大角度微型二维扫描镜

导读：自2017年来，二维磁性在单层材料中的实现使得二维磁性材料受到了大的关注。范德瓦尔斯磁体让我们对二维限下的磁性有了更进一步的了解，不同磁结构的范德瓦尔斯磁体使得实验上探究二维下的磁学模型成为可能。例如，在单层CrI3中发现Ising铁磁，而XY模型的NiPS3在单层限下的磁性会被抑制。除了这些，有着变磁行为的范德瓦尔斯磁体更为有趣，比如在少层CrCl3中由于奇数层存在着未补偿磁矩，使得奇数层存在着spin-flop转变，而偶数层则没有。目前，现存的二维磁性材料非常稀少，这意味着新范德瓦尔斯磁体的发现，不仅仅有助于二维磁性的研究，更是为二维自旋电子学器件的应用提供了材料基础[1]。相比于传统的三维空间结构，二维层状磁性材料因其原子层间较弱的范德华尔斯作用力，能够人为操控其层间堆叠方式，进而有可能影响其磁耦合特性，为新型二维自旋器件的研制提供新思路。然而，堆叠方式与磁耦合间的关联机制仍不甚明晰，需要借助先进的扫描探针技术才能实现在原子层面的直接实验观测。美国RHK公司所提供的先进R9plus扫描探针显微镜控制器可以有效结合课题组自主研发的扫描探针设备，同时给予高效率的扫描控制，从而可以针对二维磁性材料应用领域展开更为深入的研究。本文重点介绍国内课题组灵活运用RHK公司扫描探针控制器，配合自主研发设计的扫描探针设备所开展的一系列国际前沿性二维材料领域的研究工作，其中各研究工作当前已在国际SCI核心学术期刊发表。科学成果的突破，离不开实验技术的不断攻坚克难。复旦大学物理学系教授高春雷、吴施伟团队通过团队自主研发搭建的扫描探针设备创造性地将原位化合物分子束外延生长技术和自旋化扫描隧道显微镜相结合，在原子层面彻底厘清了双层二维磁性半导体溴化铬（CrBr3）的层间堆叠和磁耦合间的关联，为二维磁性的调控指出了新的维度。相关研究成果以 《范德华尔斯堆叠依赖的层间磁耦合的直接观测》（“Direct observation of van der Waals stacking dependent interlayer magnetism”）为题发表于《科学》（Science）主刊，其中复旦大学物理学系博士后陈维炯为作者[2]。图中所示为陈博士与RHK技术总监进行深入的技术探讨，现场摸索优化测试信号，并详细沟通具体的测量细节，为后续高效率提取高质量大数据做准备。 课题组运用自主研制的自旋化扫描隧道显微镜测量技术，结合RHK公司先进的扫描探针显微镜控制器对自主研发实验设备实现测量调控，团队进一步在原子分辨下获取了样品磁化方向的相对变化，从而实现了实验突破，揭秘材料堆叠方式与磁耦合之间的直接关联性。团队以CrBr3双层膜作为主要研究对象和潜在突破口。双层CrBr3间较弱的范德瓦尔斯力赋予层间发生相对转动和平移的“自由”，从而使堆叠方式多样化成为可能。确实，在实验中获得的CrBr3双层膜具有两种不同的转动堆叠结构（H型和R型），分别对应迥异的结构对称性。其中，R型堆叠结构中，双层膜上下两层间同向平行排列，且沿晶体镜面方向作一定平移；H型堆叠结构中，双层膜上下两层之间旋转了180度，反向平行交错排列。这两种结构均是在相应的体材料中从未发现过的全新堆叠结构。至此，团队率先在原子尺度阐明了CrBr3堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的直接关联，为理解三卤化铬家族CrX3中不同成员的迥异磁耦合提供了指导。H型和R型堆叠的CrBr3双层膜自旋化扫描隧道显微镜测量 更多精彩案例： 《Nature》子刊：中国科大扭转双层石墨烯重要进展！ 范德瓦尔斯堆叠的双层石墨烯具有一系列新奇的电学性质（例如，电场可调控的能隙、随扭转转角变化的范霍夫奇点以及一维拓扑边界态等）。当双层石墨烯的扭转转角减小到一系列特定的值（魔角）时，体系的费米面附近出现平带，电子在能量空间高度局域，电子-电子相互作用显著增强，出现莫特缘体和反常超导量子物态。另一方面，这些新奇的性质与双层石墨烯体系的扭转角度有着严格的依赖关系，体系层间相互作用随着转角减小会逐渐增强，因此探寻和研究这种层间耦合对理解扭转双层石墨烯的电子结构和物理性质至关重要。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学研究中心国际功能材料量子设计中心（ICQD）物理系秦胜勇教授与武汉大学袁声军教授及其他国内外同行合作，利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱，次在双层转角石墨烯体系中发现了本征赝磁场存在的重要证据，结合大尺度理论计算指出该赝磁场来源于层间相互作用导致的非均匀晶格重构。相关研究成果以“Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene”为题，于2020年发表于《自然通讯》（Nature Communications 2020,11,371）上[3]。图：小角度双层石墨烯中本征赝磁场的发现。对于转角为0.48度的双层石墨烯，在不加外磁场情况下，实验发现了贋朗道能（图b），理论计算进一步验证了这种贋磁场行为（图c），并估算出贋磁场值大约为6特斯拉（图e）。 该团队系统研究了小角度下（1°）双层石墨烯的电学性质，次证实了由晶格重构导致的本征赝磁场。先，研究人员发现体系中赝磁场导致了低能载流子的能量量子化，并计算出这种本征赝磁场在实空间的分布。研究发现赝磁场的分布并不是均匀的，而是以AA堆叠为中心呈涡旋状，且在AA堆叠边界区域达到大值；另外，该赝磁场的大小随着转角的减小而增大，其分布和大小受到外加应力的调控。该项研究证实，在小角度扭转双层石墨烯中晶格重构导致的赝磁场和强关联电子态存在着内在的关联，层间相互作用对体系的结构重构和性质变化有着非常重要的影响。这一现象可以推广到其他范德瓦尔斯堆叠的二维材料体系中。这项工作同时表明，具有本征赝磁场的小角度扭转双层石墨烯是实现量子反常霍尔效应的一个可能平台，为研究二维材料的性质和应用提供了新的思路。RHK公司提供的R9plus扫描探针显微镜强有力的为国内自主研发技术提供有力保障，除了在科研领域内重点关注的二维材料发挥重要作用以外，也对国内其它相关扫描探针设备研发领域课题组提供技术支持。中国科学技术大学陆轻铀教授团队与中国科学院强磁场科学中心、新加坡国立大学等单位合作，利用扫描探针控制器实现了高精度的磁力显微镜观察表征，报告了在超薄BaTiO3/SrRuO3 (BTO/SRO)双层异质结构中发现铁电体（FE）驱动的、高度可调谐的磁性斯格明子。在BTO中，FE驱动的离子位移可以穿过异质界面，并继续为多个单元进入SRO。这种所谓的FE邻近效应已经在不同的FE/金属氧化物异质界面中得到了预测和证实。在BTO/SRO异质结构中，这种效应可以诱导相当大的DMI，从而稳定强大的磁性物质。此外，通过利用BTO覆盖层的FE化，可以实现对斯格明子性质的局部、可逆和非易失性控制。这种铁电可调的斯格明子系统为设计具有高集成性和可寻址性的基于斯格明子的功能设备提供了一个潜在的方向。相关成果以题为“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”发表在了Nat. Mater.上[4]。B20S5样品中磁性斯格明子的磁力显微镜表征 除此之外该课题组也对二维过渡金属硫化物材料MoTe2温度依赖的表面STM图像、电子结构、晶格动力学和拓扑性质进行了研究。研究结果以Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td-MoTe2 at low temperature为题，发表在美国物理学会杂志《物理评论B》上。该工作为二维过渡金属硫化物材料MX2的低温研究、实验制备和器件开发提供了直接的理论支持，其揭示的MoTe2低温下反常物性的内在物理机制对其它具有内在MX2八面体结构畸变的二维材料同样具有参考价值[5]。学术工作之外，该课题组在仪器设备研发方面也取得了优异的成果，课题组在国际上次研制成功混合磁体端条件下原子分辨扫描隧道显微镜（STM），相关研究成果发表在显微镜领域著名期刊Ultramicroscopy和著名仪器刊物Review of Scientific Instruments上。此工作利用混合磁体搭配RHK公司扫描探针设备开展原子分辨成像研究，对于突破当前超强磁场下只能开展输运等宏观平均效果测量的瓶颈，进入到广阔的物性微观起源探索领域，具有标志性意义。同时，课题组又针对超强磁场下的生物分子高分辨成像，搭建了一套室温大气环境下的分体式STM。该系统将一段螺纹密封式胶囊腔体通过一根长弹簧悬吊于混合磁体中心，并将STM核心镜体悬吊于胶囊腔体内用以减弱声音振动干扰。经测试，该STM在27.5特斯拉超强磁场下依然保持原子分辨。由于没有真空、低温环境的保护，搭建混合磁体超强磁场、超强振动和声音环境下的室温大气STM难度更大。此前，国际上还未曾报道过水冷磁体或混合磁体中的室温大气STM[6]。混合磁体STM系统：（a）混合磁体照片；（b）混合磁体STM系统简图；（c）STM镜体；（i-iv）分别为0T、21.3T、28.3T、30.1T磁场强度下石墨的原子分辨STM图像。 参考文献：1. Peng, Y., et al., A Quaternary van der Waals Ferromagnetic Semiconductor AgVP2Se6. Advanced Functional Materials, 2020. 30(34): p. 1910036.2. Chen, W., et al., Direct observation of van der Waals stacking-dependent interlayer magnetism. Science, 2019. 366(6468): p. 983-987.3. Shi, H., et al., Large-area, periodic, and tunable intrinsic pseudo-magnetic fields in low-angle twisted bilayer graphene. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 371.4. Wang, L., et al., Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures. Nat Mater, 2018. 17(12): p. 1087-1094.5. Ge, Y., et al., Uniaxial negative thermal expansion and band renormalization in monolayer Td?MoTe2 at low temperature. Physical Review B, 2020. 101(10).6. Meng, W., et al., 30 T scanning tunnelling microscope in a hybrid magnet with essentially non-metallic design. Ultramicroscopy, 2020. 212: p. 112975.

Cinogy光束质量分析仪—角度响应校准：应用于大角度发散角的激光光束测量1.1 应用范围有不同种类的应用需要考虑角度响应。这些应用大多使用(非常)发散的光束。在这种情况下，我们在一幅图像中有连续的入射角范围。照相机的灵敏度取决于激光束的入射角，这是由过滤器和传感器造成的。1.2 角度线性原因1.3过滤器这里，我们将只考虑吸收滤波器。如果光束没有垂直入射到滤光器上，则通过滤光器的路径较长。较长的路径导致较强的吸收，因此相机(滤光片和传感器)的响应较低。与过滤器相关的效果是各向同性的。但是，如果滤光器相对于传感器倾斜(取决于相机型号)，则会在滤光器倾斜的方向上产生各向异性。入射角αin的线性透射可以用数学方法描述，如果透射指数为垂直光束T0和折射率n已知。因为对吸收性滤光片来说，T0与波长有很大的线性关系，与入射角度有关的相对透射率Trel也与波长密切相关。1.4 传感器角度响应取决于传感器技术、传感器类型、波长和微透镜。通常它不是各向同性的。图1:KAI-16070对单色光(未知波长)的角度线性灵敏度。参考:KAI-16070的 数据表图2 CMX4000白光的角度线性灵敏度如这些示例所示，对于不同类型的传感器，角度响应可能完全不同。因为这种效应还 取决于波长和单个传感器(每个传感器表现出稍微不同的行为)，取决于波长的校准是必要的。两个传感器都显示出各向异性。为了考虑校准中的各向异性，需要比仅在x和y方向上更复杂的测量。2 涂层通过一种特殊的涂层，我们可以消除(主要是抑制)传感器本身的角度产生。剩余的影响角度的灵敏度是由滤波器引起的。这产生了以下主要优点:1）剩余的角度响应是各向同性的，这意味着它不再取决于入射角的方位角。2）剩下的角度响应的校正系数更小，因此更不容易出错。下面的图表显示了CinCam cmos Nano 1.001在940nm下的两个角度响应测量值，前面有CMV4000传感器和OD8吸收滤光片。第1张图表中的摄像机采用默认设置，没有特殊涂层。图3:CMV 4000传感器在x(蓝色)和y(橙色)方向的角度响应，前面有OD8吸收滤光片，在940nm处测量。上半部分显示相对角度响应，下半部分显示测量点和蕞佳拟合曲线之间的相对偏差。第二张图中的相机是用特殊涂层制作的。图4:CMV 4000传感器在x(蓝色)和y(橙色)方向的角度响应，该传感器具有特殊涂层，前面有OD8吸收滤光片，在940纳米处测量。上半部分显示相对角度响应，下半部分显示测量点和蕞佳拟合曲线之间的相对偏差。这里，角度响应是各向同性的、平滑的，对于大角度，下降效应不太明显。CinCam CMOS Nano Plus-X针对传感器和外壳正面之间的极短距离进行了优化。这使得入射角度高达65°时的角度响应测量成为可能。3 角度响应的拟合函数拟合函数是Zernike2多项式，其中入射角的正弦用于半径。这些多项式为入射角的任意方向提供了x和y方向的简单插值。用这种方法，我们可以用少量的系数描述高达±60度的测量结果。4 均匀性由于生产原因，涂层并不在任何地方都具有完全相同的厚度。这导致照相机灵敏度的不均匀性增加。这个缺点通过进一步的均匀性校准来补偿。图5:940纳米无涂层传感器(紫色)和均匀性校准后(绿色)的相对灵敏度。5 精度整体精度取决于以下几点:1）拟合精度。2）角度响应的各向同性。3）垂直光束位置(x，y)的精度。4）顶点到传感器的光学距离的精度(z)。5）蕞大角度下的角度响应下降。通过特殊的涂层，我们可以提高拟合精度和角响应的各向同性。此外，大角度灵敏度的相对下降要弱得多。6 RayCi中的校正要求为了根据角度响应校正图像数据，必须满足以下要求：1）角度响应校准数据必须可用于每个波长。该数据由蕞佳拟合的Zernike多项式系数组成。2）为了生成从每个像素到相应入射角的映射，必须知道光束垂直的x和y传感器位置。3）需要传感器和激光焦点位置之间的光学距离。4）CINOGY Technologies提供外壳和传感器之间的光学距离作为额外的校准数据。5）外壳和焦点之间的距离必须由用户提供。6）软件版本必须是RayCi 2.5.7或更高版本。 昊量光电提供的德国Cinogy公司生产的大口径光束分析仪，相机采用CMOS传感器，其中大口径的CMOS相机可达30mm，像素达到惊人的19Mpixel。是各种大光斑激光器、线形激光器光束、发散角较大的远场激光测量的必不可少的工具。此外CinCam大口径光束分析仪通用的C/F-Mount 接口设计，使外加衰减片、扩束镜、紫外转换装置、红外转换装置更为方便。超过24mm通光孔径的大口径光束分析仪CinCam CMOS-3501和CinCam CMOS-3502更是标配功能齐全的RayCi-Standard/Pro分析软件，该软件可用于光束实时监测 、测量激光光斑尺寸 、质心位置、椭圆度、相对功率测量（归一化数据）、二维/三维能量分布（光强分布） 、光束指向稳定性（质心抖动） 、功率稳定性 （绘制功率波动曲线）、发散角测量等 ，支持测量数据导出 ，测试报告PDF格式文档导出等。主要特点： 1、芯片尺寸大，可达36mm 2、精度高，单像元尺寸可达4.6um 3、支持C/C++, C#, Labview, Java语言等多种语言二次开发主要技术指标：RT option: CMOS/ccd-xxx-RT：响应波长范围：320~1150nmUV option:CMOS/CCD-xxx-UV：响应波长范围：150nm~1150nmCMOS/CCD-xxx-OM：响应波长范围：240nm~1150nmIR option:CMOS-xxx-IR：响应波长范围：400~1150nm + 1470nm~1605nm 关于昊量光电昊量光电 您的光电超市！上海昊量光电设备有限公司致力于引进国外先进性与创新性的光电技术与可靠产品！与来自美国、欧洲、日本等众多知名光电产品制造商建立了紧密的合作关系。代理品牌均处于相关领域的发展前沿，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，所涉足的领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及前沿的细分市场比如为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等。我们的技术支持团队可以为国内前沿科研与工业领域提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务，助力中国智造与中国创造! 为客户提供适合的产品和提供完善的服务是我们始终秉承的理念！

以石墨烯、BN、MoS2为代表的二维材料因其特殊的性能成为现在科研领域的新宠。现在，除了石墨烯和MoS2等热度较高的二维材料之外，很多其他类型的二维材料也相继被开发出来。然而真正的二维材料因为厚度极薄，在扫描电镜下衬度较低；而且因为X射线在深度方向的穿透，EDS对二维材料上的分析也无能为力。而目前的二维材料除了用到SEM之外，拉曼光谱也是极其重要的表征手段，而将两者完全一体化的电镜-拉曼系统在二维材料的表征上有着得天独厚的优势。生长的石墨烯片层很多科研工作者都会通过扫描电镜进行石墨烯的形貌观察，然而观察到的究竟是否是石墨烯？石墨烯质量、厚度如何？这些问题却不是仅用SEM能够知道的。而扫描电镜-拉曼联用技术给出了很好的解决方案，确实成为石墨烯研究最强大的“神器”。在电镜-拉曼一体化系统中，当用SEM观察的同时可以直接进行拉曼光谱的面扫描，可以通过D峰、G峰、2D峰之间的关系直接得到石墨烯的质量、厚度等信息。如下图，在SEM观察到的区域再进行拉曼光谱面扫描，发现扫描区域存在三种不同的光谱。厚度约薄的2D峰强度越高，厚度增加2D峰减弱但G峰升高。因此电镜-拉曼一体化系统的SEM和Raman混合图像上不仅有形貌信息，也有石墨烯的质量厚度信息。在SEM观察形貌的同时进行拉曼面扫描通过拉曼特征峰获得石墨烯质量、厚度信息 目前，有关石墨烯质量和厚度的测试方法还没有明确的国家标准，行业上比较认可的方法有光学对比度法、原子力显微镜法和拉曼光谱法。在拉曼光谱中通常也用G峰和2D峰的比值来衡量石墨烯的厚度，比值越小，膜厚也约小。如下图，在硅衬底上用CVD法生长的石墨烯。我们通过电镜-拉曼一体化系统得到G峰和2D峰的面分布图，不过仅有G峰和2D峰的分布情况并不能完全帮助我们进行明确的厚度分布分析。在硅衬底上用CVD法生长的石墨烯石墨烯样品的G峰和2D峰拉曼面分布图而电镜-拉曼一体化系统的面分布能力非常强大，除了利用正常峰的强度、半高宽、位移等物理性质进行Mapping外，还可生成2D峰/G峰强度的面分布图。 通过电镜-拉曼一体化系统得到石墨烯样品的2D峰/G峰强度的面分布图通过2D/G峰强度的分布图有助于我们更加准确的进行石墨烯厚度分布的分析，最终获得不同膜厚区域的特征光谱，以及其分布图。石墨烯样品不同膜厚区域的拉曼特征光谱 石墨烯样品不同膜厚区域分布图石墨烯的质量控制与鉴别石墨烯是一个非常热门的新兴领域，不过也正因为如此，石墨烯的研究和制备也存在着良莠不齐的现象。很多研究的时候，在电镜下观察到明显的明暗衬度的膜层就认为是石墨烯，甚至一些文献中也出现了这样的情况。科研工作者也会借助AFM、普通拉曼光谱等来配合电镜进行石墨烯的表征，但是拉曼光谱、AFM的数据和SEM的数据基本不在同一处，不能很好的进行严密的论证。所以从表征的角度来看，不在同一处的不同仪器的数据，有时并不能充分说明问题，至少表征还不够严密。比如在上述例子中，在花状的石墨烯外面，电镜图像上认为的空白处，经过电镜-拉曼一体化系统扫描后，该区域的拉曼光谱依然反应出石墨烯的存在。 再比如下图，在电镜中观察到类似石墨烯的膜层状结构，然而试样是否真是石墨烯？质量、厚度又是如何？这还需要借助其他手段进行综合判断。在电镜中观察到类似石墨烯的膜层状结构 在利用电镜-拉曼一体化系统对该区域进行拉曼光谱面分布分析后，发现该区域的D峰、G峰强度较高，而2D峰很弱，说明了该区域的膜厚比较高，已经算不上是石墨烯，而且缺陷也很多，石墨烯的质量并不是非常理想，此外该区域还存在较多的拥有荧光峰的杂质。进行拉曼光谱面分布分析该区域石墨烯厚度 该区域存在较多拥有荧光峰的杂质 此外，很多客户在电镜下观察到的石墨烯，经过电镜-拉曼一体化系统分析后，也发现均是质量不好的石墨烯，或者是石墨薄片，甚至是非晶碳，如下图。质量不好的石墨烯、石墨薄片、非晶碳等的SEM图像质量不好的石墨烯、石墨薄片、非晶碳等的拉曼特征峰表现 由此可见，电镜-拉曼联用技术对于石墨烯的观察和原位的质量鉴别及分析有着非常强大的优势。石墨烯复合材料现在热门的不仅仅是石墨烯本身，很多石墨烯转移材料，或者把石墨烯作为添加剂的新材料和器件也成为研究热门，希望利用石墨烯特殊的热力光电磁性能来改变材料的性能。那么石墨烯在新复合材料中的分布、状态及本身质量就成为新材料性能能否提升及提升多少的重要因素。因此在石墨烯复合材料中，能够准确的进行传统电镜形貌、元素的测试，及石墨烯的详细表征就成为了表征环节的重中之重，而这是电镜-拉曼联用技术的最大优势所在。 如下图，金属合金材料中复合石墨烯，用以增强新材料的力学性能。在电镜下确实观察到了衬度偏暗的区域，能谱分析出的确是富含碳。但该区域是否真是石墨烯？只能求助于电镜-拉曼联用技术。通过电镜-拉曼一体化系统分析，结果表明偏暗区域的确是石墨烯的存在，不过缺陷相对较多，膜层层数也较多，这些信息对复合材料性能的研究有着置换重要的作用。 金属合金材料的SEM图像，衬度偏暗的区域可能是复合石墨烯通过能谱分析，SEM图像中衬度偏暗的区域富含碳 通过电镜-拉曼分析技术，确认为石墨烯，且该区域缺陷和膜层层数相对较多 再比如下图，试样为表面包覆石墨烯的锌粉。要想通过截面制备或者侧面直接观察出石墨烯的厚度和层数，无论扫描电镜的分辨率有多好，都是不可能完成的任务。就算真的观察到类似层状的结构，也不是我们所理解的石墨烯每一层层数，只是很多层堆叠在一起后的分层而已。而在电镜-拉曼一体化系统中可以直接进行拉曼面扫的分析。观察到在整个扫描区域内，都有明显的G峰和2D峰分布。由此我们可以知道该锌粉外层的确有质量较好的石墨烯包覆，而且层数很少。 表面包覆石墨烯的锌粉 通过电镜-拉曼一体化系统，观察到整个区域内G峰和2D峰的分布MoS2的研究除了石墨烯外，过渡金属二硫化物也是二维材料的一个大类，如MoS2也是因为其特殊性能在电子器件领域广受关注。电镜和能谱对二维的MoS2的表征除了稍有形貌信息外，再无其他分析能力了。但是MoS2却有非常强的拉曼特征峰。如下图，通过拉曼峰我们可以分析出MoS2的孪晶。MoS2的SEM图像MoS2 的SEM-Raman叠加图像通过拉曼特征峰表征MoS2的孪晶通过对MoS2的拉曼面扫描，我们发现MoS2的特征峰在不同的区域呈现出不同的分裂。由此我们可以对其做出更详细的分析，另外通过特征峰分裂后的波数差值，也可以大致得到MoS2的层数。而这都是常规电镜无法得出的信息。MoS2的拉曼面扫描分析MoS2的特征峰在不同的区域呈现出不同的分裂其他二维材料满足结构有序、在二维平面生长、在第三维度超薄这三个条件都算是二维材料，现在除了石墨烯和MoS2等热度较高的二维材料之外，很多其他类型的二维材料也相继被开发出来。比如和C元素相邻的B、Si、P、Ge、Sn等元素的单原子层材料，即X烯，如硅烯、磷烯、硼烯；还有二维有机材料，如二维MOF或COF；还有超薄氮化物，如BN等。这些二维材料都有着很强的拉曼特征谱峰，所以利用电镜-拉曼一体化系统对二维材料的分析表征将会成为不可或缺的重要手段。关于TESCANTESCAN发源于全球最大的电镜制造基地-捷克Brno，是电子显微镜及聚焦离子束系统领域全球知名的跨国公司，有超过60年的电子显微镜研发和制造历史，是扫描电子显微镜与拉曼光谱仪联用技术、聚焦离子束与飞行时间质谱仪联用技术以及氙等离子聚焦离子束技术的开拓者，也是行业领域的技术领导者。关注TESCAN新微信“TESCAN公司”，更多精彩资讯

