的需要，随时自行对设备进行改造，以满足新的测量需求，对于商业化设备来说是难以实现的。利用研制的设备已经开展了纳米弹簧在自由振动下的力学性质、结构分辨的场电子发射性质以及动态场发射性质等研究，获得了第一批实验成果。测试专家组对系统进行了全面测试，结果表明该设备已达到合同书指标，已经利用该设备开展了研究工作，并取得了重要研究结果。该系统在非常有限的透射电镜空间内安装扫描隧道显微镜单元，扫描探针位置调节范围大并能精确定位，实现了针对单个低维结构样品的操纵和物性测量。在透射电镜中原位观测物理现象，并同时高分辨地表征材料的微观结构，研究低维材料各种新颖的物理性质，建立性质和结构的直接联系。该系统是先进的大型纳米表征仪器，为开展低维(纳米)材料科学研究提供了一个有力的实验手段。它的成功研制对从事原创性研究具有重要意义。

    超高真空低温强磁场双探针扫描隧道显微镜/谱系统

    原位系统地表征纳米结构的光学、电学和磁学性质是纳米科技面临的非常重要的问题。它包括两方面的内容，一是能够有控制地制备和生长纳米结构，另一个是利用合适的科学仪器来对纳米结构的各种性质、现象与过程进行正确和准确表征。由于现有的商业化设备或者缺乏某些技术功能，或者不同系统间难以整合等原因，无法满足上述需要，只能根据具体的研究自主去研发这样的仪器系统。特别是最近兴起的自旋电子学和固态量子信息与计算，更是对实验仪器提出了新的功能要求和更复杂的性能组合，商业化的仪器无法满足研究的需求。在这些全新领域的研究中，如果能根据最新的研究设想，有机地组合现有实验技术和开发新的仪器功能，无疑对开展的研究工作具有很大的帮助，而做到这一点的关键在于自主研发仪器系统并拥有整个系统的核心技术。

    为此，物理所国际量子结构中心的陈东敏研究员、薛其坤研究员、梁学锦副研究员在院创新经费的大力支持下，从2002年开始研制“超高真空低温强磁场双探针扫描隧道显微镜/谱系统”。该系统主要包括三个部分：低温强磁场双探针扫描隧道显微镜(STM)、超高真空原位样品制备系统、超快光谱测量平台。考虑到仪器在未来的功能扩展，一方面将探头和样品座安装在一个可方便拆卸的结构上，硬件上保证了可随时换上其它种类的测量装置进行特定性能的测试，另一方面整个控制系统的软硬件全部自己开发，为系统进一步改造和升级奠定了基础。在保证科研工作的前提下，他们根据科研的需要，不断地进行功能扩展，去年在此平台上完成了“非原位的微弱信号测试系统”。今年，他们还获得了国家自然基金委仪器专项基金的资助，正在本仪器平台上研发极端条件双探针AFM系统，以进一步拓展本系统的应用领域，最大限度地利用现有资源。测试专家组对系统进行了现场实际测试，结果表明该研制设备已基本达到和部分超过任务指标。这一系统的研制成功，不仅能够有控制地制备和生长纳米尺度上的结构，而且还可以原位地表征纳米结构的光学、电学和磁学性质，为开展自旋电子学和固态量子信息与量子计算等全新领域的研究提供了强大的实验手段。该项目是我国自主研发高精尖科学仪器的一个成功范例。