气势如虹：中国首款原子级分辨率SPM显微镜产值快速突破4000万

扫描探针显微镜（SPM）是利用物理探针在纳米级水平研究表面的仪器，包括扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等多种不同的显微镜，这些显微镜因在纳米科学领域被广泛应用而备受瞩目，极大推动了材料科学、生物医学、物理学等多个学科的发展，在微观世界探索中扮演着不可或缺的角色。

近年来，我国在SPM技术领域的发展取得了显著进步，并在一些方面取得了突破性成果。例如，北京大学江颖教授团队长期致力于自主研发新型SPM技术，成功研发了基于qPlus传感器的非侵扰式扫描探针显微术，刷新了扫描探针显微镜的空间分辨率，并在国际上首次实现了水分子中氢原子的直接成像和定位。近日，在全球科学仪器新品发布会暨“突破创新”主题论坛上，仪器信息网采访了上述技术研发团队核心成员北京大学田野博士，深入了解了该技术的创新点和产业化进展。

田野，2016年获得四川大学学士学位，2021年获得北京大学博士学位，2021-至今在北京大学物理学院量子材料中心博士后研究，合作导师为江颖教授。近五年发表学术论文十余篇，其中作为共同第一作者和共同通讯作者在Science, Nature, Nature Nanotechnology和National Science Review发表工作。2021年至今，入选北京大学博雅博士后项目，2023年7月受聘为特聘研究员。主持中国博士后面上资助，特别资助（站中）和国家自然科学基金集成项目子项目，参与国家自然科学基金专项项目与联合基金项目各1项。

仪器信息网：请您介绍一下我国扫描探针显微镜技术产业化现状如何？

田野：我国扫描探针显微镜领域当前是机遇和挑战并存的状态。先说挑战，现在越来越多的国家对我国实行禁运，比如在极低温强磁场领域处于世界垄断地位的日本公司UNISOKU对我国大部分高校和研究机构都实行了禁运，而极低温强磁场环境对于扫描探针显微镜的应用至关重要，特别是在研究物质的量子性质和电子结构时。除极低温强磁场设备外，扫描探针显微镜所用的控制器也在逐步禁运，它的主要供货来源是一家德国公司，现在国内的高校或企业采购他们的控制器时，常常会被拖延发货时间，有时长达半年。

国际禁运是该领域所面临的一个挑战，同时也给国内的仪器公司带来了机遇。当被“卡脖子”后，我们就必须要进行创新，因此，国内越来越多的公司纷纷开始进行系统创新和生产高端扫描探针显微镜。

仪器信息网：“高端扫描探针显微镜技术”的“高端”主要体现在哪些方面？主要有哪些技术瓶颈？

田野：“高端”体现在三个方面。第一个方面是环境的高端，该款扫描探针显微镜的环境是超高真空的，大约10-11毫巴的量级，接近太空10-12真空量级。换言之，它的环境跟在太空中差不多，这是第一个“高端”的体现。第二个方面是温度的高端，它的温度是4K低温（-269 ℃），而绝对零度-273 ℃，也就是说它可以在接近绝对零度的温度下工作。这个温度可以让表面分子固定，并且维持表面干净。第三个方面是分辨率的高端，这款仪器的分辨率非常高，可以实现氢核的定位。而所有原子当中我们知道氢是最轻的、也是最小的原子，能够定位氢核位置意味着分辨率处于非常高端的水平。

至于技术瓶颈，当前真空技术已经非常成熟，我国在多年前就可以自主生产泵组，只是还目前还不擅长生产高端的泵组；在温度方面有明显的技术瓶颈，我国自主研发的杜瓦或制冷机对于温度的维持时间还不够稳定；最主要的技术瓶颈则是高分辨率的获得，我们发展了几代qPlus传感器的固定方式，同时对信号放大器进行重新升级，最终才达到目前的高分辨成像。