微型化变压扫描电子显微镜(MVP-SEM)是由NASA资助的项目，同时希望它能用于国际空间站和月球上　　据国外媒体报道，探索火星的一个最重要的目标就是从火星表面带回样本，尤其是那些可以用来检测火星上是否有生命的样本。这样的任务往往耗资巨大，而且在样本送返地球的时候可能被污染。因此，一个选择是在送返地球之前，就地对样本进行分析。火星科学实验室与其他火星车已经在火星上利用大量设备对多种样本的化学成分进行评估分析。然而，只有少数技术能够确定火星上是否存在生命。在地球上，科学家们用来检测生命或生物材料的设备是大气扫描电子显微镜(ASEM)或环境扫描电子显微镜(ESEM)。　　ESEM能够显示出比10纳米还小的物体，并且能够辨别样本的组成成分。最近，一个科研团队试图将ESEM微型化，使其能够适用于火星上的就地检测任务。微型化变压扫描电子显微镜(MVP-SEM)是由NASA资助的项目，同时希望它能用于国际空间站和月球上。下一个目标是制造一个类似ESEM的设备，帮助科学家们研究火星地质，寻找火星表面的微生物。该项目首席调查员Jessica Gaskin表示，若火星车或着陆器具有了这项功能，我们不仅能选择更好的样本送回地球，更重要的是，还能拍摄高清图像，在火星上就地研究，不需要冒着被污染的危险送回地球研究。　　各种各样的扫描电子显微镜在诸多领域都有所使用。NASA资助研究的这款设备将用来研究地质材料，保持材料的完整性。因为整个过程并不会损坏样本，事后还能用其他设备进行研究，这样能对样本有更全面的认知了解。这个设备将具有高清成像功能，能量色散谱仪(EDS)，或者是化学探测器，用以判定化学成分。这些扫描电子显微镜能够分析多种物质，并且不需要做准备工作，这大大简化了工作过程。　　Gaskin表示，这项技术的关键部分就是将使用火星的大气作为成像大气。这样我们能观测到火星环境中最原始的样本。天体生物学界饱受诟病的一点就是总是寻找能够在水中大量繁衍的碳基生命。而扩大搜索范围的策略则是在某个区域内寻找某种无法用物理学或化学简单解释的失调现象。例如，如果在某个特定环境中发现了大量硅，那里便可能存在生命。光谱仪能够探测出环境中的失调现象。　　MVP-SEM项目科学家Jennifer Edmunson表示，该设备还能拍摄高清图像，用以判别生命信号。例如，寻找微生物中的蛋白质，比如能在沸水中大量存在的耐超高温热棒菌。设备研发的一个目的就是希望它能够区别相似的化合物，例如草酸钙和碳酸钙。地球上能够在极端环境中生存的微生物有时会作为能在火星冰冷、盐度高的水中生存的微生物的理论模型。而且，如果某种生命形式暴露在样本表面，我们的设备就能拍摄下来，以供日后研究。　　MVP-SEM将使用二次电子探测器来研究微小的表面特征，以及背散射电子探测器来检测样本本质和成分。EDS探测器也将用来研究样本的化学成分。目前，研究团队正在确定最佳探测条件，在此之后，研究出的原型将在喷气推进实验室中模拟火星环境的实验室中进行测试。太阳系观测进展(PICASSO)项目结束后，该图案度低计划通过NASA太阳系探索仪器成熟计划(MatISSE)继续改进设备。

这里是TESCAN电镜学堂第五期，将继续为大家连载《扫描电子显微镜及微区分析技术》(本书简介请至文末查看)，帮助广大电镜工作者深入了解电镜相关技术的原理、结构以及最新发展状况，将电镜在材料研究中发挥出更加优秀的性能！第二节 探测器系统扫描电镜除了需要高质量的电子束，还需要高质量的探测器。上一章中已经详细讲述了各种信号和衬度的关系，所以电镜需要各种信号收集和处理系统，用于区分和采集二次电子和背散射电子，并将SE、BSE产额信号进行放大和调制，转变为直观的图像。不同厂商以及不同型号的电镜在收集SE、BSE的探测器上都有各自独特的技术，不过旁置式电子探测器和极靴下背散射电子检测器却较为普遍，获得了广泛的应用。§1. 旁置式电子探测器（ETD）① ETD的结构和原理旁置式电子探测器几乎是任意扫描电镜（部分台式电镜除外）都具备的探测器，不过其名称叫法很多，有的称为二次电子探测器（SE）、有的称为下位式探测器（SEL）等。虽然名称不同，但其工作原理几乎完全一致。这里我们将其统一称为Everhart Thornley电子探测器，简称为ETD。二次电子能量较小，很容易受到其它电场的影响而产生偏转，利用二次电子的这个特性可以对它进行区分和收集，如图3-25。在探测器的前端有一个金属网（称为法拉第笼），当它加上电压之前，SE向四周散射，只有朝向探测器方向的少部分SE会被接收到；当金属纱网加上+250V～350V的电压时，各个方向散射的二次电子都受到电场的吸引而改变原来的轨迹，这样大部分的二次电子都能被探测器所接收。图3-25 ETD的外貌旁置式电子探测器主要由闪烁体、光电管、光电倍增管和放大器组成，实物图如图3-26，结构图如图3-27。从试样出来的电子，受到电场的吸引而打到闪烁体上（表面通常有10kV的高压）产生光子，光子再通过光导管传送到光电倍增管上，光电倍增管再将信号送至放大器，放大成为有足够功率的输出信号，而后可直接调制阴极射线管的电位，这样便获得了一幅图像。图3-26 旁置式电子探测器的工作原理图3-27 Everhart-Thornley电子探测器的结构图一般电镜的ETD探测器的闪烁体部分都使用磷屏，成本相对较低，不过其缺点是在长时间使用后，磷材质会逐步老化，导致电镜ETD的图像信噪比越来越弱，对于操作者来说非常疲劳，所以发生了信噪比严重下降的时候需要更换闪烁体。而TESCAN全系所有电镜的ETD探测器的闪烁体都采用了钇铝石榴石（YAG）晶体作为基材，相比磷材质来说具有信噪比高、响应速度快、无限使用寿命、性能不衰减等特点。② 阴影效应ETD由于在极靴的一侧，而非全部环形对称，这样的几何位置也决定了其成像有一些特点，比如会产生较强的阴影效应。ETD通过加电场来改变SE的轨迹，而当样品表面凹凸较大，背向探测器的“阴面”所产生的二次电子的轨迹不足以绕过试样而最终被试样所吸收。在这些区域，探测器采集不到电子信号，而最终在图像上呈现更暗的灰度。而在朝向探测器的阳面，产生的信号没有任何遮挡，呈现出更亮灰度，这就是阴影效应。如图3-28，A和B区域倾斜度相同，按照倾斜角和产额的理论两者的二次电子产额相同。但是A区域的电子可被探测器无遮挡接收，而B区域则有一部分电子要被试样隆起的部分吸收掉，从而造成ETD实际收集到的电子产额不同，显示在图像上明暗不同。图3-28 ETD的阴影效应阴影效应既是优点也是缺点，阴影效应给图像形成了强烈的立体感，但有时也会使得我们对一些衬度和形貌难以做出准确的判断。如图3-29，左右两者图仅仅是图像旋转了180度，但试样表面究竟是球形凸起还是凹坑，一时难以判断，可能会给人视觉上的错觉。图3-29 球状突起物还是球状凹坑不过遇到这样的视觉错觉也并非无计可施，我们可以利用阴影效应对图像的形貌做出准确的判断。首先将图像旋转至特定的几何方向，将ETD作为图像的“北”方向，电子束从左往右进行扫描。如果形貌表面是凸起，电子束从上扫到下，先是经过阳面然后经过阴面，表现在图像上则应该是特征区域朝上的部分更亮。反之，如果表面是凹坑，则图像上朝上的部分显得更暗。由此，我们可以非常快速而准确的知道样品表面实际的起伏情况。（后面还将介绍其它判断起伏的方法）图3-30 利用阴影效应进行形貌的判断③ ETD的衬度在以前很多地方都把ETD称之为SE检测器，这种叫法其实不完全正确。ETD除了能使得SE偏转而接收二次电子，也能接收原来就向探测器方向散射的背散射电子。所以在加上正偏压的情况下，ETD接收到的是SE和BSE的混合电子。据一些报道称，其中BSE约占10-15%左右。如果将ETD的偏压调小，探测器吸引SE的能力变弱，而对BSE几乎没有什么影响。所以可以通过改变ETD的偏压来调节其接收到的SE和BSE的比例。如果将ETD的偏压改为较大的负电压，由于SE的能量小于50eV，受到电场的斥力，不能达到探测器位置，而朝向探测器方向散射的BSE因为能量较高不易受电场影响而被探测器接收，此时ETD接收到的完全是背散射电子信号。如图3-31，铜包铝导线截面试样在ETD偏压不同下的图像，左图主要为SE，呈现更多的形貌衬度；右图全部BSE，呈现更多的成分衬度。图3-31 ETD偏压对衬度的影响所以不能把使用ETD获得的图像等同于SE像，更不能等同于形貌衬度。这也是为什么作者更倾向于用ETD来称呼此探测器，而不把它叫做二次电子探测器。④ ETD的缺点ETD是一种主动式加电场吸引电子的工作方式，它不但能影响二次电子的轨迹，同时也会对入射电子产生影响。在入射电子能量较高时，这种影响较弱，但随着入射电子能量的降低，这种影响越来越大，所以ETD在低电压情况下，图像质量会显著下降。此外，ETD能接收到的信号相对比较杂乱，除了我们希望的SE1外，还接收了到了SE2、SE3和BSE，如图3-32。而后面三种相对来说分辨率都较SE1低很多，尤其SE3，更是无用的背底信号，这也使得ETD的分辨率相对其它镜筒内探测器来说要偏低。图3-32 ETD实际接收的信号§2. 极靴下固体背散射探测器背散射电子能量较高，接近原始电子的能量，所以受其它电场力的作用相对较小，难以像ETD探测器一样通过加电场的方式进行采集。极靴下固体背散射电子探测器是目前通用的、被各厂商广泛采纳的技术。极靴下固体背散射电子探测器一般采用半导体材料，位置放置在极靴下方，中间开一个圆孔，让入射电子束能入射到试样上，如图3-33。原始电子束产生的二次电子和背散射电子虽然都能达到探测器表面，不过由于探测器表面采用半导体材质，半导体具有一定的能隙，能量低的二次电子不足以让半导体的电子产生跃迁而形成电流，所以二次电子对探测器无法产生任何信号。而背散射电子能量高，能够激发半导体电子跃迁而产生电信号，经过放大器和调制器等获得最终的背散射电子图像，如图3-34。图3-33 极靴下背散射电子信号采集示意图图3-34 半导体式固体背散射电子探测器极靴下固体背散射电子探测器属于完全被动式收集，利用半导体的能带隙，将二次电子和背散射电子自然区分开。探测器本身无需加任何电场或磁场，对入射电子束也不会有什么影响，因此这种采集方式得到了广泛运用。有的固体背散射电子探测器被分割成多个象限，通过信号加减运算，可以实现形貌模式、成分模式和阴影模式等，有关这个技术和应用将在后面的章节中进行介绍。极靴下固体背散射电子探测器除了使用半导体材质外，还有使用闪烁体晶体的，比如YAG晶体。闪烁体型的工作原理和半导体式类似，如图3-36。能量低的二次电子达到背散射电子探测器后不会有任何反应，而能量高的背散射电子却能引起闪烁体的发光。产生的光经过光导管后，在经过光电倍增管，信号经过放大和调制后转变为BSE图像。闪烁体相比半导体式的固体背散射电子探测器来说，拥有更好的灵敏度、信噪比和更低的能带宽度，见图3-35。图3-35 不同材质BSE探测器的灵敏度图3-36 YAG晶体式固体背散射电子探测器一般常规半导体二极管材质的灵敏度约为4～6kV，也就说对于加速电压效应5kV时，BSE的能量也小于5kV。此时常规的半导体背散射电子探测器的成像质量就要受到很大的影响，甚至没有信号。后来半导体二极管材质表面进行了一定的处理，将灵敏度提高到1～2kV左右，对低电压的背散射电子成像质量有了很大的提升。而YAG晶体等闪烁体的灵敏度通常在500V～1kV左右。特别是在2015年03月，TESCAN推出了最新的闪烁体背散射电子探测器LE-BSE，更是将灵敏度推向到200V的新高度，可以在200V的超低电压下直接进行BSE成像。因为现在低电压成像越来越受到重视和应用，但是以往只是针对SE图像；而现在BSE图像也实现了超低电压下的高分辨成像，尤其对生命科学有极大的帮助，如图3-37。图3-37 LE-BSE探测器的超低电压成像：1.5kV（左上）、750V（右上）、400V（左下）、200V（右下）§3. 镜筒内探测器前面已经说到ETD因为接收到SE1、SE2、SE3和部分BSE信号，所以分辨率相对较低，为了进一步提高电镜的分辨率，各个厂商都开发了镜筒内电子探测器。由于特殊的几何关系，降低分辨率的SE2、SE3和低角BSE无法进入镜筒内部，只有分辨率高的SE1和高角BSE才能进入镜筒，因此镜筒内的电子探测器相对镜筒外探测器分辨率有了较大的提高。不过各个厂家或者不同型号的镜筒内探测器相对来说不像镜筒外的比较类似，技术差别较大，这里不再进行一一的介绍，这里主要针对TESCAN的电镜进行介绍。TESCAN的MIRA和MAIA场发射电镜都可以配备镜筒内的SE、BSE探测器，如图3-38。图3-38 TESCAN场发射电镜的镜筒内电子探测器值得注意的是InBeam SE和InBeam BSE是两个独立的硬件，这和部分电镜用一个镜筒内探测器来实现SE和BSE模式是截然不同的。InBeam SE探测器设计在物镜的上方斜侧，可以高效的捕捉SE1电子，InBeam BSE探测器设计在镜筒内位置较高的顶端，中心开口让电子束通过，形状为环形探测器，可以高效的捕捉高角BSE。镜筒内的两个探测器都采用了闪烁体材质，具有良好的信噪比和灵敏度，而且各自的位置都根据SE和BSE的能量大小和飞行轨迹，做了最好的优化。而且两个独立的硬件可以实现同时工作、互不干扰，所以TESCAN的场发射电镜可以实现镜筒内探测器SE和BSE的同时采集，而一个探测器两种模式的设计则不能实现SE和BSE的同时扫描，需要转换模式然后分别扫描。§4. 镜筒内探测器和物镜技术的配合镜筒内电子探测器分辨率比镜筒外探测器高不仅仅是由于其只采集SE1和高角BSE电子，往往是镜筒内探测器还配了各家特有的一些技术，尤其是物镜技术。TESCAN和FEI的半磁浸没模式、日立的磁浸没式物镜和E×B技术，蔡司的复合式物镜等，这里我们也不一一进行介绍，主要针对使用相对较多半磁浸没式透镜技术与探测器的配合做简单的介绍。常规无磁场透镜和ETD的配合前面已经做了详细介绍，如图3-39左。几乎所有扫描电镜都有这样的设计。而在半磁浸没式物镜下（如MAIA的Resolution模式），向各个方向散射的二次电子和角度偏高的背散射电子会在磁透镜的洛伦兹力作用下，全部飞向镜筒内。二次电子因为能量低所以焦距短，在物镜附近盘旋上升并快速聚焦，如图3-39中。因此只要在物镜附近上方的侧面放置一个类似ETD的探测器，只需要很小的偏压，就能将已经聚焦到一处的二次电子全部收集起来，同时又不会对原始电子束产生影响。所以镜筒内二次电子探测器与半浸没式物镜融为一体、相辅相成，提升了电镜的分辨率，尤其是低电压下的分辨率。背散射电子因为能量高，焦距较长，相对高角的背散射电子能够聚焦到镜筒内，在物镜附近聚焦后继续向上方发散飞行。此时在这部分背散射电子的必经之路上放置一个环形闪烁体，就可以将高角BSE全部采集，如图3-39右。图3-39 常规无磁场物镜和ETD（左）、半浸没式物镜和镜筒内探测器（中、右）§5. 扫描透射探测器（STEM）当样品很薄的时候，电子束可以穿透样品形成透射电子，因此只要在样品下方放置一个探测器就能接收到透射电子信号。一般STEM探测器有两种，一种是可伸缩式，一种是固定式，如图3-40。固定式的STEM探测器是将样品台与探测器融合在了一起，样品必须为标准的φ3铜网或者制成这样的形状（和TEM要求一样）。图3-40 可伸缩式STEM（左）与固定式STEM（右）STEM探测器和背散射电子探测器类似，一般也采用半导体材质，并分割为好几块，如图3-41。其中一块位于样品的正下方，主要用于接收正透过样品的透射电子，即所谓的明场模式；还有的位于明场探测器的周围，接收经过散射的透射电子，即所谓的暗场模式。有的STEM探测器在暗场外围还有一圈探测器，接收更大散射角的透射电子，即所谓的HAADF模式。不过即使没有HAADF也没关系，只要样品离可伸缩STEM的距离足够近，暗场探测器也能接收到足够大角度散射的透射电子，得到的图像也类似HAADF效果。图3-41 STEM探测器结构§6. 其它探测器除了电子信号探测器外，扫描电镜还可以配备很多其它信号的探测器，比如X射线探测器、荧光探测器、电流探测器等。不过电镜厂家相对来说只专注于电子探测器，而TESCAN相对来说比较全面，除了X射线外，其它信号均有自己的探测器。X射线探测器将在能谱部分中做详细的介绍。① 荧光探测器TESCAN的荧光探测器按照几何位置分为标准型和紧凑型两种，如图3-42。标准型荧光探测器类似极靴下背散射电子探测器，接收信号的立体角度较大，信号更强，不过和极靴下背散射电子探测器会有位置冲突；而紧凑型荧光探测器类似能谱仪，从极靴斜上方插入过来，和背散射探测器可以同时使用，不过接收信号的立体角相对较小。图3-42 标准型（左）和紧凑型（右）荧光探测器如果按照性能来分，荧光探测器又分为单色和彩色两类，如图3-43。单色荧光将接收到的荧光信号经过聚光系统进行放大，不分波长直接调制成图像；彩色荧光信号经过聚光系统后，再经过红绿蓝三原色滤镜后，分别进行放大处理，再利用色彩的三原色叠加原理产生彩色的荧光图像。黑白荧光和彩色荧光和黑白胶片及数码彩色CCD原理极其类似。一般单色型探测器由于不需要滤镜，所以有着比彩色型更好的灵敏度；而彩色型区分波长，有着更丰富的信息。为了结合两者的优势，TESCAN又开发了特有的Rainbow CL探测器。在普通彩色荧光探测器的基础上增加了一个无需滤镜的通道，具有四通道，将单色型和彩色型整合在了一起，兼顾了灵敏度和信息量。图3-43 黑白荧光和彩色荧光探测器阴极荧光因为其极好的检出限，对能谱仪/波谱仪等附件有着很好的补充作用，不过目前扫描电镜中配备了阴极荧光探测器的还不多。图3-44含CRY18（蓝）和YAG-Ce（黄）的阴极荧光（左）与二次电子（右）图像② EBIC探测器EBIC探测器结构很简单，主要由一个可以加载偏压的单元和一个精密的皮安计组成。甚至EBIC可以和纳米机械手进行配合，将纳米机械手像万用表的两极一样，对样品特定的区域进行伏安特性的测试，如图3-45。图3-45 EBIC探测器与纳米机械手配合检测伏安特性 第三节、真空系统和样品室内（台）电子束很容易被散射，所以SEM电镜必须保证从电子束产生到聚焦到入射到试样表面，再到产生的SE、BSE被接收检测，整个过程必须是在高真空下进行。真空系统就是要保证电子枪、聚光镜镜筒、样品室等各个部位有较高的真空度。高真空度能减少电子的能量损失，提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污染。钨灯丝扫描电镜的电子源真空度一般优于10-4Pa，通常使用机械泵—涡轮分子泵，不过一些较早型号的电镜还采用油扩散泵。场发射扫描电镜电子源要求的真空度更高，一般热场发射为10-7Pa，冷场发射为10-8Pa。场发射SEM的真空系统主要由两个离子泵（部分冷场有三个离子泵）、扩散泵或者涡轮分子泵、机械泵组成。而对于样品室的真空度，钨灯丝和欧美系热场的要求将对较低，一般优于2×10-2Pa即可开启电子枪，所以换样抽真空的时间比较短；而日系热场电镜或者冷场电镜则要达到更高的真空度，如9×10-4Pa才能开启电子枪。为了保证换样时间，日系电镜一般都需要额外的交换室，在换样的时候，利用交换室进行，不破坏样品室的真空。而欧美系电镜普遍采用抽屉式大开门的样品室设计。两种设计各有利弊，抽屉式设计一般样品室较大，可以放置更大更多的样品，效率高。或者对于有些特殊的原位观察要求，大开门设计才可能放进各种体积较大的功能样品台，如加热台、拉伸台；交换室相对来说更有利于保护样品室的洁净度，减少污染。不过大开门式设计也可以加装交换室，如图3-46，达到相同的效果，自由度更高。图3-46 大开门试样品室加装手动（左）和自动（右）交换室而且一些采用了低真空（LV-SEM）和环境扫描（ESEM）技术的扫描电镜的样品室真空可分别达到几百帕和接近三千帕。具备低真空技术的电镜相对来说真空系统更为复杂，一般也都会具备高低真空两个模式。在低真空模式下一般需要在极靴下插入压差光阑，以保证样品室处于低真空而镜筒处于高真空的状态下。不过加入了压差光阑后，会使得电镜的视场范围大幅度减小，这对看清样品全貌以及寻找样品起到了负面作用。样品室越大，电镜的接口数量也越多，电镜的可扩展性越强，不过抽放真空的时间会相对延长。TESCAN电镜的样品室都是采用一体化切割而成，没有任何焊缝，稳定性更好；而一般相对低廉的工艺则是采用模具铸造。电镜的样品台一般有机械式和压电式两种，一般有X、Y、Z三个方向的平移、绕Z的旋转R和倾斜t五个维度。当然不同型号的电镜由于定位或者其它原因，五个轴的行程范围有很大区别。一般来说机械马达的样品台稳定性好、承重能力强、但是精度和重复性相对较低；压电陶瓷样品台的精度和重复性都很好，但是承重能力比较弱。样品台一般又有真中央样品台和优中心样品台之分。样品台在进行倾转时都有一个倾转中心，样品台绕该中心进行倾转。如果样品观察的位置恰好处于倾转中心，那么倾转之后电镜的视场不变；但如果样品不在倾转中心，倾转后视场将会发生较大变化。特别是在做FIB切割或者EBSD时，样品需要经过五十几度和七十度左右的大角度倾转，电镜视场变化太大，往往会找不到原来的观察区域。在大角度倾转的情况下如果进行移动的话，此时样品会在高度方向上也发生移动，不注意容易碰撞到极靴或者其它探测器造成故障，这对操作者来说是危险之举。而优中心样品台则不一样，只要将电子束合焦好，电镜会准确的知道观察区域离极靴的距离，在倾转后观察区域偏离后，样品台能自动进行Y方向的平移进行补偿，保持观察的视野不变，如图3-47。图3-47 真中央样品台与优中心样品台【福利时间】每期文章末尾小编都会留1个题目，大家可以在留言区回答问题，小编会在答对的朋友中选出点赞数最高的两位送出本书的印刷版。【本期问题】半导体材质的探测器和YAG晶体材质的探测器哪个更有利于在低加速电压下成像，为什么？（快关注微信回答问题领取奖品吧→）简介《扫描电子显微镜及微区分析技术》是由业内资深的技术专家李威老师（原上海交通大学扫描电镜专家，现任TESCAN技术专家）、焦汇胜博士（英国伯明翰大学材料科学博士，现任TESCAN技术专家）、李香庭教授（电子探针领域专家，兼任全国微束分析标委会委员、上海电镜学会理事）编著，并于2015年由东北师范大学出版社出版发行。本书编者都是非常资深的电镜工作者，在科研领域工作多年，李香庭教授在电子探针领域有几十年的工作经验，对扫描电子显微镜、能谱和波谱分析都有很深

p style="text-indent: 2em text-align: justify "传统的三维半导体材料表面存在大量的悬挂键，可通过捕获和散射等方式影响和限制自由载流子的运动，因此表面态的设计、制造和优化是提高三维半导体器件性能的关键因素。类似于三维半导体材料的表面态，单层二维材料（如二硫化钼和石墨烯）在边界原子的终止和重建可以产生边界态，这使二维材料产生了许多独特的现象，使其得到广泛的应用。 /pp style="text-indent: 2em text-align: justify "针对此现象，微电子所微电子器件与集成技术重点实验室刘明院士和李泠研究员的科研团队与中科院物理所、北京理工大学、美国加州大学洛杉矶分校合作，对单层MoS2/WSe2晶体管进行了器件测试、扫描隧道显微镜实验观测和第一性原理计算，发现二维材料的边界态是控制器件亚阈值特性及影响器件迁移率的关键因素，并在国际上首次提出这种边界态是拉廷格液体的物理本质。该科学发现对于研究器件性能优化和低功耗应用具有一定的意义。 /pp style="text-align: justify text-indent: 2em "该工作以《Possible Luttinger liquid behavior of edge transport in monolayer transition metal dichalcogenide crystals》为题发表在 Nature Communications期刊上（DOI: 10.1038/s41467-020-14383-0）。微电子所博士后杨冠华和物理所邵岩博士为该文章第一作者，微电子所刘明院士、李泠研究员、北京理工大学王业亮教授和美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为共同通讯作者。 /pp style="text-align: justify text-indent: 2em "上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院等相关项目的资助。 /pp style="text-indent: 2em text-align: justify "全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-14383-0#citeas /pp style="text-align: center text-indent: 0em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="http://www.ime.ac.cn/zhxx/ttxw/202009/W020200925583655261172.png"//pp style="text-align: center "strong图a./strong二维材料边界电导比例与温度、栅压关系。strong图b./strong I/T1+α与qV/kBT关系。strong图c. /strongSTS能谱。 /pp style="text-align: center "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/iCSMD2020/" target="_self"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/287a2421-2521-43a6-aa4c-219af657b8e0.jpg" title="半导体材料与器件.jpg" alt="半导体材料与器件.jpg"//a/p

全共线多功能超快光谱仪BIGFOOTMONSTR Sense Technologies是由密歇根大学研究人员成立的科研设备制造公司。该公司致力于研发为半导体研究应用而优化的超快光谱仪和显微镜，突破性的技术可将光学器件和射频电子器件耦合在一起，以稳健的方式测量具有干涉精度的光学信号，真正实现一套设备、一束激光、多种功能。图1. 全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT不仅兼具共振和非共振超快光谱探测，还可以兼容瞬态吸收光谱（Transient absorption (TAS)）、相干拉曼光谱(Coherent Raman Spectroscopy (CRS))、多维相干光谱探测(Multidimensional Coherent Spectroscopy (MDCS))。开创性的全共线光路设计，使其可以与该公司研发的高精度激光扫描显微镜（NESSIE）联用，实现超高分辨超快光谱显微成像。全共线多功能超快光谱仪的开发也充分考虑了用户的使用体验，系统软件可自动调控参数，光路自动对齐、无需校正等特点都使得它简单易用。全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT主要技术参数：高精度激光扫描显微镜NESSIEMONSTR Sense Technologies的高精度激光扫描显微镜NESSIE可用入射激光快速扫描样品，在几秒钟内就能获得高光谱图像。该设备可适配不同高度的样品台和低温光学恒温器，物镜高度最多可变化5英寸，大样品尺寸同样适用。NESSIE显微镜是具有独立功能，可以与几乎任何基于激光测量与高分辨率成像的设备集成在一起，也非常适合与该公司研发的全共线多功能超快光谱仪集成。图2. 高精度激光扫描显微镜NESSIE 高精度激光扫描显微镜-NESSIE的输入信号为单个激光光束，输出信号为样品探测点收集的单个反向传播光束，这样的光路设计确保了反传播信号在扫描图像时不会相对于输入光束漂移，因而非常适用于激光的实验中的成像显微镜系统。图3. 使用NESSIE在室温下测量的GaAs量子阱的图像。a） 用相机测量的白光图像。b） 用调谐到GaAs带隙的80MHz激光器（5mW激光输出）进行激光扫描线性反射率测量。c） 同时测量的激光扫描四波混频图像揭示了影响GaAs层的亚表面缺陷 BIGFOOT+NESSIE应用案例：1. 高精度激光扫描显微镜用于材料表征美国密歇根大学课题组通过使用基于非线性四波混频（FWM）技术的多维相干光谱MDCS测量先进材料的非线性响应，利用激子退相和激子寿命来评估先进材料的质量。课题组使用通过化学气相沉积生长的WSe2单分子层作为一个典型的例子来证明这些功能。研究表明，提取材料参数，如FWM强度、去相时间、激发态寿命和暗/局部态分布，比目前普遍的技术，包括白光显微镜和线性微反射光谱学，可以更准确地评估样品的质量。在室温下实时使用超快非线性成像具有对先进材料和其他材料的快速原位样品表征的潜力。图4. (a)通过拟合时域单指数衰减得到的样本的去相时间图，在图(a)中用三角形标记的选定样本点处的FWM振幅去相曲线【参考】Eric Martin, et al Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022). 2.二维材料中激子相互作用和耦合的成像研究过渡金属二卤代化合物（TMDs）是量子信息科学和相关器件领域非常有潜力的材料。在TMD单分子层中，去相时间和非均匀性是任何量子信息应用的关键参数。在TMD异质结构中，耦合强度和层间激子寿命也是值得关注的参数。通常，TMD材料研究中的许多演示只能在样本上的特定点实现，这对应用的可拓展性提出了挑战。美国密歇根大学课题组使用了多维相干成像光谱（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 简称MDCS），阐明了MoSe2单分子层的基础物理性质——包括去相、不均匀性和应变，并确定了量子信息的应用前景。此外，课题组将同样的技术应用于MoSe2/WSe2异质结构研究。尽管存在显著的应变和电介质环境变化，但相干和非相干耦合和层间激子寿命在整个样品中大多是稳健的。图5. （a）hBN封装的MoSe2/WSe2异质结构的白光图像。（b）MoSe2/WSe2异质结构在图（a）中的标记的三个不同样本点处的低功率低温MDCS光谱。（c）图（b）中所示的四个峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混频积分图。（d）MoSe2/WSe2异质结构上的MoSe2共振能量图。（e）MoSe2/WSe2异质结构的WSe2共振能量图。（f）所有采样点的MoSe2共振能量与WSe2共振能量【参考】Eric Martin, et al Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022) 3. 掺杂MoSe2单层中吸引和排斥极化子的量子动力学研究当可移动的杂质被引入并耦合到费米海时，就形成了被称为费米极化子的新准粒子。费米极化子问题有两个有趣但截然不同的机制： (i)吸引极化子（AP）分支与配对现象有关，跨越从BCS超流到分子的玻色-爱因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），这是斯通纳流动铁磁性的物理基础。二维系统中的费米极化子的研究中，许多关于其性质的问题和争论仍然存在。黄迪教授课题组使用了Monstr Sense公司的全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT研究了掺杂的MoSe2单分子层。课题组发现观测到的AP-RP能量分裂和吸引极化子的量子动力学与极化子理论的预测一致。随着掺杂密度的增加，吸引极化子的量子退相保持不变，表明准粒子稳定，而排斥极化子的退相率几乎呈二次增长。费米极化子的动力学对于理解导致其形成的成对和磁不稳定性至关重要。图6. 单层MoSe2在不同栅极电压下的单量子重相位振幅谱【参考】Di HUANG, et al Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)

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Mirrorcle MEMS扫描镜技术概述（1）高速的点到点以及倾斜性能 大多数的Mirrorcle MEMS Mirror设备类型都是为点对点光束扫描而设计和优化的。稳态模拟驱动电压会产生MEMS镜像的稳态模拟转角。该设备有一个一对一的对应的驱动电压和角度:它是高度可重复的，没有检测到随时间而发生变化。这在很大程度上是由于静电驱动方法和单晶硅材料的选择。镜面运行机构开环驱动的机械倾斜位置精度在每轴上至少14位(16384点)。对于大多数设备，每个轴上的机械倾斜范围为-5°到+5°，这种倾斜分辨率在0.6毫米或10微弧度内。一系列的驱动电压对应点对点扫描的一系列角度。Mirrorcle技术公司(MTI)的设备可以在非常宽的带宽内工作，从直流(它们在恒定电压下保持位置，设备功耗几乎为零)到几千赫兹。这种快速和宽带能力允许几乎任意的波形，如矢量图形，匀速线扫描，点对点步进扫描，目标跟踪等。图1 Mirrorcle专利的无框架两轴扫描驱动器的示例示意图（该驱动器基于四个静电双向旋转器，通过特殊的硅支架连接）多个授予的专利描述了专有的无平衡环设计方法和独特的专有多级光束制造方法，用于从单晶硅单片创建一个完整的驱动器。无框架设计的一个主要优点是能够在两个轴上以相同的速度控制光束或图像。一个具有0.8 mm直径镜的典型装置的倾斜角从-6°到+6°，非谐振光束转向超过1000 rad/s，在两个轴上的第yi谐振频率都在3.6 kHz以上。当开环驱动专用输入整形滤波器时，100 us的大角度阶跃响应稳定时间已经在直径高达0.8 mm的MEMS反射镜设备上得到了证明。多种扫描模式MIRRORCLE设备也可以在动态谐振模式下工作。当工作在谐振频率附近时，器件在较低的工作电压和正弦运动下给出了更多的角度。即MEMS运行机构利用单晶硅弹簧支撑MEMS镜面，并在运行过程中提供恢复力。弹簧和反射镜的惯性结合在一起形成了一个质量-弹簧系统，其质量因数(Q)相对较高，为50-100。因此，在这种模式下，近共振频率处的低驱动电压会导致大的双向旋转角，共振频率在几千赫的范围内。可以定义三种操作模式，如图2中的绿色连续波激光束转向的照片所示:a) 第one种模式为点对点模式或准静态模式。在这种情况下，两个轴都利用设备从直流到某个频率的工作带宽，不允许共振。因此，镜子可以保持直流电的位置匀速移动，或执行矢量图形等。b) 第二种模式为混合模式，其中一轴为准静态模式，另一轴为共振模式。一个典型的用例是快速运行一个轴(例如，几千赫兹)来创建水平线，并运行另一个具有锯齿状波形的轴来创建一个覆盖矩形显示或成像区域的光栅模式。同样，在共振时工作的轴获得其参数，开始时应在低电压和低角度情形下运行，以避免超过设备的蕞大机械角度。c) 第三种模式为共振模式。在这种情况下，两个轴都利用窄的高增益共振来获得大的偏转角和相对低的电压。运动被限制在窄带宽的正弦轨迹中，其相位滞后于外加电压。由于谐振模式可以在蕞高增益点的几个百分点以内获得，因此没有必要在准确的谐振峰值处驱动装置。由此产生的二维运动描述了圆、椭圆和各种高阶李萨如模式，并且可以以某种速率调制。当设计为点对点模式的器件在共振附近或共振处被驱动时，它们可能会超过安全工作角度。因此，在共振附近或共振处进行操作时，电压要明显降低，而且要格外小心。图2.使用Mirrorcle MEMS镜的三种例子（(a)点对点扫描模式(准静态)两轴上激光在每个角度都停下,然后走到下一个角度,(b)共振扫描模式在x轴上(正弦运动光束)和准静态轴,(c)两轴共振扫描模式，为二维共振李萨如模式。所有的图像都是用连续波激光使用同一个Mirrorcle MEMS镜拍摄的）模块化设计MIRRORCLE驱动器有固定的模块化设计方法。每个运行机构都可以使用任意长度的静电转子、任意刚性连杆和任意位置的机械旋转变压器。此外，该装置由较多种镜面直径。无二维框架设计的概念示意图如图1所示。由于这种模块化，设备很容易根据特定的应用程序需求进行定制。根据硅模具的可用面积/尺寸(在一些应用中，如生物医学成像的尺寸受成像设备规格的限制)，可以设计适当尺寸的驱动器，在允许的参数空间内获得蕞大的性能。由于这种设计的灵活性和广泛的应用需要波束转向，具有广泛不同的规格，MIRRORCLE提供多种类型的无框架两轴执行器设计。拥有超过20代主要的设计和制造产品，多个子代的设计调整为特定的客户或一套规格，完整的工作设计清单有超过100种设备类型。这些设备类型中的大多数在研发数量上都是可用的，为我们的客户提供了快速找到应用程序开发的蕞佳参数。设备运行速度与镜片大小的关系由于惯性增加，镜片直径较大的设备速度也相应较慢。圆形镜片的惯量与半径的四次方成正比，因此，随着反射镜尺寸的增加，速度会再次降低。这是一个非常粗略的估计，但许多其他参数影响实际性能，特别是模具尺寸和角度摆动。例如，将直径0.8mm的集成镜片与直径2.0mm的集成镜片进行比较，两者都具有相同的硅模具尺寸，并且都具有非常相似的机械端面/倾斜角(-5°到+5°)。0.8mm器件的第yi共振频率为~6kHz，而2.0mm器件的第yi共振频率为~1.3kHz。图3.两个器件的电压与角度(静态响应)和小信号(频率)响应图（上面为集成0.8mm镜的A7M8.1设备，以下为集成2.0mm镜的A7M20.1设备）蕞优的驱动器尺寸MIRRORCLE已经设计和制造了超过100种不同的设备类型。对关键性能规格有很大影响的一个非常重要的设计参数是驱动器(硅芯片)的尺寸。更大的驱动器可以提供更高的力和扭矩，以更快的速度驱动更大的镜子，但也需要更多的生产成本和更大的包装。小的驱动器适合小尺寸的镜子，因为驱动器本身也有较小的惯性。目前设计分为3种尺寸:1) 4.23mm x 4.23mm 2) 5.20mm x 5.20mm3) 7.25mm x 7.25mm重要的是查看每个特定的设计，以确定与特定应用程序的适配。一般来说，直径等于或大于3mm的镜子，应与尺寸#2或#3一起使用，以获得蕞佳性能，而直径等于或小于2.0mm的镜子应与尺寸#1或#2一起使用。关于昊量光电昊量光电 您的光电超市！昊量光电作为Mirrorcle在中国区的总代理，可给客户提供更全的产品、更低的价格、更短的货期以及优良的服务。上海昊量光电设备有限公司致力于引进国外先进性与创新性的光电技术与可靠产品！与来自美国、欧洲、日本等众多知名光电产品制造商建立了紧密的合作关系。代理品牌均处于相关领域的发展前沿，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，所涉足的领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及前沿的细分市场比如为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等。我们的技术支持团队可以为国内前沿科研与工业领域提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务，助力中国智造与中国创造! 为客户提供适合的产品和提供完善的服务是我们始终秉承的理念！