仪器信息网：贵团队研发的扫描探针显微系统的主要创新点和优势有哪些？目前产业化进展如何？

田野：我们研发的这套扫描探针显微镜最大的优势是高分辨，可以从原子尺度去观测物质。其次，我们通过许多的技术创新，比如qPlus传感器耦合、放大器的创新升级，最终获得了高分辨的成像。近期我们还在开发新式无液氦的扫描探针显微镜，而去年年底我们已经发布了一款有液氦的设备。氦是维持低温的重要资源，我国是一个氦资源非常匮乏的国家，主要依赖于从俄罗斯或美国进口，一旦地缘政治环境发生变化导致他们对我们禁运，我们就没有氦可用了。近期我们开发的无液氦系统，利用电制冷的方式，同样可以达到低温，它的应用空间会更广。

关于产业化进程，2023年年底，北京大学联合中科艾科米（北京）科技有限公司推出光耦合qPlus型扫描探针显微镜商业化系统，它结合了当前国际上分辨率最高的qPlus扫描探针技术，拥有2项核心专利，属于我国完全自主研发的高端扫描探针显微镜设备。目前已经售出十余台，产值超过4000万元。

仪器信息网：贵团队利用自研的高端扫描探针显微镜首次实现氢原子成像，请谈谈该技术在相关应用中的优势和难点。该成果有何重要意义？

田野：我们课题组的研究对象主要是水相关的物质，水分子包含氧原子和氢原子，氧原子比较大，可以通过常规的扫描隧道显微镜（STM）手段检测氧原子的分布。但氢原子非常小，定位十分困难的，而当实现了氢原子定位，就可以分辨水分子的朝向、水分子中氢键的构型等。我们团队就想到，水分子是极性分子，氧带负电，氢带正电，通过一些手段将水分子的电荷的分布出来，从而看到氢核的位置。人们通常用静电力显微镜来实现，但它的观测的是长程力，分辨率会比较差，因此我们团队就开发了这种高阶静电力的手段，在针尖的末端修饰一个带电的电磁极矩，电磁极矩可以通过与水分子之间的高阶静电力，最终实现氢核的定位。

定位完氢核之后，我们紧接着开展了一系列的研究，比如材料表面二维冰生长过程的探索以及发现了在金属表面可能有水合氢离子的形成等，这些发现也为接下来的一系列新的研究打下基础。

仪器信息网：请您介绍一下贵团队研发的扫描探针显微系统还有哪些潜在应用材料体系或科研领域？

田野：扫描探针显微镜是表面科学领域非常关键的仪器，自发明以来就极大推进了纳米科学的发展，它可以进行表面原子操纵研究，应用最多的是在凝聚态领域，对于表面电子态的物性、拓普的结构或者超导研究都有非常大的应用价值。此外，在最近比较火的Kagome 材料研究中也有应用。同时我们课题组还将扫描探针显微镜和一些量子传感技术进行结合，可以在纳米尺度上探测表面磁场和电场的分布。

仪器信息网：您认为“创新”对于科学仪器行业的意义是什么？请您谈谈团队围绕扫描探针技术接下来的研发或科研计划？

田野：我认为创新无论对于科学仪器行业还是科研行业都是非常重要的品质，是许多行业发展的灵魂所在，是进步必须的动力，没有创新就只能原地踏步。

我们团队针对扫描探针技术接下来会有四个方向的深入研发：

首先，由于UNISOKU公司在极低温强磁场领域进行了全球垄断并且对中国禁运，我们接下来的目标是要打破极低温强磁场技术壁垒，突破“卡脖子”技术，实现极低温强磁场STM或qPlus AFM的成像，这是我们接下来最关键的研究方向。第二，我们在与中科院纳米所合作开发低温扫描探针量子传感技术，它可以对生物体细胞的在纳米尺度做核磁共振（NMR），从而看到生物体细胞里水分子的分布。第三，是软件开发，虽然我国很早之前就在强调软件的创新，但是扫描探针显微镜的软件还是被德国公司垄断，因此我们想与中科纳米合作，进一步开发升级扫描探针显微镜的控制软件，同时开发一些机箱。第四，仪器与人工智能结合也是一个非常关键的方向，由于扫描探针显微镜的使用门槛相对较高，我们课题组通过开发一些软件进行自动化的操作，以降低扫描探针显微镜使用的门槛，同时也将该技术手段推向更大的市场。