nature：二维磁性材料的磁结构与相关特性研究关键词：二维铁磁材料；低温纳米精度位移台；反铁磁态；二次谐波 近年来，二维磁性材料在国际上成为备受关注的研究热点。近日，中国与美国的研究团队合作，在二维磁性材料双层三碘化铬中观测到源于层间反铁磁结构的非互易二次谐波非线性光学响应，并揭示了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的关联。同时，研究团队发现双层反铁磁三碘化铬的二次谐波信号相比于过去已知的磁致二次谐波信号（例如氧化铬Cr2O3），在响应系数上有三个以上数量的提升，比常规铁磁界面产生的二次谐波更是高出十个数量。利用这一强烈的二次谐波信号，团队成功揭示双层三碘化铬的原胞层堆叠结构的对称性。图一 双层三碘化铬的二次谐波光学显微图 运用光学二次谐波这一方法来探测二维磁性材料的磁结构与相关特性是此实验的关键。团队利用自主研发搭建的无液氦可变温强磁场显微光学扫描成像系统，完成了关键数据的探测。值得指出的是，该无液氦可变温强磁场显微光学扫描成像系统采用德国attocube公司的低温强磁场纳米精度位移台和低温扫描台来实现样品的位移和扫描。德国attocube公司是上著名的端环境纳米精度位移器制造商。公司已为全科学家生产了4000多套位移系统，用户遍及全球著名的研究所和大学。它生产的位移器设计紧凑，体积小，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和纳米精度扫描器。图二 attocube低温强磁场位移器、扫描器attocube低温位移台技术特点如下：参考文献:Sun, Z., Yi, Y., Song, T. et al. Giant nonreciprocal second-harmonic generation from antiferromagnetic bilayer CrI3. Nature 572, 497–501 (2019). nature：石墨烯摩尔超晶格可调超导特性研究关键词：石墨烯 超晶格 高温超导高温超导性机制是凝聚态物理领域世纪性的课题。这种超导性被认为会在以Hubbard模型描述的掺杂莫特缘体中出现。近期，美国和中国的国际科研团队合作在nature上报道了在ABC-三层石墨烯（TLG）以及六方氮化硼（hBN）摩尔超晶格中发现可调超导性特征。研究人员通过施加垂直位移场，发现ABC-TLG/hBN超晶格在20K的温度下表现出莫特缘态。进一步通过冷却操作发现，在温度低于1K时，该异质结的超导特特性开始出现。通过进一步调控垂直位移场，研究人员还成功实现了超导体-莫特缘体-金属相的转变。 图1.德国attocube公司低温mK纳米旋转台电学输运工作的测量是在进行仔细的信号筛选后，本底温度为40mK的稀释制冷机内进行的。值得指出的是，样品的面内测量需要保证样品方向与磁场方向平行，这必须要求能够在低温（40mK）环境下实现良好且工作的旋转台来移动样品，确保样品与磁场方向平行。实验中使用了德国attocube公司的mK纳米精度旋转台（如图1所示）。Attocube公司可提供水平和竖直方向的旋转台，使样品与单轴线管的超导磁场方向的夹角调整为任意角度。通过电学输运结果，证实了样品中存在超导体-莫特缘体-金属相的转变（结果如图2所示），为三层石墨烯/氮化硼的超晶格超导理论模型（Habbard model）以及与之相关的反常超导性质和新奇电子态的研究提供了模型系统。 图2. ABC-TLG/hBN的超导性图左低温双轴旋转台；图右下：石墨烯/氮化硼异质节的超导性测量测试结果，样品通过attocube的mK适用旋转台旋转后方向与磁场方向平行参考文献：Guorui CHEN et al, Signatures of tunable superconductivity in a trilayer graphene moiré superlattice, Nature, 572, 215-219 (2019) nature：分数量子霍尔效应区的非线性光学研究关键词：量子霍尔效应 四波混频 化激元设计光学光子之间的强相互作用是量子科学的一项重要挑战。来自瑞士苏黎世联邦理工学院（Institute of Quantum Electronics, ETH Zürich, Zürich,）的研究团队在光学腔中嵌入一个二维电子系统的时间分辨四波混频实验，证明当电子初始处于分数量子霍尔态时，化激元间的相互作用会显著增强。此外，激子-电子相互作用导致化子-化激元的生成，还对增强系统非线性光学响应发挥重要作用。该研究有助于促进强相互作用光子系统的实现。值得指出的是，该实验在温度低于100mK的环境下进行，使用德国attocube公司的低温mK环境纳米精度位移台来实现物镜的移动和聚焦。参考文献:Knüppel, P., Ravets, S., Kroner, M. et al. Nonlinear optics in the fractional quantum Hall regime. Nature 572, 91–94 (2019). Science：NV center在加压凝聚态系统中的量子传感研究关键词：NV色心 量子传感器压力引起的影响包括平面内部性质变化与量子力学相转变。由于高压仪器内产生巨大的压力梯度，例如金刚石腔，常用的光谱测量技术受到限制。为了解决这一难题，巴黎十一大学，香港中文大学和加州伯克利大学的研究团队研发了一款新型纳米尺度传感器。研究者把量子自旋缺陷集成到金刚石压腔中来探测端压力和温度下的微小信号，这样空间分辨率不会受到衍射限限制。为此加州伯克利大学团队采用了德国attocube公司的与光学平台高度集成的闭循环低温恒温器- attoDRY800来进行试验，其中包含了attocube公司的低温纳米精度位移台，以此来实现快速并且控制金刚石压强的移动以及测量实验。参考文献：[1] S. Hsieh et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1349-1354 (2019) [2] M. Lesik, et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1359-1362 (2019)[3] K. Yau Yip et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1355-1359 (2019)

*以下应用说明基于 ACS Nano publication, 2021 15, 6, 9482–9494. 出版日期: May 27, 2021. 介绍 在传统的平面硅场效应晶体管（FET）中，当其横向尺寸小于晶体管厚度时，栅极可控性变弱，从而导致不利的短沟道效应，包括漏电流、沟道中载流子迁移率饱和、 沟道热载流子退化和 介质层时变击穿。因此，需要减小晶体管主体厚度以确保有效的栅极静电控制。理论研究表明，由于二维 (2D) 材料的原子厚度和表面懸鍵，特别是二维过渡金属二硫属化物 (TMD) 作为沟道材料的性能优于硅，能够实现原子级尺度，优异的静电门控，降低断电功耗，进一步扩展摩尔定律。[1-6] 表征沉积态二维材料的内在物理和电学特性的适当技术是沉积态二维材料的质量与基于二维材料的电子设备性能之间的关键联系。此联系可以帮助我们更好地了解、控制和改进基于二维材料的设备的性能。然而，在没有任何转移和图案化过程的情况下，在纳米尺度上分析沉积态二维材料的固有电学特性的技术是有限的。 在本应用说明中，扫描探针显微镜 (SPM) 用于研究沉积态二维TMD 的固有电学特性。 导电原子力显微镜 (C-AFM) 无需任何图案化，直接在生长态二维材料表面进行扫描。 C-AFM 能够将生长态二维材料的电导率与其形貌相关联，从而将二维材料的电特性与其物理特性（如层厚度等）联系起来。所有这些，C-AFM为我们提供了沉积态2D材料的全面信息，并帮助我们评估这些固有特性对基于二维材料的纳电子学的影响。实验细节 Park NX-Hivac 在高真空（~10-5Torr）下，用 C-AFM 在 Park NX-Hivac AFM 上使用 Pt/Ir 涂层的硅探针（弹簧常数 k~3N/m，共振频率 f0~75kHz，PPP-EFM）评估蓝宝石上生长态 MoS2和WS2层的固有电学特性。高真空环境有助于减少样品上始终存在的水层。[4,6] 将C-AFM测量的偏压施加到样品卡盘上，并通过线性电流放大器测量产生的电流。收集所有 C-AFM 电流图所施加的偏压均为1 V。在样品的顶部和侧面涂上银漆，以确保电接触。结果与讨论 在 C-AFM 电流图（图 1b）中，同轴切割蓝宝石上沉积的 MoS2 层在整个表面上显示出非均匀导电性，尽管图 1a 中的形貌显示了完全聚结的单层 MoS2 ，其顶部约有~37%的表面晶体（命名为1.3 ML）。通过引入离轴 1º 切割蓝宝石作为衬底，MoS2 层的电导率变得更加均匀， 与它们更均匀的表面结构一致（图 1c 和 d）。 总体而言，离轴 1º 切割蓝宝石上约~83% 的单层 MoS2 具有更高的电导率，而使用同轴上切割蓝宝石仅占 51%。 [7] 电导率较低的区域在图 1b、d 中用粉红色标记，阈值电流约为 ~0.3 μA。 因此，通过引入离轴 1º 切割蓝宝石（图 1b、d 中的 49% 到 17%） 可降低较弱导电区域的密度。图1.（a，c）分别在同轴和离轴1º切割蓝宝石上生长的1.3 ML MoS2的C-AFM形貌图(b、 d）同时与（a，c）一起获得的 C-AFM 电流图。通过电流阈值（~0.3μA），第一单层MoS2中的非均匀和导电性较弱区域以粉红色突出显示。经许可复制图像。[7] Copyright 2021, American Chemical Society.通过跳过蓝宝石晶片的预外延处理过程，该密度可以进一步降低到约~6.5%（图 2a-b）。具有较低电导率的 MoS2 区域的形状不是随机的，而是对应于特定的下层蓝宝石阶地。离轴 1º 切割蓝宝石上具有较低 MoS2 电导率的区域对应于聚集在一起的阶地。在预外延处理和 MOCVD 过程中，台阶会分解和凝聚。台阶（变形）成型主要由预外延处理和 MOCVD 工艺中使用的高温驱动。正如对离轴 1º 切割蓝宝石所预期的那样，随着 Wterrace 变窄，阶梯聚束变得更可能发生。当单层 MoS2 沉积在离轴 1º 切割蓝宝石上而不进行任何预外延处理时，高导电区域的密度从 83%（图 1d）进一步增加到 93.5%（图 2b）。可以观察到成束台阶（具有更高的 Hterrace，图 2a 中的 5.8%）和导电性较弱的区域（图 2b 中的暗区为 6.5%）之间存在明显的相关性。从图 2c 中的地形和电流图提取的横截面轮廓进一步支持了这一观察结果。然而，在图 2b 中没有完全去除导电性较弱的区域。这应该与生长温度（在我们的工作中为 1000 °C）有关，该温度足以在沉积过程中在蓝宝石表面引入阶梯聚束。[8-10]图2. 蓝宝石上生长的MoS2的不均匀导电性. (a-b）C-AFM 形貌图，同时获得离轴1º切割蓝宝石上1.3 ML MoS2 的电流图. (c）（a-b）位置处的相应横截面高度（红色）和电流（蓝色）剖面. (d- e）形貌图，同时获得同轴切割蓝宝石上3.5 ML MoS2的电流图。经参考文献[7]许可，对图像进行了改编。 Copyright 2021, American Chemical Society.关于观察到的 MoS2 电导率分布的不均匀性，我们发现非封闭顶层中 MoS2 晶体的存在不会影响电导率。 事实上，具有较低电导率的 MoS2 区域与 MoS2 层厚度几乎保持不变，因为它们也存在于 3.5 ML MoS2 中（图 2d-e）：形貌和当前图像中黄色虚线区域的比较表明，MoS2 晶体具有非封闭顶层中方向错误的基面不会影响该区域的导电性。 此外，值得注意的是，不同电导区域的存在不仅出现在 MoS2 外延层中，也出现在蓝宝石上生长的 MOCVD WS2 层中，如图 3 所示。图3.（a-b）同轴切割蓝宝石的形貌图和同时获得的1.7 ML WS2电流图。经参考文献[7]许可，对图像进行了改编。 Copyright 2021, American Chemical Society.因此，较低的导电性主要与完全闭合的第一MoS2单层有关，而不是与非闭合的顶层有关。图4a-b显示了两个第二层MoS2晶体，其中一些区域具有较高的导电性，而另一些区域具有较低的导电性，从而进一步支持了这一点。图4.（a-b）在同轴切割蓝宝石上生长的1.3 ML MoS2上第2-3层MoS2岛的导电性。(a）在同轴切割蓝宝石上生长的MoS2的形貌及其相应的（b）电流图。白色的晶体轮廓显示部分区域具有较高的导电性，部分区域具有较低的导电性，表明表面晶体对蓝宝石上MoS2的不均匀导电性贡献不大。(c-f）轴切割蓝宝石上生长的1.3 ML MoS2的降解。(c-d）MOCVD生长后立即收集的1.3 ML MoS2的1 V下的形貌图及其相应的电流图。(e-f）在氮气柜中储存6个月后，同一样品在1 V下的形貌图和电流图。在（c）中没有氧化区，但在（e）中MoS2被部分氧化，这总是与（f）中的较弱导电区相关。经参考文献[7]许可，对图像进行了改编。 Copyright 2021, American Chemical Society.结果表明，蓝宝石起始表面的状态是决定第一层MoS2单层物理和电学性能的关键参数之一。结论通过 C-AFM 评估二维 TMD的固有电学特性，并将其与样品形貌联系起来。我们在沉积的二维 TMD 单层中发现了非均匀导电性，这可能源于：（i）TMD 层厚度变化导致的TMD 表面粗糙度； (ii）蓝宝石表面形貌引起的 TMD 应变；(iii）由于每个蓝宝石阶地的 TMD 形核率的依赖性，TMD 晶粒内缺陷率；（iv）蓝宝石表面结构和终端引起的 TMD 界面缺陷，可能导致不同的局部掺杂效应。进一步的研究正在进行中，将 C-AFM 与先进的光谱技术（如拉曼、PL和TOFSIM）相结合，以进一步探索外延二维材料的固有特性。参考文献 (1) Liu, Y. Duan, X. Shin H.-J. Park, S. Huang, Y. Duan, X. Promises and Prospects of Two-Dimensional Transistors. Nature 2021, 591, 43–53.(2) Su, S.-K. Chuu, C.-P. Li, M.-Y. Cheng, C.-C. Wong, H.-S. P. Li, L.-J. Layered Semiconducting 2D Materials for Future Transistor Applications. Small Struct. 2021, 2, 2000103.(3) Akinwande, D. Huyghebaert, C. Wang, C.-H. Serna, M. I. Goossens, S. Li, L.-J. Wong, H.-S. P. Koppens, F. H. L. Graphene and Two-Dimensional Materials for Silicon Technology. Nature 2019, 573, 507–518.(4) Agarwal, T. Szabo, A. Bardon, M. G. Soree, B. Radu, I. Raghavan, P. Luisier, M. Dehaene, W. Heyns, M. Benchmarking of Monolithic 3D Integrated MX2 FETs with Si FinFETs. In 2017IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 2017 p 5.7.1–5.7.4.(5) Smets, Q. Arutchelvan, G. Jussot, J. Verreck, D. Asselberghs, I. Nalin Mehta, A. Gaur, A. Lin, D. Kazzi, S. E. Groven, B. Caymax, M. Radu, I. Ultra-Scaled MOCVD MoS2 MOSFETs with42nm Contact Pitch and 250μA/Mm Drain Current. In 2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 2019 p 23.2.1–23.2.4.(6) Smets, Q. Verreck, D. Shi, Y. Arutchelvan, G. Groven, B. Wu, X. Sutar, S. Banerjee, S. Nalin Mehta, A. Lin, D. Asselberghs, I. Radu, I. Sources of variability in scaled MoS2 FETs. In 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 2020 p 3.1.1–3.1.4.(7) Shi, Y. Groven, B. Serron, J. Wu, X. Nalin Mehta, A. Minj, A. Sergeant, S. Han, H. Asselberghs, I. Lin, D. Brems, S. Huyghebaert, C. Morin, P. Radu, I. Caymax, M. Engineering Wafer-Scale Epitaxial Two-Dimensional Materials through Sapphire Template Screening for Advanced High- Performance Nanoelectronics. ACS Nano 2020, DOI: 10.1021/ acsnano.0c07761.(8) Cuccureddu, F. Murphy, S. Shvets, I. V. Porcu, M. Zandbergen, H. W. Sidorov, N. S. Bozhko, S. I. Surface Morphology of C-Plane Sapphire (α-Alumina) Produced by High Temperature Anneal. Surf. Sci. 2010, 604, 12941299.(9) Curiotto, S. Chatain, D. Surface Morphology and Composition of C-, a- and m-Sapphire Surfaces in O2 and H2 Environments. Surf. Sci. 2009, 603, 2688–2697.(10) Ribič, P. R. Bratina, G. Behavior of the (0001) Surface of Sapphire upon High-Temperature Annealing. Surf. Sci. 2007, 601, 44–49.想要了解更多内容，请关注微信公众号：Park原子力显微镜，或拨打400-878-6829联系我们Park北京分公司 北京市海淀区彩和坊路8号天创科技大厦518室 Park上海实验室 上海市申长路518号虹桥绿谷C座305号 Park广州实验室 广州市天河区五山路200号天河北文创苑B座211

近日，重庆大学发布公开招标公告，预算900万元采购1套MicroCT（X射线微型计算机断层扫描系统），允许进口产品。招标项目详情如下：项目编号：CQU-SS-HW-2024-048项目名称：重庆大学MicroCT（X射线微型计算机断层扫描系统）采购预算金额：900.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：900.000000 万元（人民币）采购需求：购置MicroCT（X射线微型计算机断层扫描系统）1套技术要求：1.分辨率※1.1空间分辨率（spatial resolution）≤500nm，最小可实现的体素(voxel) ≤40nm；▲1.2在原位加载情况下可实现体素分辨率(voxel size)≤1.5μm的清晰扫描三维成像，原位加载装置的直径不小于145mm（投标时需提供实际样品的测试结果）；▲1.3 设备须配备闪烁体和光学物镜耦合技术，系统必须采用几何+光学两级放大的架构，以满足采购人对大样品进行局部高分辨率的成像需求。2.X射线源▲2.1封闭式透射型X射线源，最高工作电压≥160kV，最大功率≥10W；2.2封闭式射线源可以移动，移动范围（X射线方向）≥190mm；2.3配备手动X射线滤片转换支架，并包含12个以上滤光片；2.4 X射线源关闭12小时以上重新激活时间小于5分钟；2.5可进行长时间扫描，单次稳定扫描时间需≥24小时。3.探测器※3.1同时具备以下两种探测器：CCD探测器（像素数量≥2048×2048，像素尺寸≤15μm）和光电耦合物镜探测器（4个倍率的物镜探测器中必须包含0.4x，4x，20x和40x的物镜）；3.2物镜探测器可以移动，探测器系统移动范围≥280mm；▲3.3需要在0.4x物镜下能实现宽视场模式实现≥2048×2048像素成像和三维重构，增大横向断层扫描体积；▲3.4 0.4x物镜的三维视野:≥50mm。4.样品台4.1全电动控制4轴样品台；4.2 X轴运动范围：≥50mm；Y轴运动范围：≥100mm；Z轴运动范围：≥50mm；R轴：n×360°；4.3最大可测样品重量≥25kg；4.4最大可测样品直径≥300mm（X射线能穿透的情况下）。5.X射线防护系统※5.1为最大程度上防护，安全屏蔽室采用铅钢全封闭，不留有可视透明窗口，设备内部样品和工作情况通过机台内部可见光相机清晰观察；▲5.2 系统应具备硬件+软件的自动防撞机制，可通过可见光扫描快速获取样品形状和实际轮廓，根据样品形状和轮廓，自动对源、探测器位置进行限位，以保证硬件和样品安全。6.系统控制和功能▲6.1具有数据采集软件，三维断层扫描图像重构软件，3D视图软件；▲6.2可进行高级三维重构后视图展示与三维高级数据处理与分析，包括定量分析与统计分布、切片配准与图像滤波、三维图像数据分割与特征提取、多模态融合与分析、三维模型生成与导出，几何特征计算等（如可以实现三维数据处理，对样品三维数据结果进行相分割，孔隙率计算，裂纹及孔的尺寸统计与空间分布），并且可与其它三维软件兼容；▲6.3支持横向的宽场模式拼接功能（0.4x物镜下可以实现）；6.4支持定位放大扫描、导航式扫描功能；▲6.5配置一体化的人体工学摇臂操作台。※7.整体要求：设备主机总重量必须≤2600kg，满足现有场地最大承重安全要求。※（二）配置清单（不同厂家产品的配置名称与下表所列名称存在偏差时，满足功能需求即可）序号名称数量单位1X射线显微镜 主机台12160KV封闭式透射型X射线源套13高分辨CCD数字成像组件套14物镜探测器（包含0.4x，4x，20x，40x物镜）套154轴断层扫描马达样品台套16花岗岩工作台套17四门式辐射安全屏蔽罩套18机箱内部可见光相机套1924”LCD显示器套110人体工学用户操控台套111系统软件（包含数据采集、三维扫描、图像重构、3D视图）套112高速工作站套113对综合分辨率测试标样套114X射线过滤器（12个）套115样品座套116操作手册（印刷版和电子版）套117系统控制和图像采集工作站套1备注：“※”标注的技术需求为符合性审查中的实质性要求，投标文件若不满足按无效投标处理。“▲”标注的技术需求为重要技术需求，投标文件若不满足将按照评标因素中相关规定处理。未标注的技术需求为一般技术需求，投标文件若不满足将按照评标因素中相关规定处理。潜在投标人需于2024年03月08日至2024年03月15日（每天上午00:00至12:00，下午12:00至23:59）在“中国政府采购网（www.ccgp.gov.cn）”、“重庆大学政府采购与招投标管理中心（http://ztbzx.cqu.edu.cn）”获取招标文件，并于2024年03月29日10点00分（北京时间）前递交投标文件。 附件：重庆大学MicroCT（X射线微型计算机断层扫描系统）采购招标文件.doc

几个世纪以来，人类探索磁性及其相关现象的脚步从未停歇。在电磁学和量子力学发展的早期，人类很难想象磁石对铁的吸引力，鸟、鱼或昆虫在相隔数千英里的目的地之间的导航能力，这些神奇又有趣的现象具有相同的磁性起源。这些磁性来源于基本粒子的运动电荷与自旋，它和电子一样普遍存在。近年来，二维磁性材料在国际上成为备受关注的研究热点，它们为自旋电子学器件的研发开辟了新的方向，在新型光电器件、自旋电子学器件等方面都有着重要的应用价值。近日，《物理学报》2021年第12期也推出了二维磁性材料专题，从不同的角度描述了二维磁性材料在理论与实验方面的进展。《物理学报》2021年第12期你能想象得到吗？只有几个原子厚度的二维磁性材料就可以为极小的硅电子器件提供基板。这种神奇的材料由成对的超薄层制成，超薄层通过范德瓦耳斯力，即分子间作用力堆叠在一起，同时层内原子以化学键进行连接。虽然只有原子级的厚度，但依然保持着磁学、电学、力学、光学等方面的物理和化学特性。二维磁性材料 图片引用自https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html打个有趣的比方，二维磁性材料中的每个电子都像一个微小的罗盘，拥有北极和南极，这些“罗盘针”的方向决定了磁化强度。当这些无穷小的“罗盘针”自发对齐时，磁序就构成物质的基本相位，因此可制备出很多功能性装置，例如发电机和电动机、磁阻存储器和光学阻隔器等。这种神奇的特性也让二维磁性材料变得炙手可热起来，虽然现在集成电路制造工艺在不断提高，但由于器件在不断缩小，已经受到量子效应的限制，微电子行业已经遇到了可靠性低、功耗大等瓶颈，延续了近50年的摩尔定律也不再“吃香”（摩尔定律：集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍）。如果未来二维磁性材料能够在磁传感器、随机存储器等新型自旋电子学器件领域得到应用，说不定有望突破集成电路性能瓶颈。我们已经知道，具有磁性的范德瓦耳斯晶体带有特殊的磁电效应，因此在二维磁性材料的研究过程中，定量的磁性研究是必不可少的步骤。然而，对此类磁体在纳米尺度上磁性响应的定量实验研究依然非常缺乏。现有的一些研究报道了在微米尺度上实现了对晶体磁性的检测，但这些技术不仅还无法提供关于磁化的定量信息，还极容易干扰阻碍超薄样品的磁信号。因此，检测技术的更新对于探测材料纳米尺度上的磁性质是非常紧迫的挑战。国仪量子QDAFM为了解决这一难题，国仪量子提供了一种新的测量途径——量子钻石原子力显微镜（QDAFM）。QDAFM是基于NV色心和AFM扫描成像技术的量子精密测量仪器。通过对钻石中氮—空位（NV）色心发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，可实现磁学性质的定量无损成像，具有纳米级的高空间分辨率以及单个自旋的超高探测灵敏度，可用于定量检测范德瓦耳斯磁体的关键磁学性质，并对其磁化、局部缺陷和磁畴进行高空间分辨率的磁成像，具有非侵入性、可覆盖宽温区、大磁场测量范围等独到优势，在量子科学，化学与材料科学，以及生物和医疗等研究领域有着广泛的应用前景。二维碘化铬的磁化图引用自Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926）下面，为大家介绍QDAFM在微纳磁成像、超导磁成像、细胞原位成像、拓扑磁结构表征等方面的具体应用。01微纳磁成像对于磁性材料，确定其静态自旋分布是凝聚态物理中的重要问题，也是研究新型磁性器件的关键。QDAFM提供了一种新的测量途径，能够实现高空间分辨率的磁性成像，具有非侵入性、可覆盖宽温区、大磁场测量范围等独到优势。布洛赫型磁畴壁成像引用自Tetienne, J. P.et al. The nature of domain walls in ultrathin ferromagnets revealed by scanning nanomagnetometry.Nature Communications6, 6733(2015)02超导磁成像对超导体及其涡旋的微观尺度研究，能够为理解超导机理提供重要信息。利用工作在低温下的QDAFM，可以对超导体的磁涡旋进行定量的成像研究，并扩展到众多低温凝聚态体系的磁性测量。单个磁性涡旋的杂散场定量成像引用自Thiel, L.et al.Quantitativenanoscale vortex imaging using a cryogenic quantum magnetometer. Nature Nanotechnology 11,677- 681 (2016).03细胞原位成像在细胞原位实现纳米级分子成像是生物学研究的重要手段。在众多成像技术中，磁共振成像技术能够快速、无破坏地获取样品体内的自旋分布图像，已经广泛应用在多个科学领域中。特别是在临床医学中，因其对生物体几乎无损伤，对疾病的机理研究、诊断和治疗起着重要的作用。然而，传统的磁共振成像技术使用磁感应线圈作为传感器，空间分辨率极限在微米以上，无法进行细胞内分子尺度的成像。利用QDAFM的高空间分辨率特性，研究人员观测到了细胞内部存在于细胞器中的铁蛋白，分辨率达到了10纳米。细胞原位铁蛋白分子的纳米磁成像引用自Wang, P. et al. Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell. Science advances 5, 8038 (2019).04拓扑磁结构表征磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构。磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性，为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台，在未来高密度、低能耗、非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用。但是室温下单个斯格明子的探测在实验上仍具有挑战性。QDAFM的高灵敏度和高分辨率特点，是解决这一难题的有力工具，通过杂散场测量可重构出斯格明子的磁结构。斯格明子磁场成像引用自Dovzhenko, Y. et al. Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction. Nature Communications 9, 2712 (2018).参考文献：1.《物理学报》2021年第12期，二维磁性材料专题2.Two-dimensional magnetic crystals and emergent heterostructure devices（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450）3.https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html4.Probing magnetism in 2D materials at the nanoscale with single-spin microscopy（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926）

欧洲航天局发射的Proba-V卫星，科学家用该卫星对地球植被进行观测　　有些疾病难以在早期被诊断出来，导致许多患者容易错过最佳治疗时机。但现在有项新技术，能比目前的医学用扫描仪更早发现皮肤病变与癌症的早期征兆，不过，特别的是，这项新技术不是医学新仪器，是来自欧洲航天局(ESA)小型植被扫描卫星 Proba-V 的高速摄影机。　　Proba-V 是 ESA 用于扫描地球植被的卫星，配有先进的数码红外线感测器及高速摄影机，其任务为从地球轨道监测植被的变化，它每48小时更新一次地表植被影像图。　　根据欧洲航天局的官方介绍，Proba-V卫星扫描的每幅图像的宽度覆盖2250公里的范围，分辨率为3072像素，其配备的高速摄影机里的红外线感测器可透过侦测，可以从森林中将不健康的植物从健康的群落中分辨出来，而人类单凭肉眼无法看出其中差异。　　而现在这项技术将可望应用于医学用扫描仪中。研究人员称，若将 Proba-V使用的特殊摄影机和医学用扫描设备配合使用，Proba-V中的传感器工作的特殊波段，能帮助医生看见更深层的人体组织，甚至可及早发现皮肤病变征兆。　　或许在几年之内，这项技术就能应用于皮肤疾病扫描，甚至能用来制作个人的人体组织图。

关键词：低温位移台；近场扫描微波显微镜； 稀释制冷机 背景介绍扫描隧道显微镜（STM）[1]和原子力显微镜（AFM）[2]等基于扫描探针显微术（SPM）的出现使得科学家能够在纳米分辨率下去研究更多材料的物理特性及图形。以这些技术为基础的纳米技术、材料和表面科学的迅速发展，大地推动了通用和无损纳米尺度分析工具的需求。尤其对于快速增长的量子器件技术领域，需要开发与这些器件本身在同一区域（即量子相干区域）中能够兼容的SPM技术。然而，迄今为止，能够与样品进行量子相干相互作用的纳米尺度表征的工具仍非常有限。特别是在微波频率下，光子能量比光波长小几个数量，加之缺乏单光子探测器和对mK端温度的严格要求，更是一个巨大的挑战。近年来，固态量子技术飞速发展迫切需要能够在此端条件下运行的SPM探测技术。技术核心近场扫描微波显微技术（NSMM）[3]结合了微波表征和STM或AFM的优势，通过使用宽带或共振探头来实现探测。在近场模式下，空间分辨率主要取决于SPM针尺寸，可以突破衍射限的限制，获得纳米别的高分辨率图像。NSMM的各种实现方式已被广泛应用于非接触式的探测半导体器件[4]，材料中的缺陷[5]、生物样品的表面[6]及亚表面分析，以及高温超导性[7]的研究。但是在低温量子信息领域中的应用还鲜有报道。英国物理实验室NPL的塞巴斯蒂安德格拉夫（Sebastian de Graaf）小组与英国伦敦大学谢尔盖库巴特金（Sergey Kubatkin）教授小组合作开发了一种在30 mK下工作的新型低温近场扫描微波显微镜，同时，该显微镜还结合了高达6 GHz的微波表征和AFM技术，旨在满足量子技术领域的新兴需求。整个系统置于一台稀释制冷机中（如图1（b）所示），NSMM显微镜的示意图如图1（a）所示：在石英音叉上附着了一个平均光子占有率为~1的超导分形谐振器。一个可移动的共面波导被用来感应耦合到谐振器上进行微波的发射和信号的读出。整个系统的核心是德国attocube公司提供的兼容低温的铍铜材质的纳米精度位移台，该小组使用一组ANPx100和ANPz100纳米位移器将样品与针在x，y和z方向上对齐，同时使用一个小的ANPz51纳米位移器进行RF波导的纳米定位和耦合。图1.（a）NSMM显微镜的示意图。（b） 稀释制冷机中弹簧和弹簧悬挂的NSMM示意图。测量结果如图2所示，Sebastian教授演示了在单光子区域中以纳米分辨率进行扫描的结果。扫描的区域与在硅衬底上形成铝图案的样品相同。扫描显示三个金属正方形（2×2μm2）与两个较大的结构相邻，形成一个叉指电容器。叉指电容器的每个金手指有1 μm的宽度和间距，尽管在图2中，由于的形状，这些距离看起来不同。图2. 在30 mK下扫描具有相邻金属垫的交叉指电容器.（a）得到的AFM形貌图。（b） 单光子微波扫描（~1）显示了微波谐振腔的频移,微波扫描速度为0.67 μm/s.（c）高功率微波扫描结果（~270）。（d） 在调谐叉频率（30 kHz）下解调的PDH误差信号，与dfr/dz（~270）成正比。（e） 扫描获得的信噪比（SNR）作为平均光子数的函数。attocube低温位移台德国attocube公司是上著名的端环境纳米精度位移器制造公司。拥有20多年的高精度低温纳米位移台的研发和生产经验。公司已经为各地科学家提供了5000多套位移系统，用户遍及全球著名的研究所和大学。它生产的位移器设计紧凑，体积小，种类包括线性XYZ线性位移器、大角度倾角位移器、360度旋转位移器和扫描器。德国attocube公司的位移器以稳定而优异的性能、原子的定位精度、纳米位移步长和厘米位移范围深受科学家的肯定和赞誉。产品广泛应用于普通大气环境和端环境中，包括超高环境(5E-11 mbar)、低温环境（10mK）和强磁场中（31 Tesla）。图3. attocube低温强磁场纳米精度位移器，扫描器，3DR主要参数及技术特点参考文献：[1]. Binnig, G., Rohrer, H., Gerber, C. & Weibel, E. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. 49, 57 (1982).[2]. Binnig, G., Quate, C. F. & Gerber, C. Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).[3]. Bonnell, D. A. et al. Imaging physical phenomena with local probes: From electrons to photons. Rev. Mod. Phys. 84, 1343 (2012).[4]. Kundhikanjana, W., Lai, K., Kelly, M. A. & Shen, Z. X. Cryogenic microwave imaging of metalinsulator transition in doped silicon. Rev. Sci. Instrum. 82, 033705 (2011).[5]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).[6]. Gregory, A. et al. Spatially resolved electrical characterization of graphene layers by an evanescent field microwave microscope. Physica E 56, 431 (2014).[7]. Lann, A. F. et al. Magnetic-field-modulated microwave reectivity of high-Tc superconductors studied by near-field mm-wave. microscopy. Appl. Phys. Lett. 75, 1766 (1999). 更多文章信息请点击：https://doi.org/10.1038/s41598-019-48780-3

二维半导体材料，比如二硫化钼（MoS2），表现出了诸多新奇的特性，从而使其具有应用于新型电子器件领域的潜力。目前，研究人员常用电子束光刻的方法，在此类仅若干原子层厚的材料表面定域制备图形化电，从而研究其电学特性。然而，采用此类方法常遇到的问题之一是二维半导体材料与金属电之间为非欧姆接触，且具有较高的肖特基势垒。近期，刊载在Nature Electronics上的Patterning metal contacts on monolayer MoS2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography一文（Nature Electronics volume 2, pages17–25 (2019)），针对以上问题展开了研究。文中，Zheng等人采用热扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography，t-SPL）的方法，在二维原子晶体表面成功制备了图形化电。此方法具有高的可重复性，并且具有小于10 nm的分辨率，以及可观的产率（单根针达到105?μm2?h?1）。相较于电子束光刻方法而言，此方法可以同时进行图形化工艺并原位对图形化工艺后的结果进行成像表征，而且不需要真空腔体以及高能电子束。采用这一技术方案，Zheng等人在单层MoS2上制备了具有栅和背栅结构的场效应晶体管。在未采用负电容或异质堆叠等方案的前提下，Zheng等人制备的器件中的二维半导体材料与金属电之间的肖特基势垒趋于0 meV，开关比达到1010，且亚阈值摆幅低至64 mV/dec，大大优于此前诸多其他方案所制得的类似器件的电学特性。 图1 器件制备流程及主要步骤后的样品形貌表征表1 采用两种不同方法（热扫描探针光刻与电子束光刻）制备的基于MoS2的FET的电学特性对比 值得指出的是，文中Zheng等人实现图形化掩膜制备所用的设备，是由瑞士Swisslitho公司所研发的NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机，该系统实现图形化工艺主要是基于前文所述的热扫描探针光刻技术。热扫描探针光刻技术的核心，是利用高温纳米针与一种热解胶（PPA）作用，热解胶在高温作用下会挥发，从而使热针“画”过的区域没有热解胶而热针没有“画”过的区域留存有热解胶，从而实现对热解胶的图形化处理。工艺过程中，图形的刻写精度与针的曲率半径以及针的温度控制水平息息相关。依托成熟的微加工工艺以及微系统设计经验，Swisslitho设计并制备了具有纳米曲率半径的针的悬臂梁，并且在悬臂梁上集成了用于控制及反馈针温度的电学系统，可以在室温至1100 ℃的范围内对针的温度进行准确地控制及监测，从而使得NanoFrazor的图形加工精度可以达到10 nm量的水平，且工艺具有佳的稳定性和重复性。图2 针处于加热状态下的悬臂梁图像另一方面，从工作原理不难看出，热扫描探针光刻不需要额外的显影操作。只要是用高温纳米探针在热解胶表面一“画”，热解胶表面相应区域就会挥发掉，从而在表面留下痕迹。着眼于这一特点，Swisslitho的研发人员巧妙地在悬臂梁上集成了轮廓探测器，可以原位对热解胶表面留下的痕迹进行形貌表征，从而实现闭环图形加工功能。NanoFrazor使用户可以实时了解图形加工的情况，并进行修正，大大缩减了图形化工艺所用的时间，提升了效率。 此外，由于NanoFrazor特殊的结构特点，使得NanoFrazor在进行套刻工艺时，可以方便快捷地直接定位到样品表面的目标区域并进行套刻工艺，无须预先在样品表面制备对准标记，亦可省去进行传统光学光刻或电子束光刻对准过程中的繁琐步骤。 为重要的是，由于工艺过程中用针的热与热解胶作用替代了电子束或光束与光刻胶作用，可以有效减少图形化工艺过程中对样品中介质材料的电荷注入所引起的损伤，从而提升微纳结构电学特性的可靠性，亦可有效提升器件的电学特性。

2016 年 7 月 24 日 - 2016 年 7 月 28 日，在美国俄亥俄州哥伦布会议中心举行了一年一度的美国电镜年会 M&M( MICROSCOPY & MICROANALYSIS)。飞纳台式扫描电镜携多款产品亮相美国 M&M 2016，并现场进行了样品测试。在这里，您不仅可以现场感受到飞纳台式扫描电镜令人惊叹的设计，小小的桌面式仪器竟然可以取代传统落地式扫描电镜的功能。您也可以进一步了解飞纳台式扫描电镜采用的独特的 CeB6 灯丝，亮度是钨灯丝的 10 倍，为您呈现表面细节丰富的扫描电镜图像。CeB6 灯丝可以稳定使用，寿命至少为 1500 小时，甚至可以达到 2000 个小时，灯丝使用时间记录在飞纳台式扫描电镜中，可以随时查看。飞纳台式扫描电镜能谱一体机 Phenom ProX 由 Karel van der Mast 教授带领原飞利浦电镜部门精英研发，将能谱探头完全集成在电镜主机内，开创了电镜能谱设计新理念。 飞纳台式扫描电镜大样品室卓越版 Phenom XL 不仅可以拓展能谱功能，还可以增加了二次电子探测器，拉伸台，压力台，大角度倾斜台，高低温样品台等。飞纳台式扫描电镜系列还有丰富的拓展功能，高倍超大视野图像拼合，孔径统计分析测量系统，纤维统计分析测量系统，颗粒统计分析测量系统，3D 粗糙度重建等。飞纳台式扫描电镜，带给您不一样的扫描电镜体验，高效，快速，强大。如果您想进一步了解飞纳，请访问飞纳中国官网 www.phenom-china.com。

近期，深圳市中图仪器股份有限公司（以下简称“中图仪器”）在尺寸精密测量领域再次展现其创新实力，连续发布了一系列新产品，包括Nano Step系列台阶仪、VT-X100共聚焦测量头、SuperView WT3000复合型光学3D表面轮廓仪以及CEM3000系列台式扫描电镜。这一系列新品的推出，不仅丰富了中图仪器的产品线，更为广大用户提供了更加精准、高效的测量解决方案。台阶仪Nano Step系列台阶仪 是一款超精密接触式微观轮廓测量仪器，其主要用于台阶高、膜层厚度、表面粗糙度等微观形貌参数的测量。该新品采用了线性可变差动电容传感器LVDC，具备超微力调节的能力和亚埃级的分辨率；同时，集成了超低噪声信号采集、超精细运动控制、标定算法等核心技术，使得仪器具备超高的测量精度和测量重复性。Nano Step系列台阶仪具备极强的应用场景适应性，其对被测样品的反射率特性、材料种类及硬度等均无特殊要求，能够广泛应用于半导体、太阳能光伏、光学加工、LED、MEMS器件、微纳材料制备等各行业领域内的工业企业与高校院所等科研单位，其对表面微观形貌参数的准确表征，对于相关材料的评定、性能的分析与加工工艺的改善具有重要意义。共聚焦测量头VT-X100共聚焦测量头是一款非接触式精密光学测头，基于光学共轭共焦和精密扫描研制而成，主要由光学共聚焦系统和Z向扫描系统组成，具有体积小、重量轻的特点，能够方便地搭载在各种具备XY水平位移架构的平台上，在产线上对器件表面进行测量，直接获取与表面质量相关的粗糙度、轮廓尺寸等2D/3D参数。复合型光学3D表面轮廓仪SuperView WT3000复合型光学3D表面轮廓仪是一款用于对各种精密器件及材料表面进行亚纳米级测量的检测仪器。它集成了白光干涉仪和共聚焦显微镜两种高精度3D测量仪器的性能特点于一身，能够对器件表面进行非接触式扫描并建立表面3D图像。当测量超光滑和透明的表面形貌时，可使用白光干涉模式获得高精度无失真的图像并进行粗糙度等参数的分析；当测量有尖锐角度的粗糙表面特征时，可使用共聚焦显微镜模式实现大角度的3D形貌图像重构，通过系统软件对器件表面3D图像进行数据处理与分析，并获取反映器件表面质量的2D、3D参数，从而实现器件表面形貌3D测量的光学检测。该新品可广泛应用于半导体制造及封装工艺检测、3C电子玻璃屏及其精密配件、光学加工、微纳材料及制造、汽车零部件、MEMS器件等超精密加工行业及航空航天、国防军工、科研院所等领域中。无论是超光滑还是粗糙、低反射率还是高反射率的物体表面，该新品都能轻松应对，能够精确测量从纳米到微米级别工件的粗糙度、平整度、微观几何轮廓、曲率等关键参数，提供依据ISO/ASME/EUR/GBT四大国内外标准共计300余种2D、3D参数作为评价标准。台式扫描电镜 CEM3000系列台式扫描电镜是一款用于对样品进行微观尺度形貌观测和分析的紧凑型设备，可以进入手套箱、车厢还是潜水器等狭小空间内大显身手。该系列电镜搭载卓越的电子光学系统，拥有优于4nm的空间分辨率，保证了高放大倍数下的清晰成像，能够满足纳米尺度的形貌观测需求。其用户友好性同样出色，无论是通过直观的操作界面还是智能化的自动程序，都能让用户轻松上手，一键获取理想图像，极大简化了操作流程。CEM3000系列涵盖CEM3000A（大样品仓型）和CEM3000B（抗振型）两款强化机型。CEM3000A在不牺牲整机外观尺寸的情况下，极大拓展了样品仓尺寸，支持大尺寸样品或多个常规尺寸样品进行分析。CEM3000B则配备有高性能复合减振系统，不仅显著缩短了抽放气时间，还有效隔离了外界振动干扰，保证了高倍数成像时的图像质量。此外，该系列电镜允许用户根据需求加装各类探头和附件，极大地扩展了其应用领域，使其在材料科学、生命科学、纳米技术、能源等多个领域具备广泛应用潜力。2024年以来，中图仪器在几何量精密测量领域取得了显著进展，先后发布了多款新品，其中包括WD4000系列无图晶圆几何量测系统、Mizar Silver三坐标测量机，致力于为高端制造业提供全尺寸链精密测量仪器及设备。

随着智能手机的迅速普及，越来越多的网络行为由电脑端转移到手机端。而日立高新技术公司也深刻认识到手机端对市场宣传的重要性，第一家在仪器信息网手机端开通了定制展位，希望以多元化、与众不同的展位形式为用户带来更多精彩。 借新春佳节即将来临之际，特推出“扫二维码，进入日立高新定制展位，赢取大奖”活动，希望好运伴您欢度佳节！ 活动时间：2015年1月7日-2015年2月6日礼品设置：一等奖：Ipad Mini 3个，二等奖：Ipod shuffle 4个参与方式即抽奖规则：扫描屏幕下方的二维码，进入日立高新定制展位，留下您宝贵的信 息。我们将按手机号码随机抽取一、二等奖。中奖结果告知：将在日立高新展位上新闻公示，中奖用户单独电话通知，请保持手机畅通。为了保护用户个人隐私，新闻公示时我们会将您的关键信息用“*”代替。 关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。更多信息敬请关注：http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/

Hello，好久不见距离上次更新已有时日，这段时间小编没密集更新是因为知道大家在忙着立新年flag！但2018年的计划一定不能少的是跟随tescan电镜学堂持续输入电镜知识，稳定输出科研成果！ 这里是TESCAN电镜学堂第7期，将继续为大家连载《扫描电子显微镜及微区分析技术》(本书简介请至文末查看)，帮助广大电镜工作者深入了解电镜相关技术的原理、结构以及最新发展状况，将电镜在材料研究中发挥出更加优秀的性能！第二节 特殊试样的处理对于一些特殊的试样，除了常规制样方法外，可能还需要一定的特殊处理。§1. 金相试样金相试样要经过严格的抛光程序，为了在电镜下观察能有更好的衬度，需要进行一定的腐蚀处理。不同的金属需要不同的腐蚀剂以及腐蚀时间，这需要去慢慢摸索。腐蚀不能过度，否则表面会有太多的腐蚀坑，此外，腐蚀剂要清洗干净。§2. 生物试样对于生物样品，为了保证在电镜样品室的高真空下不发生变形而保持原貌，需要对试样进行一系列的处理，需要经过清洗、固定、脱水、干燥等步骤。① 清洗：试样取材好后可用生理盐水或缓冲液清洗，或用5%的苏打水清洗；用超声震荡或酶消化的方法进行处理。② 固定：常用戊二醛及锇酸双固定。③ 脱水：样品经漂洗后用逐级增高浓度的酒精或丙酮脱水，然后进入中间液，一般用醋酸异戊酯作中间液。④ 干燥：可用空气干燥法、临界点干燥、冷冻干燥等方法。§3. 石墨烯试样石墨烯是近年特别火热的样品，不过利用扫描电镜进行石墨烯的观察需要一定的技巧，否则难以有很好的说服力。理论上石墨烯厚度非常小，在扫描电镜下难以有很好的衬度。而那些铺展的很平整，却有着很好的明暗衬度的试样，本人觉得只能算是石墨薄片而不能算石墨烯。扫描电镜分辨率还不足以观察到石墨烯的碳原子结构，也没有探测器能证明其碳结构，不过扫描电镜可以定性判断其膜层的厚薄，当然这需要特殊的制样。我们可先对硅片这种平整基底镀上一层较厚的金膜，然后将石墨烯分散镀金硅片上。我们对镀金的形貌有着非常清晰的认识，如果表面有一层石墨烯的话，金膜就会像蒙了一层纱一样。石墨烯膜层越薄，金颗粒越清楚；反之如果金颗粒越不清楚，则膜层越厚；当完全看不见金颗粒时，则膜层已经相当厚，完全不算是石墨烯了，这点可以通过蒙特卡罗模拟来得到印证。之所以选择先镀金，就是让被覆盖的与未被覆盖的区域进行一个对比，这样可以定性判断石墨烯的膜厚。图4-9 石墨烯分散在硅片和镀金硅片上的对比如图4-9，左边四张图片是石墨烯直接分散在硅片上，因为没有参照物，只能判断出不同区域的厚薄，而这些厚薄是否能达到石墨烯要求的水准则难以判断；而右边六张图片是分散在镀金硅片上的图片，我们很容易通过与空白处金颗粒的对比来大致判断其膜层厚度是否符合石墨烯的要求。第三节 试样的放置问题 试样在放入电镜室中需要满足一定的几何条件。首先，一次性放置多个样品时，尽量保持高度一致。遇到高度不等的情况，可以将较矮的样品放置在加高台上，如图4-10。将不同高度的样品垫平。 图4-10gm-163-r样品台其次，样品如果表面凹凸不平，如断口材料或楔形样品，在放置样品的时候尽量将要观察的区域的朝着eds或etd的方向，避免在电镜观察时，因为观察面背向探测器而有强烈的阴影或者没有eds信号。还有，对于截面样品观察，有时候并非在90度的绝对垂直下效果最好。特别是对于一些膜面质量不是很好有点撕裂的薄膜，有时候倾转一点的角度，在非正入射的条件下有更好的立体感和景深，有时候更能观察到膜面和基体的结合情况。不过在进行测量的时候要记住需要进行倾斜修正。如图4-11上图，在正90度下虽然能观察到膜面，但是膜面质量的好坏及整体情况却无法判断，而在70度下则能看出膜层的整体情况。将倍数放大后，也可看到70度下有更好的景深和立体感，也更有助于进行膜面和基底结合的判断。 图4-11 膜的截面在90度和70度倾转下的对比再如图4-12，试样为两层同样成分的薄膜，如果在正90度下进行观察，膜之间的界线很不明显，而如果旋转到55度，可以发现膜在断裂过程中有发生“错位”地方，这个角度的观察使得对膜层的观察更加清楚。图4-12 双层膜的截面在90度和55度倾转下的对比特别是一些半导体的截面样品，时常都是先在非正入射的情况下进行观察，再转到90度的情况下进行测量。?福利时间每期文章末尾小编都会留1个题目，大家可以在留言区回答问题，小编会在答对的朋友中选出点赞数最高的两位送出本书的印刷版。?奖品公布上期获奖的这位童鞋，请后台私信小编邮寄地址，我们会在收到您的信息并核实后即刻寄出奖品。 【本期问题】截面样品观察，是否一定是在90°的绝对垂直下效果最好，为什么？（快去留言区回答问题领取奖品吧→）简介《扫描电子显微镜及微区分析技术》是由业内资深的技术专家李威老师（原上海交通大学扫描电镜专家，现任TESCAN技术专家）、焦汇胜博士（英国伯明翰大学材料科学博士，现任TESCAN技术专家）、李香庭教授（电子探针领域专家，兼任全国微束分析标委会委员、上海电镜学会理事）编著，并于2015年由东北师范大学出版社出版发行。本书编者都是非常资深的电镜工作者，在科研领域工作多年，李香庭教授在电子探针领域有几十年的工作经验，对扫描电子显微镜、能谱和波谱分析都有很深的造诣，本教材从实战的角度出发编写，希望能够帮助到广大电镜工作者，特别是广泛的TESCAN客户。这里插播一条重要消息： TESCAN服务热线 400-821-5286 开通“应用”和“维修”两条专线啦！按照语音提示呼入帮你更快找到想要找的人 ↓ 往期课程，请关注“TESCAN公司”微信公众号查看：电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(一) - 电子与试样的相互作用电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(二) - 像衬度形成原理电镜学堂丨扫描电子显微镜的基本原理(三) - 荷电效应电镜学堂丨扫描电子显微镜的结构(一) - 电子光学系统电镜学堂丨扫描电子显微镜的结构(二) - 探测器系统电镜学堂丨扫描电子显微镜样品要求及制备 (一) - 常规样品制备统

p　　从石器时代原始部落的祭师对灵魂的崇拜，到中世纪后期哲人对大脑意识的产生溯源，到近代解刨学家发现井然有序的大脑功能分区，再到20世纪初Santiago Cajal得到了人类第一张清晰的大脑皮层神经元的照片，直至现在神经学家通过电生理，电子显微镜，光学显微镜等手段，在亚细胞，分子，基因水平对大脑的结构和功能进行研究，神经科学(neurosciences)这一门古老的学科，直至今日，仍然是全世界投入最大，最活跃的科学研究领域之一。/pp　　限制科学家去理解和探索大脑的最主要因素是技术。每一次神经领域的重大突破，都是以技术的一次次革命与飞跃作为基础随之而来。19世纪末高尔基染色和尼斯染色技术的发明，使得单个神经元的结构得意完整清晰的呈现，并由现代神经学之父圣地亚哥· 拉蒙· 卡哈尔(Santiago Ramon y Cajal,1852-1934)总结并开创了神经元理论，至今仍是现代神经科学的基础。计算机体层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、经颅多普勒(TCD)、单光子发射计算机断层(SPECT)、正电子发射断层扫描(PET)等无创性影像学技术的发展，使得人类对大脑整体水平结构和功能的认识不断提高，并且对于大脑创伤和疾病的治疗提供了有利的参考工具。在实验神经科学领域，以模式动物作为研究对象，避免了把人作为研究对象在有创，改造等伦理方面的限制，使得更多的技术手段得以大显身手。其中包括电生理学方面，脑电图(EEG)，多电极记录(MER)，膜片钳技术(patch clamp)等技术的发明和有效使用，得以使科学家在亚微米空间尺度(单个神经突触连接)，亚毫秒时间尺度(单次神经冲动电位)对神经元的功能进行研究。而最令人激动人心的是，近几年来蓬勃发展的光学显微成像技术，给实验神经科学带来了很多前所未有的思路和成果。2008年钱永健等人由于荧光蛋白(GFP，绿色荧光蛋白)的发现和使用，获得了诺贝尔化学奖，是对荧光成像技术的一次巨大肯定和推动。光学成像本身具有高分辨率、高通量(高速)、非侵入、非毒性等特点，再与荧光蛋白以及荧光染料等标记物在细胞中的定位与表达技术相结合，使得科学家可以特异性的分辨生物体乃至细胞内部不同结构与成分，并且能够在生命体和细胞仍具有活性的状态下(活体状态)对其功能进行动态观察。这就使得荧光成像技术成为了无可替代的，生物学家现今最为重要的技术手段之一。而随着近些年来各种新型的显微技术的出现，共聚焦显微镜(confocal microscopy)，相干拉曼成像(CARS)，超分辨率显微技术(super-resolution microscopy)，光片显微技术(lightsheet microscopy)等使得荧光显微镜的分辨率，速度，成像深度等进一步提高。/pp　　对于荧光成像技术在神经科学中应用，离不开双光子荧光显微镜(Two-photon Microscopy，简称TPM)1。目前，大多数细胞生物学，生理学研究主要还是在离体培养的细胞体系中研究。然而与细胞生物学研究有所不同的是，大脑的功能研究的整体性和原位性显得更加关键：仅研究分离的神经元无法解释神经系统的功能和规律。换句话说，必须要求神经元处在其正常生存的大脑环境中才能使其正常运转。然而，大脑是一个高度复杂的器官。即使是小鼠的大脑皮层也有将近1mm的厚度，海马，丘脑等深脑区核团更是深达3-5mm2，而且并不透明，充满了数以亿计的神经元胞体和突触，此外还有丰富的血管，粘膜(脑膜)，最外层还有厚厚的颅骨和头皮包裹。使用包括共聚焦显微镜在内的传统的荧光显微镜，由于被观测的信号会受到样本组织的散射和吸收，根本无法穿透如此深的组织进行成像。而双光子显微镜的发明，则为此类研究带来了希望。双光子显微镜特有的非线性光学特性，再加上其工作波长处在红外区域等特点，令其在生物体组织内的穿透深度大大提高3，使得双光子显微镜成为神经科学家进行活体神经成像最理想的工具。神经动作电位(action potential)本身很难被光学信号捕获，但是动作电位产生的去极化会引起神经元Ca2+浓度的变化(钙内流现象)。科学家已经开发出多种Ca离子浓度的荧光探针，进而通过这种钙离子浓度的变化引起的荧光信号的变化来反映出神经活动。于是，双光子显微镜与在体的神经元Ca离子浓度指示剂标记技术相结合，碰撞出了耀眼的火花: 使得人们可以研究处于生理状态时的动物大脑内的神经元活动4。/pp　　大脑的最重要功能是对生物体的行为活动进行调控，而反过来，最能反应大脑工作状态的同样是生物体的行为活动。所以说，为了了解大脑，研究者不仅要求在体状态下对神经元进行高分辨率观测，而且也希望生物体在被观测的阶段里，能够进行正常的行为活动。所以，在成像技术不断地提高分辨率和速度等性能的同时，科学家们也在积极开改进和革这些成像技术手段，使其进行成像时尽可能小的限制被观测对象的行为活动，以求得到最接近生理状态下的数据。但是这一目标始终存在诸多的技术瓶颈: 以啮齿类动物(大鼠或小鼠)神经元的双光子钙成像为例。早些年由于动物身体运动产生的晃动剧烈，而当时双光子显微镜成像速度又很低，所以科学家只能在麻醉状态下对头部固定的动物进行成像。后来随着成像速度的提高，并且对开颅手术技术的很大改进，使得科学家可以在清醒状态下对动物的神经活动进行观察(仍然需要头部固定)。近些年来，随着基因改造技术的突飞猛进，通过病毒转染和转基因技术，在神经元内源性表达“基因编码类钙指示剂(genetically encoded calcium indicator, 简称GECI)”成为神经元钙成像的大趋势4。这种由神经元自身产生钙指示剂的方法与之前的钙染料技术相比有着巨大的优势: 信噪比提升了一个数量级 对神经元特异性好，可以区分不同的神经元类型 并且可以在大脑神经元内持续表达数月(病毒转染)甚至整个生命历程(转基因动物)。于是，大概10年前开始，科学家就开始利用双光子成像结合GECI技术对神经元的活动和结构变化进行长期的观测和追踪，从而对记忆的形成，神经元病变等问题有了更深入的认识。其中，现在性能最好，使用最为广泛的GECI为绿色荧光钙调蛋白Gcamp家族4。目前已经改进到第六代，Gcamp6f，Gcamp6f已经成为神经成像里最受欢迎的指示剂之一。目前科学家最流行的对小动物行为过程中大脑活动进行成像的方法，是将虚拟现实与双光子成像相结合，在动物头部被固定的情况下，在其眼前制造影像，让动物认为自己处在”真实“的环境之中5。通过小鼠四肢在类似跑步机或者鼠标滚球上的运动来模拟其真实活动。以求达到研究神经元在动物行为中所起到的作用(如图1)。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/e167bfbc-be4e-4b26-aa38-6f15b1fdca08.jpg" title="1.png" width="600" height="429" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 429px "//pp style="text-align: center "图1 双光子成像结合虚拟现实场景，对头部固定，身体活动的动物进行研究。图片来自sup5/sup/pp　　然而，这种虚拟现实加头部固定成像的方法，已经遭到许多科学家的质疑。人们认为，头部固定的动物在实验期间一直处在物理约束和情绪压力下，因此无法证明神经元对外界的响应在虚拟现实和自由探索下是等价的。更重要的是，许多社会行为，比如亲子护理，交配和战斗，都不能用头部固定的实验来研究。如何在动物自由活动的时候，直接对其神经元进行成像，是神经科学家还未能得到解决终极的诉求。/pp　　一个理想的解决方案是开发微型荧光显微镜直接固定在自由活动的动物身上，让动物“带着显微镜跑”6。这种尝试大概从20年前开始。起初，科学家只是将一根或几根光纤插到小鼠头上，用以激光导入和荧光信号采集。然而，这种方式而只是记录某个区域内信号的总和，不具有空间分辨率，算不上真正意义上的成像。在最近的十几年里，由于光学，电子，材料技术的发展，人们开始尝试研制真正意义上的微型显微镜。其中，微型单光子宽场显微镜(miniature wide-field microscope)，由于其原理与结构相对简单，是目前人们主要尝试研制的微型显微镜技术。例如由Ghosh及其同事开发的显微镜，通过将小型LED光源，微型CCD和自聚焦透镜整合到一个小于25px3的框架之中，研制出了一个重量为1.9g的微型宽场显微镜。该技术被用于研究大脑海马区place cell等与记忆和本能相关的实验当中7。然而，宽场成像方式由于不能很好的对离焦区域的背景信号进行过滤，并且对光的散射敏感，所以其无法达到细胞分辨率。更难以对更精细的诸如树突，轴突，树突棘等结构进行观察。所以一直难以达到神经科学家满意。/pp　　于是，从大概15年前开始，世界上一些研究和开发双光子成像技术的研究组开始尝试将双光子显微镜这种在神经成像领域已经获得广泛应用的技术进行微型。然而，目前只有为数不多的几个课题组报道了他们在微型双光子显微镜研制方面的进展: 在2001年，Denk等的工作被认为是研制微型双光子显微镜的第一步8。然而，它仍然太过“巨大”(长7.5厘米，重25克)，而且成像速度很慢(2 Hz 128x128的尺寸下速度为2 Hz， 512x512的尺寸下为0.5 Hz，如图2a)。之后，其他一些课题组相继报道了不同的微型双光子系统。 Helmchen课题组在2008年报道了他们的微型双光子系统，仅重0.9克9。它实现了512X512幅面下的8 fps的成像速度速度，并展示了利用该系统实现的大鼠在体钙成像信号。然而，从展示的效果来看，其空间分辨率极低，而且并没有实现真正的自由运动下的成像(如图2b)。Mark Schnitzler课题组在2009年也发表了他们的微型双光子系统10。他们的系统首次使用了微机电扫描镜(MEMS)来进行扫描，并将Z聚焦模块集成在了探头之中(如图2c)。但是扫描频率仍然很低(400x135约为4Hz) 空间分辨率也远远达不到要求(横向1.29 μm，轴向10.3 μm)。这些方面限制了其在神经元细胞核亚细胞水平成像中的应用。 Kerr课题组在2009年展示了它们的系统11，跟之前的微型双光子显微镜相比较，由于应用了微型透镜组构成的微型物镜(NA达到了0.9)，这套系统的空间分辨率更高。然而，这套探头的重量也随之提高(5.5g)。此外，由于其仍然使用振动光纤的方式来进行扫描，所以其成像速度仍然比较慢。(对于64x64为10.9Hz，对于理论上的512x512为1.25Hz)(如图2d)。此外，还有一个之前所有的微型双光子系统都没有解决的问题。由于微型双光子显微镜一般需要利用光纤将飞秒激光导入到探头之中，而光纤由于存在诸如色散、截至模式、导通带宽等一系列限制，所以某一款光纤一般只允许一定带宽(一般为几十纳米)和特定中心波长的光传播。那就需要在制作微型显微镜的时候，结合使用的荧光指示剂所需要的激光波长对光纤进行选择。但是，目前商业化的，可以用来进行飞秒光传输的空心光子晶体光纤(hollow-core Photonic Crystal Fiber， HC-PCF)种类非常有限。例如，全球最大的光子晶体光纤生产商NKT公司仅提供中心波长为800nm，1030nm，1300nm和1550nm的HC-PCF。所有现有的微型双光子显微成像系统都是基于这几款光纤所限定的中心波长进行开发的。但是很遗憾的是，本文上述所提到的目前最广泛使用的GcamP指示剂需要920 nm的激光进行激发。所以先前的所有微型双光子都不能对Gcamp进行有效的成像。这限制了微型双光子显微镜的发展。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/4c1d7c1d-53eb-4a41-96d0-98ecb5ebda8d.jpg" title="2.png"//pp style="text-align: center "图2 微型双光子发展史上的几个典型工作。a、b、c、d分别选自参考文献sup8、9、10/sup和sup11/sup/pp　　之所以这些早期的微型化双光子显微镜都无法得到真正的使用和推广，其原因在于，若要制造出具有实用价值的微型双光子显微镜，比研制单光子微型显微镜复杂和困难的多得多。微型双光子显微镜需要需要解决如下几个关键技术难题：/pp　　1 如何将飞秒激光有效的导入微型显微镜 /pp　　2 如何在微型显微镜内进行扫描/图像重建 /pp　　3 如何在微型显微镜中进行高质量的激光汇聚，高效激发双光子信号。/pp　　4 如何有效的对荧光信号进行收集 /pp　　5 如何使整个系统在动物剧烈运动时仍保持稳定/pp　　6 在满足前5项条件下，重量是否足够轻，以致尽量小地对动物的活动造成影响 /pp　　本文作者所在的课题组，是由北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、动态成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队。我们在程和平院士的带领下，在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下，历经三年多的协同奋战，成功研制了新一代高速高分辨微型双光子荧光显微镜，并将其取名为FHIRM-TPM。原始论文于5月29日在线发表于自然杂志子刊Nature Methods (IF 25.3)12。在这项成果中，我们解决了上文所提及的早先微型化双光子显微镜研制中存在的问题，获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0418a0a6-f357-4e18-91b0-ef1c23d670bd.jpg" title="3.png" width="600" height="470" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 470px "//pp style="text-align: center "图3 FIRM-TPM示意图，来自sup12/sup/pp　　新一代微型双光子荧光显微镜体积小，重仅2.2克，适于佩戴在小型动物头部，通过颅窗实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，所以成像质量远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。其横向分辨率达到0.65μm，与商品化大型台式双光子荧光显微镜可相媲美 采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz(256*256像素)，同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。最为重要的是，FHIRM-TPM克服了先前限微型双光子显微镜应用的两个障碍。首先，我们定制设计的HC-PCF为 920纳米飞秒激光脉冲提供了无畸变传输，这种改进让有效的激发例如Thy1-GFP和GCaMP-6f等常用荧光指示剂成为可能。第二，由于双光子点扫描显微镜的高空间分辨率和层切能力，安装到动物头上的微型双光子显微镜非常容易受到运动伪影的影响。为了解决这个问题，我们对整个系统进行了充分的优化：(a)使用柔软的新型光纤束SFB来使得动物运动引起的扭矩和拉拽力最小化，并不降低光子收集效率 (b)采用独立的可旋转连接器来连接光学探头上的光纤和电线，以使动物在自由探索期间线的扭曲和缠绕最小化 (c)使用高速成像以减少运动引起的帧内模糊。此外，我们在实验之前预先训练动物适应安装在其头骨上的微型显微镜，并滴加1.5%低熔点琼脂糖使其充满物镜和脑组织之间，这些措施都显著降低了探头与大脑之间的相对运动，进而改善了实验短期和长期的稳定性，于是实现了在动物进行包含大量身体和头部运动的行为学试验中中进行高分辨率成像。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/0d8849db-62d7-4fdd-b7e0-4e572b3a1b03.jpg" title="4.png" width="600" height="437" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 437px "//pp style="text-align: center "图4 FIRM-TPM实物图，来自sup12/sup/pp　　树突棘活动是神经元信息处理的基本事件，利用台式双光子显微镜在头固定的动物上的研究表明单个神经细胞的不同树突棘可以被不同朝向的视觉刺激或不同强度频率的声音刺激所激活。FHIRM-TPM实现了与传统的大型的台式双光子显微镜相同的分辨率和光学层切能力。与微型宽场显微镜相比，FIRM-TPM的高空间分辨率，固有的光学切片能力和组织穿透能力以及相当的机械稳定性都是极有优势的。所以虽然通过微型宽场显微镜可以获得数百个神经元在细胞水平上的活动，但是我们的 FHIRM-TPM无疑提供了一个更加强大的工具，即在自由活动的动物中对更加基本的神经编码单位——树突棘的时空特性进行观测。它能够在对小鼠依次进行的行为学试验(例如悬尾，跳台，以及社交行为)的过程中长时间观察位大脑中的神经元胞体、树突和树突棘的活动。这些功能的展示充分证明了FHIRM-TPM具有良好的性能和稳定性。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和大脑神经回路的活动。微型双光子荧光显微镜整机性能十分稳定，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/90a13003-d9fd-404d-8df3-64926f598012.jpg" title="5.png" width="600" height="283" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 600px height: 283px "//pp style="text-align: center "图5 三种模式在结构学成像中的成像质量对比，来自sup12/sup/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/44bc19d8-0a51-4583-8784-2f9240ac1cdd.jpg" title="6.png"//pp style="text-align: center "图6 FHIRM-TPM在三种不同的行为学范例对小鼠大脑皮层神经元活动进行成像，来自sup12/sup/pp　　从2001年Denk发表第一篇微型双光子显微镜的原型机以来，微型双光子显微镜的发展已经走过了15年的时间。15年的发展历程，微型双光子显微镜从最开始的25克笨重的身躯，只能在分离的组织中进行验证性的实验8到如今重量仅两点几克重，可以对自由活动的小鼠神经元进行树突棘级别的成像，可以说取得了一定的进步。然而，在看到这个领域取得的成就的同时，也应看到，至今为止，微型双光子显微镜还未像共聚焦显微镜或者是荧光光片显微镜一样被生物学家广泛认可和应用。而后者(光片显微镜)的发展时间更短(2008年Science的一篇文献一般被认为是现代荧光光片显微镜镜的开端13)。究其原因，除了技术本身的限制以外，整个研究领域的气氛和投入，也是重要的影响因素之一。/pp　　纵观这15年来微型双光子显微镜的发展道路，开疆拓土者有之 改革创新者有之 另辟蹊径者有之 浑水摸鱼、指鹿为马者亦有之。然而遗憾的是，愿意心无旁骛、全情投入者鲜有之 有意愿和能力建立为这个研究的领域建立范式者亦鲜有之。而中国，在不久前在这个领域基本上属于完全的空白。更不要说什么领先世界。/pp　　然而令人十分兴奋的是，中国国家基金委国家重大科研仪器设备研制专项在2014年正式将“超高时空分辨微型双光子在体显微成像系统”立项。以5年七千两百万人民币的研究经费对这一项“世界上做的还并不怎么好，中国基本没人做过”的技术进行攻关研发。这样的大力投入无疑为这一领域注入了新鲜血液和十足动力。而我也有幸在博士五年期间全程参与了这个项目的工作。从2012年来到该项目首席负责人程和平院士和陈良怡研究员的联合课题组至今，我见证了这个项目从无到有，团队从幼小稚嫩到壮大成熟的整个过程。如今，我们有了初步的成果，不仅让我们这样一支完全由中国本国科研工作者建立的团队在世界上处在了较为领先的位置，同时也把这个领域向前推动了一些，我感到无比激动和自豪。/pp　　该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后，得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。冷泉港亚洲脑科学专题会议主席、美国著名神经科学家加州大学洛杉矶分校的Alcino J Silva教授在评述中写道，“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。它所开启的大门，甚至超越了神经元和树突成像。系统神经生物学正在进入一个新的时代，即通过对细胞群体中可辨识的细胞和亚细胞结构的复杂生物学事件进行成像观测，从而更加深刻地理解进化所造就的大脑环路实现复杂行为的核心工程学原理。毫无疑问，这项非凡的发明让我们向着这一目标迈进了一步。”/pp　　1. Denk, W., Strickler, J. & Webb, W.Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science248, 73-76(1990)./pp　　2. Gewin, V. A goldenage of brain exploration. PLoS Biol3, e24 (2005)./pp　　3. Zipfel, W.R.,Williams, R.M. & Webb, W.W. Nonlinear magic: multiphoton microscopy in thebiosciences.Nat Biotechnol21, 1369-1377 (2003)./pp　　4. Chen, T.W. et al.Ultrasensitive fluorescent proteins for imaging neuronal activity. Nature499, 295-300 (2013)./pp　　5. Minderer, M.,Harvey, C.D., Donato, F. & Moser, E.I. Neuroscience: Virtual realityexplored. Nature533, 324-325 (2016)./pp　　6. Hamel, E.J., Grewe,B.F., Parker, J.G. & Schnitzer, M.J. Cellular level brain imaging inbehaving mammals: an engineering approach. Neuron86, 140-159 (2015)./pp　　7. Ghosh, K.K. et al.Miniaturized integration of a fluorescence microscope. Nat Methods8, 871-878(2011)./pp　　8. Helmchen, F., Fee,M.S., Tank, D.W. & Denk, W. A Miniature Head-Mounted Two-Photon Microscope.Neuron31, 903-912 (2001)./pp　　9. Engelbrecht, C.J.,Johnston, R.S., Seibel, E.J. & Helmchen, F. Ultra-compact fiber-optictwo-photon microscope for functional fluorescence imaging in vivo. Optics Express16, 5556 (2008)./pp　　10. Piyawattanametha, W.et al. In vivo brain imaging using a portable 2.9 g two-photon microscope basedon a microelectromechanical systems scanning mirror. Optics Letters34, 2309(2009)./pp　　11. Sawinski, J. et al.Visually evoked activity in cortical cells imaged in freely moving animals. Proceedings of the National Academy ofSciences106, 19557-19562(2009)./pp　　12. Zong, W. et al. Fasthigh-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freelybehaving mice. Nat Methods (2017)./pp　　13. Keller, P.J.,Schmidt, A.D., Wittbrodt, J. & Stelzer, E.H. Reconstruction of zebrafishearly embryonic development by scanned light sheet microscopy. Science322, 1065-1069 (2008)./p

世博会徽标、招手的海宝、迎客的茶壶……在一个高2.8米、直径1.3米宛若水帘洞的圆柱体空间内，一件件上海世博会标志物栩栩如生地展现在人们眼前。没有观看角度的限制、无须佩戴特制眼镜，人们惊喜地体验到360度全景观看这些三维立体影像的璀璨感受。日前，由华东师大信息科学技术学院教授刘锦高课题组研发的“三维体扫描大型成像显示器”正式亮相，即将在世博会重大活动中使用。这一精准同步的光、机、电一体化高科技产品将引领人们感受真正的三维立体效果。　　首创“旋转真三维”显示系统　　真正的三维立体效果，是将物体的长度、宽度、深度(厚度)直观地进行再现。由于条件限制，多数三维立体效果在深度的展示上都有所欠缺，即使是观看3D电影，有时还是会受到观察角度的限制，无法完全享受身临其境之感。然而，华东师大研发的这套全新的三维体扫描电子系统的核心部件由数十枚32位CPU组成，它们的运算能力远胜一般的多核计算机。它将立体对象提取出不同的切面、切片进行显示，利用扫描在三维空间的体像素构成了立体图像，展示了一个最接近真实物体的立体画面。这套拥有水平与垂直视角的全角光场立体显示器，满足了水平视差与垂直视差的观看要求，再现人们观察世界的真实感受，并获得高亮璀璨的显示效果，从而带给人们质感的3D影像。　　刘锦高课题组此次研制大型体扫描显示器仅用了短短几个月的时间，克服了一系列困难。目前，课题组已成功研制了一套大型显示系统及一套备份系统。显示器的首度公开亮相，标志着一种全新的大型立体显示方式的诞生。它突破了以往裸视三维立体显示技术(例如LCD、PDP技术等)需要借助二维平面来展现三维影像的瓶颈，通过对物体进行旋转扫描，将图像置于一个真实的立体空间，实现了真正意义上的三维立体显示。该研发工作得到了上海市科委的大力支持。　　刘锦高表示，此套系统是我国自主研发的产品，属世界首例，拥有完全的自主知识产权。　　探索计算机图形学新领域　　“目前的计算机图形学主要基于平面光栅扫描理论。而这套新系统的研发为计算机图形学向三维体扫描方向的发展奠定了基础。”刘锦高告诉记者，三维体扫描大型成像显示器的研制成功，突破了传统计算机图形学理论，为图形扫描理论和技术的发展开辟了新的研究方向，并提供了有力的实例论证。　　他表示，目前，体扫描计算机图形学还处于探索阶段，仍有许多问题需要进一步细化研究。“这对于我们科技工作者来说，意味着新的一轮挑战。”　　力拓技术应用的崭新境界　　这套显示系统在军事训练、医疗诊断、数据可视化、工程产品设计、景观建筑、视频游戏、虚拟现实、多媒体教学等方面具有广阔的应用前景。　　“就以医疗诊断来说，我们通过CT、核磁共振获取的人体或器官扫描影像本来可以提供三维数据，但由于三维成像显示技术尚未成熟，目前只能以胶片或其他介质的二维形式来显示，需要有经验的医学专家才能判读，增加了诊断的难度。若将这些数据通过三维体扫描显示器来再现，就会有超乎想象的突破。再如，关于航天飞机的设计，我们可以在任何部件的设计改进之后马上显示其整体效果。”刘锦高如数家珍般给出不少例子。

分辨率是扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM)基本的性能判断指标，对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离；对微区成分分析而言，它是指能分辨的最小区域。分辨距离或区域越小，性能越好，分辨率越高。一般来说，扫描电子显微镜的分辨率可能会受到以下因素的影响：一、入射电子束束斑直径该项指标决定了扫描电镜分辨率的极限，一般场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。二、入射电子束在样品中的扩展效应扩散程度取决于入射束电子能量的高低和样品原子序数的大小。入射束能量越高，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大，产生信号的区域随电子束的扩散而增大，从而降低了分辨率。三、调制信号分辨率与信号本身的能量和信号取样的区域范围相关，以二次电子为调制信号为例。当二次电子为调制信号时，由于其能量低(小于50 eV)，平均自由程短（10~100nm左右），只有在表层50～100nm的深度范围内的二次电子才能逸出样品表面，发生散射次数很有限，基本未向侧向扩展，因此，二次电子像分辨率约等于束斑直径，即扫描电镜分辨本领的极限。除了上述因素以外，图像分辨率还和工作条件密切相关，加速电压、束流束斑、工作距离、光阑大小、明暗对比度、探测器的选择等都会影响成像质量。例如，不管任何电镜、任何电压束流条件，都是工作距离越近，分辨率越好。不过工作距离越近，操作越危险，需要操作者谨慎操作避免试样碰撞极靴；且工作距离越近，试样允许的倾转角度也会受到更大的限制。由此可见，作为一种精密科学仪器，扫描电镜的使用是有较高操作要求的。而为了降低使用门槛，纳克微束FE-1050系列扫描电子显微镜进行了针对性的改进。一方面，在新一代电子光学镜筒的加持下，FE-1050系列展现出低电压、高分辨的卓越性能，达到1.5nm@1kV的国际先进水平；另一方面，FE-1050系列还配备了27个端口拓展以及宽大的主真空舱室，能够轻松应对各类成像、分析需求。当下，加快尖端科研仪器装备的国产化替代已成为实现高水平科技自立自强的重要工作，为强化战略科技力量，近期国家陆续出台多个相关政策，设立综合性国家科学中心、西部科学城等多个重大科技专项并推动其建设，以实现关键核心技术的加速发展。纳克微束作为央企科研国家队积极响应国家号召，致力于推动中国显微技术行业高质量发展，助力我国科学与技术硬实力提升。未来，纳克微束将陆续在全国各地布局演示中心，进一步探索材料科学、半导体、新能源、生命科学等前沿科技领域的应用场景，推动国产扫描电镜行业的高质量发展。转载文章均出于非盈利性的教育和科研目的，如稿件涉及版权等问题，请立即联系我们，我们会予以更改或删除相关文章，保证您的权益。

2021年9月14日，“吉林一号”卫星拍摄的内蒙古自治区景色卫星遥感正成为国际认可的新一代全球碳盘点方法——碳从哪里排放？减了多少碳？还有多少排放需要中和？相比传统方法，卫星遥感具有客观、连续、稳定、大范围和可重复观测等优点。迄今，日本、美国和中国已相继发射了具备大气二氧化碳浓度观测能力的卫星。2016年12月22日，我国首颗碳卫星、全球二氧化碳监测科学实验卫星在酒泉卫星发射基地发射升空并在轨运行，成为国际上第三颗温室气体监测卫星。随后，2018年5月9日，我国再次成功发射高分五号卫星，搭载的温室气体监测仪GMI的主要功能是定量监测二氧化碳和甲烷的全球浓度分布变化。今年4月，我国使用长征四号丙运载火箭成功发射大气环境监测卫星，以激光监测二氧化碳浓度变化；8月又成功发射“句芒号”卫星… … 仰望星空，这一颗颗卫星，成为助力碳中和的科技力量。“句芒号”上天2022年8月4日11时8分，我国在太原卫星发射中心使用长征四号乙遥四十运载火箭，成功将陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”送入预定轨道。句芒，是我国古代民间神话中的木神、春神、东方之神，主管树木的发芽生长，象征对自然环境的敬畏与责任。卫星发射前，国家航天局新闻宣传中心与国家林业和草原局宣传中心、中国空间技术研究院等单位联合组织发起了陆地生态系统碳监测卫星征名活动。“句芒”“青绿”“寻木”“烛龙”“神农”… … 每一个网友投稿的名称和其背后的释义都饱含大家对绿色生态环境的渴望和对中华传统文化的喜爱。最终，“句芒”从近5000个投稿中脱颖而出。“句芒号”是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，能够实现对森林植被生物量、气溶胶分布、叶绿素荧光等的高精度定量遥感测量，进而计算出森林碳汇，即“森林植被吸收并存储的二氧化碳量”。过去，林业局要摸底森林碳汇，只能用传统的监测手段：森林调查员深入山林，依次测量每棵树的高度和树木胸径，再算出碳汇。这种测量数据更新不会很及时，通常一个季度更新一次。国家航天局公布的信息显示，“句芒号”卫星在轨运行后，可提高碳汇计量的效率和精度，转变传统的人工碳汇计量手段。“句芒号”卫星运行于高度为506公里、倾角97.4度的太阳同步轨道，通过综合遥感手段实现植被生物量、大气气溶胶、植被叶绿素荧光等要素的探测和测量，将广泛应用于陆地生态系统碳监测、国家重大生态工程监测评价、大气环境监测和气候变化中气溶胶作用研究等工作。2020年9月，我国在第75届联合国大会上正式提出，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“句芒号”成功上天后，国家航天局表示，该卫星将为我国实现碳达峰、碳中和提供遥感力量，提高我国应对全球气候变化的话语权和主导权。准、全、细、精作为“句芒号”卫星的研制团队，航天科技集团五院表示，研制团队创新性地将天基测绘“激光雷达+光学相机”为代表的主被动联合观测手段应用到森林监测中。植被高度、植被面积、叶绿素荧光和大气PM2.5含量是计算森林碳汇能力的核心数据。为精准监测森林碳汇，“句芒号”卫星配置了多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪和多角度偏振成像仪等4种载荷，以支持获取上述数据，并确保数据“准、全、细、精”。为确保植被测高结果“准”，“句芒号”利用多波束激光雷达进行植被测高。这是一个抽样测量的过程，通过计算激光到树冠以及地面的时间差得出树木的高度，而卫星一次测量发射出激光的光束数量、频次决定着测量精度。为最大程度提升植被测高的数据精度，研制团队通过数据反演、仿真分析、应用测试，最终使植被测高精度大幅提升。为确保获取植被面积“全”，准确还原森林茂密程度，研制团队为卫星设计安装了5个多光谱相机，实现对地5角度立体观测。同时，为了避免植被阴、阳面光线影响，研制团队创新性提出月球定标方法，确保5角度成像光谱响应一致。实现这些能力后，5角度多光谱相机就能帮助“句芒号”绘制一幅“立体”植被分布图。叶绿素荧光制图是“句芒号”卫星实现高精度监测的重要环节。由于叶绿素荧光的能量非常小，仅有约0.5%到2%以荧光的形式发射出来，为提升叶绿素光谱探测精“细”程度，研制团队为“句芒号”卫星设计配置了超光谱探测仪，创新性使用了光栅分光原理，将光谱分辨率较传统探测仪提升了10倍，实现了国际首次0.3纳米精细探测，能够探测到人眼所看不到的太阳光明暗细微变化。为实现大气校正数据“精”，研制团队为“句芒号”卫星配置了偏振成像仪，支持35个角度监测大气PM2.5含量，获取大气横向PM2.5含量信息。此外，研制团队还增配了大气激光雷达，用于获取大气纵向PM2.5含量信息。一横一纵，就将数据结果由二维变成了三维立体信息，更加精准。数据应用是重头2020年，《巴黎气候变化协定》通过五周年之际，联合国秘书长安东尼奥古特雷斯撰文呼吁：“每个国家、城市、金融机构和公司都应采取净零排放计划，从现在做起，走上实现这一目标的正确道路，即到2030年全球温室气体排放量比2010年的水平减少45%。”中国工程院院士、清华大学碳中和研究院院长贺克斌近日表示，截至2021年底，全球已有136个国家提出了碳中和承诺，这一范围覆盖了全球88%的二氧化碳排放、90%的GDP和85%的人口。不过，确定温室气体减排的情况，以及确定各国承诺的减排指标是否达到并不容易。有几个问题亟待弄清：大气中温室气体的总量是多少？属于人为排放的有多少？各个国家的排放量是多少？将每一项减碳措施的效果、剩余碳排放、如何实现碳中和等明确化，将每一项减排贡献真实透明地测算出来，就是碳盘点的具体任务。“在轨运行只是第一步，如何利用卫星遥感进行准确有效的监测、获取高质量数据、对数据进行科学解析以及数据产品的应用等环节才是重头戏。”中国科学院大气物理研究所碳中和研究中心副研究员杨东旭撰文称。2021年，中国科学院大气物理研究所基于我国第一颗碳卫星——全球二氧化碳监测科学实验卫星的观测数据，发布全球碳通量数据集，标志着我国已具备全球碳收支的空间定量监测能力，可以助力盘点各地碳收支核算。事实上，早在2017年，我国宣布新一代静止轨道气象卫星“风云四号”和首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星的数据产品对全球用户免费开放，自那时起，我国成为继日本、美国之后，第三个可以提供碳卫星数据的国家。2021年7月16日，全国碳排放权交易在上海环境能源交易所股份有限公司正式开市。此前，我国已陆续启动七个碳交易试点，分别为深圳、上海、北京、广东、天津、湖北和重庆。“双碳”（碳达峰与碳中和的简称）成为全球热点后，碳交易随之升温。中投协咨询委绿创办公室副主任郭海飞称，2021年，全球主要碳市场交易额达到7600亿欧元，相比2020年增长164%。其中，欧盟排放交易体系以6830亿欧元占据全球交易额的约90%。就国内而言，“随着未来石化、化工、建材、钢铁、有色、造纸、航空、建筑等行业纳入到全球统一的碳交易市场，我国碳交易市场规模可能会超过数万亿元人民币。”郭海飞说。但市场不会一蹴而就。碳数据方案提供商行星数据CEO白纯钰公开表示，为了碳交易而购买碳数据的客户，很在意是否可以按照需求监测和分析交易的碳资产，比如最近三个月全国森林碳汇的整体变化情况——这需要卫星配套的数据反演软件快速处理各种需求。“国家队卫星的数据用户往往是国家级的科研单位，其需求主要瞄准更宏观的全球变化研究或国家层面需求，这和市场上的商业化应用很多时候并不完全匹配，这也导致没有发射能力的卫星数据应用公司即使拿到这类数据之后，可以施展的空间尚非常有限。”白纯钰称，伴随市场的成熟，对碳数据的需求必将更大，而卫星也将在实现“双碳”目标的进程中发挥更大作用。

今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　在南京脑观象台投入使用的微型化双光子显微镜成像系统。　　“第三次双光子显微镜测试顺利结束！”　　“无比完美！”　　“这一次的曲线如此丝滑！”　　……　　4月1日上午，中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授程和平的微信对话框，被同事们发来的这些评论不断刷新。而在中国航天员科研训练中心内，掌声此起彼伏。让大家欢欣鼓舞的，是中国空间站再次传来的好消息。　　当日，神舟十五号航天员乘组，使用空间站双光子显微镜进行成像测试。他们用探头轻轻掠过脸部和前臂，一旁的电子屏幕上立即显示出皮肤结构及细胞的三维分布影像。　　这不是显微镜第一次在轨成像测试。今年2月上旬，神舟十五号航天员乘组使用空间站双光子显微镜，开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中，使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。　　“如果能从这些图像中发现空间环境中人体变化规律，就更好了！”程和平捧着手机与记者分享这些科学图像时说。　　只有了解程和平团队十年来经历的艰难曲折，才能体会这些图像的来之不易。2013年，程和平带领团队开启微型化双光子显微镜研究时，“全世界都不看好”。　　历经10年，该团队完成了从科研仪器技术创新，到技术产品化，再到技术服务平台化的跃迁。他们将中国带到全球大脑成像研究的前沿，让微型化双光子显微镜在中国的高校院所、企业得到推广应用，为脑科学研究搭建起重要实验平台、提供了海量数据支持。　　程和平希望，用微型化双光子显微镜拓展人类对脑宇宙的认知疆域，为探索脑机接口原理、深化对大脑疾病机制的了解、推进药物研发开辟一片新天地。神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜（视频截图）　　一束光的启迪　　意识的生物学基础是什么，记忆是如何存储和恢复的……在世界各国的脑科学计划中，这些问题吸引着全球科学家们不断上下求索。　　在2021年国际权威学术期刊《科学》发布的125个最前沿的科学问题中，有22个问题与脑科学相关。　　双光子显微镜的出现，仿佛是照在生命科学研究领域的一束光。　　1992年，程和平用世界上第二台双光子显微镜，首次实现了心肌线粒体成像。　　“双光子显微镜，是用两个光子同时激发同一个荧光分子的光学成像技术。它具有天然的光学断层扫描效果，能看到的组织深度更深，成像的清晰度更高，像一个高性能的X光机。”程和平说，与单光子显微镜相比，双光子显微镜看得准、看得深、光损伤小。但传统的台式双光子显微镜非常笨重，足有房间那么大，所以只能观察头部固定的动物或者动物的脑切片。　　研究一款微型化双光子显微镜，观察自由行走的小动物脑袋中的一颗颗神经元的动态变化，成为程和平藏在心底的一个梦想。　　一个梦想的点燃，有时只需一个使命的召唤。　　2013年，国家自然科学基金委员会启动了国家重大科研仪器研制项目。程和平带队申请了“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”项目。　　那一年，美国启动“创新性神经技术推动的脑计划”，欧盟启动了旨在建立大型脑科学研究数据库和脑功能计算机模拟平台的“人脑计划”。　　而此前，我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中，已把“脑科学与认知”列入基础研究8个科学前沿问题之一。　　“中国科学家只有用自己研发的观测仪器，做出原创性的脑科学成果，国际科学界才会认可。我们希望研制一款成像仪，率先让中国科学家用起来。用国外的仪器做研究，都是在别人建设的四梁八柱上做文章。”程和平用使命必达的决心来筹备项目的启动。　　一场跨越山海的探索　　想实现双光子显微镜在自由活动的动物体上的高清成像，必须为它“瘦身”。　　然而，极大的技术难度，让团队一度面临质疑。程和平向科技日报记者坦言，7200万元的投入“相当于一吨百元大钞”，究竟能不能收获一个看得见的未来，大家当时心里很忐忑。“那时世界多国尝试微型化双光子显微镜的研制，但都没有实质性突破，尝试十几次都无疾而终。”他说。　　程和平所言非虚。2008年，瑞士有课题组公布了他们的微型双光子系统，仅重0.9克，并实现了大鼠在体钙成像信号。但其空间分辨率极低，也未实现真正的自由运动下的成像。　　2009年，德国有课题组展示了它们的微型双光子系统，其理论分辨率接近大型的双光子显微镜。但其探头较重，扫描速度很慢。　　程和平身后，有一支不同寻常的团队，团队中有人研究超快激光器，有人专攻高速电路，有人擅长图像处理，有人能做大数据分析……然而，研究起步阶段，团队中无人具备研制系统性科研设备的经验，技术路线也不确定。　　“怎么办？只有一点点地认真做。”程和平给团队立下军令状。　　在项目开始的前两年，大家争分夺秒地汲取多学科的营养。在北京大学分子医学研究所300平方米的大仪器联合实验室里，来自机械、光学、生物、电路等研究领域的师生汇聚在一起，交流切磋。每周六上午的集体学习，大家分享一周行业动态，介绍各自研究进展。同时，大量的国内外顶尖专家被邀请来作报告。　　引进来的同时，团队也频频走出去。仅2014年，他们就涉足美国、俄罗斯、澳大利亚、西班牙。每去一个地方，大家都会在当天晚上写好总结，发给团队共同学习。空间站双光子显微镜对航天员皮肤表层成像。　　一场持续十年的攻关　　2017年，团队终于迎来了振奋人心的进展。　　在如今北京大学膜生物学国家重点实验室设备研发平台内，一个只有拇指大小、重约2.2克的显微镜探头，被珍藏在实验室深处——这是团队于2017年成功研制的第一台微型化双光子显微镜的核心部件。　　这台显微镜可以实现高时空分辨微型化成像，能实时记录数十个神经元、上千个神经突触动态信号。这些突破性的进展，使其入选2017年中国科学十大进展。　　4年后，该团队推出微型化双光子显微镜的2.0版本，其成像视野扩大到初代显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能力，获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像。　　今年2月，团队又发布了他们研制的微型化三光子显微镜。该显微镜能直接透过大脑皮层和胼胝体，首次实现对自由行为中小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，神经元钙信号最大成像深度可达1.2毫米，血管成像深度可达1.4毫米。　　致广大而尽精微。10年，微型化双光子显微镜完成了从高清成像，向更广、更深成像的科研布局。然而，这在研制一款“大国重器”的探索之旅中，也许仅仅是开始。　　2016年，当第一代微型化双光子显微镜的研究即将“破土”时，一个声音再次在程和平脑海里回响，“如果投入‘一吨百元大钞’，只是交付3台显微镜，性价比太低了。应该先让中国科研院所、企业的实验室用起来，做出领先国际的研究，再向国际市场推广。”　　让程和平下定决心办公司的，还有3年来培养起来的一支团队。“国家投入这么大，让我们长了一身本事，项目结题后如果团队散了就太可惜了。”程和平说。　　办公司让研究成果产品化，成为程和平团队的共识。2016年，程和平团队创立了北京超维景生物科技有限公司（以下简称超维景）。　　一个新时代开启了。　　一场自立自强的产业突围　　当科学技术的光芒照进产业，不仅砥砺技术创新的成色，也可以点亮一片“暗夜”。要将高端精密科研仪器产品化，元器件的可靠性、稳定性必须过硬。　　微型物镜，是微型化双光子显微镜的关键核心零部件。团队核心成员、北京大学未来技术学院特聘副研究员吴润龙记得，最初做原理样机时，团队从国外一家公司进口微型物镜。　　但当团队进入显微镜产品化阶段后，对方的发展战略也发生变化。“对方要求我们购买他们合作伙伴的单光子显微镜系统，物镜不再单独售卖，而这个系统的价格要100多万元。代价太大，我们不能被‘卡脖子’。”吴润龙说，自此，团队开始自行设计高数值孔径的微型物镜，并联合国内企业加工，在超维景进行装配和测试。　　自胜者强。2018年，赵春竹到北京大学未来技术学院做博士后研究，为助力物镜的自主研发按下了快进键。　　“经过三代技术攻关，我们已经掌握了高端物镜的设计技术。但在自主设计、加工的基础上，还要形成高精度自主装配的流程和方法。微型物镜由多个镜片叠加而成，每片直径约3毫米，最初我们将所有的镜片一起装配完后，统一调试，但发现精度相差太大。后来，我们优化了装调工艺，每安装一片镜片，都用仪器检测光轴偏移量、焦距等参数。由于物镜直径太小，一开始，调整几微米的误差，都要耗时一两天。”赵春竹回忆，最艰难的时候，大家几乎绝望。但抱着不破楼兰终不还的信念，大家几微米几微米地死磕，想办法迭代技术，最终攻克了高端微型物镜装配技术。　　光纤是显微镜微型化的另一个瓶颈。团队成员、北大电子学院副教授王爱民设计了一款蜂窝状的空芯光子带隙光纤，让激光通过光纤传输到微型化探头的过程中，脉冲不发生畸变、能量几乎不损耗，以有效激发小动物体内的荧光分子。　　但让王爱民措手不及的是，设计方案有了，国内却没有厂家能生产这种光纤。“我们最初找了一家外国公司订制。但一年后，这家公司提出翻番的价格，每米光纤的价格接近万元，仅光纤的成本就增加了几百万元。”他回忆说，团队被“逼上梁山”，转而联袂上海光机所的一位青年学者一起摸索加工工艺，进行国产化。　　在北京大学未来技术学院教授陈良怡看来，科研仪器国产化过程中的突围，也将带动应用基础研究与产业发展“双向奔赴”。　　“我们的论文发表后，很多技术被公开了，但很多人做重复实验时无法再现，是因为加工中有很多细节问题难以解决，这些细节在学术论文中也难以呈现。”陈良怡说，如果想将这款显微镜尽快用起来，就要将科研成果产品化，带动产业的发展。而产品化的过程，也促使他们思考，如何用成像技术推动神经科学、脑科学乃至整个生命科学基础研究的发展。　　目前，超维景研制的微型化双光子显微镜已服务了150余家国内实验室，年平均销售额达5000万元。今年，公司还将拓展国际市场。　　一项世界首创的应用　　10年前项目启动时，程和平抱着“从幼儿园开始读一个博士学位”的心态，研制微型化双光子显微镜。　　时光浩荡向前，多年的厉兵秣马是否能支撑国家重大战略需求？团队将答卷写进宇宙苍穹。　　2019年，在中国载人航天工程办公室大力支持下，程和平团队、中国航天员科研训练中心李英贤团队、北京航空航天大学冯丽爽团队联合相关企业及院所，组建了空间站双光子显微镜项目团队，由程和平担任总负责人。　　“中国要发展载人航天、要研究生命科学，太空是一个难得的实验室。在失重环境下，人体细胞是如何完成新陈代谢的，大脑的神经元又将发生什么变化，都是很好的研究课题。双光子显微镜成像深度深，可以帮助我们逐层扫描、分析航天员的细胞结构和代谢成分信息。”程和平说。　　2022年9月，空间站双光子显微镜研制成功。当年11月12日，空间站双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站，成为世界首台进入太空的双光子显微镜。　　今年2月上旬的一天，空间站双光子显微镜终于开机。坐在中国航天员科研训练中心看到航天员操作画面传回，程和平松了一口气：“终于成功了。”　　消息传来，整个团队沸腾了。“这辈子能做这么一件事情，值了！”王爱民至今回忆起来仍激动不已。　　鲜为人知的是，为了达到航天应用的标准，显微镜经历了一次次蜕变。　　精密的显微镜，要能承受飞船发射时的剧烈振动，这要求它足够抗振。“最初，激光器的核心部件被振得粉碎。”北京大学未来技术学院助理研究员王俊杰记得，为了让显微镜“强健筋骨”，他们将激光器的核心部件设计为固态结构，以增强激光器的机械强度，同时在激光器外部增加了减震装置，相当于给其上了一层保险。　　超维景的团队也参与进来。超维景超快激光事业部经理陈燕川介绍，他们将激光器核心部件置于-40℃至80℃的温度下循环试验，使部件在短期内反复承受极端高低温变化应力以及极端温度交替突变的影响，以排查隐患。为了确保万无一失，团队还制作多组关键部件样品，进行加量级、破坏性的振动冲击试验，保证显微镜能满足航天发射环境各种极端条件的挑战。　　最终，团队实现了多项突破：首次在轨验证实验实现了世界上首次双光子显微镜在轨正常运行，国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行，国际上首次在轨、在体观测航天员细胞结构和代谢成分信息。　　一个梦想的启航　　从突破理论研究瓶颈，到试水产业蓝海，再到支撑国家重大战略需求，程和平团队将科技创新的底色写在从技术创新到产业应用的跃迁中。如今，一个更宏大的构想正在渐次舒展。　　在南京江北新区，成立近4年的北大分子医学南京转化研究院（以下简称转化院），已搭建起高端脑成像的公共技术服务平台“南京脑观象台”。后者可以提供微型化双光子显微镜、超灵敏结构光超分辨显微镜及高速三维扫描荧光成像系统等设备，帮助科研团队获得从大脑突触、神经元集群、神经环路，再到全脑水平的全景式脑功能成像。　　科研团队的身后，还有一群人与他们并肩作战。　　几乎每天，实验员陈雪莉都要为小鼠注入观测所需的荧光蛋白，对小鼠进行行为训练。　　当她为小鼠戴上显微镜探头后，一旁的屏幕上会立即呈现出小鼠大脑的钙活动影像。　　“脑观象台有一支技术团队。对于遴选通过的研究项目，技术团队会与科研团队一起制订实验计划，为学者们制备、训练小鼠，采集小鼠的脑活动成像数据，再将小鼠的行为学数据和脑活动数据匹配，供科研人员分析小鼠在表现出某种行为时，大脑发生了什么变化。”转化院副院长赵婷解释，脑观象台希望将学者们从繁琐高难的实验技术细节中解放出来，加速从理论设想到实验发现的进程。　　凭借南京脑观象台成像技术的支持，科学家们已经开始收获惊喜、成果迭出：小鼠有喜新厌旧的行为，而孤独症小鼠却存在这一行为缺陷；清醒状态下小鼠癫痫发作时，神经元异常放电……　　赵婷介绍，如今，脑观象台已经服务了100多家单位的180余个课题组，开机时间累计超过2万小时。脑观象台与江北新区联合发起的两期“探索计划”，也已累计支持48项课题研究。　　十年春华秋实。一颗在未名湖畔种下的种子，如今正在千里之外的扬子江畔落地生根、开枝散叶，荫泽全国的脑科学、神经科学等领域的研究。　　40多年前，少年程和平曾在他的笔记本上写下带有科幻色彩的理想——“做一款思维记录器”。　　跨越万水千山，如今，理想照进现实，中国脑科学研究风华正茂。

▲图 | 太赫兹扫描隧道显微镜系统（来源：资料图）太赫兹，是介于远红外和微波之间的电磁波，具有光子能量低、穿透性好等特点，在高速无线通信、光谱学、无损伤成像检测和学科交叉等领域具备广泛应用前景，被誉为“改变未来世界的十大技术”之一。简单来看，太赫兹扫描隧道显微镜系统就是一个超快摄影机，只不过它要观察和拍摄的对象是分子和原子世界，并且拍摄的帧率在亚皮秒量级。对于非线性太赫兹科学来说，控制太赫兹脉冲的“载波包络相位”，即激光脉冲的载波与包络之间的关系至关重要，特别是用于超快太赫兹扫描隧道显微镜时。太赫兹载波包络相位移相器的设计和实现，在利用太赫兹脉冲控制分子定向、高次谐波生成、阈上电离、太赫兹波前整形等领域，均具备潜在应用价值。（来源：Advanced Optical Materials）1. 为调控太赫兹的载波包络相位提供新方案据介绍，王天武在中科院空天信息研究院（广州园区）-广东大湾区空天信息研究院担任主任和研究员等职务，研究方向为太赫兹技术。目前，其主要负责大湾区研究院的太赫兹科研队伍建设。该研究要解决的问题在于，常规探测手段只能得到静态的原子形貌图像，无法观察物质受到激发，例如经过激光辐照后的动态弛豫过程图像，即无法观察到激子的形成、俄歇复合、载流子谷间散射等过程，而这些机理的研究，对于凝聚态物理学包括产业化应用都非常重要。原因在于，这些动力学过程发生的时间尺度，往往都在皮秒量级，即万亿分之一秒的时间，任何普通调控手段均无法达到这一时间量级。利用飞秒脉冲激光技术，能显著提高扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）这一扫描探针显微术工具的时间分辨率。但是，目前仍受到多种因素的限制，比如样品和针尖制备困难、针尖的电容耦合效应、脉冲光引起的热膨胀效应等。太赫兹的脉冲宽度位于亚皮秒尺度，其电场分量可被看作一个在很宽范围内、连续可调的交流电流源。因此，将太赫兹电场脉冲与 STM 结合，利用其瞬态电场，即可作用于扫描针尖和样品之间的空隙，从而产生隧穿电流进行扫描成像，能同时实现原子级空间分辨率和亚皮秒时间分辨率。如前所述，太赫兹扫描隧道显微镜系统好比一个超快摄影机。但是，太赫兹电场脉冲和 STM 的实际结合过程，却并非那么简单，中间要攻克诸多难题。其中一个最基础的重要难题，在于太赫兹源的相位调控技术。太赫兹扫描隧道显微镜系统是利用太赫兹激发针尖尖端和样品之间的空隙，来产生隧穿电流并进行采样。不同相位太赫兹源的电场方向不一样，这样一来所激发的隧穿电流的方向亦不相同。根据不同样品施加不同相位的太赫兹源，可以更好地匹配样品，进而发挥系统性能优势，借此得到高质量光谱。因此，通过简单高效的途径，就能控制太赫兹脉冲的载波包络相位，借此实现对于隧道结中近场太赫兹时间波形的主动控制，同时这也是发展超快原子级分辨技术的必备阶段。通常，超短脉冲的载波包络相位，必须通过反馈技术来稳定。除少数例子外，比如用双色场激光等离子体产生的太赫兹辐射源，大多数商业化设备产生的太赫兹脉冲的载波包络相位都是锁定的，例如人们常用的光整流技术生成的太赫兹脉冲。多个太赫兹偏振元件组成的复杂装置，可用于控制太赫兹脉冲的载波包络相位。然而，鉴于菲涅耳反射带来的损耗，致使其插入损耗很大，故无法被广泛应用。另外，在太赫兹波段，大部分天然材料的色散响应较弱、双折射系数较小，很难被设计成相应的载波包络相位控制器件，因此无法用于具有宽频率成分的太赫兹脉冲。与天然材料相比，超材料是一种由亚波长结构衍生而来的、具有特殊光学特性的人工材料，其对电磁波的色散响应和双折射系数，均可进行人为定制。虽然超材料技术发展迅猛。但是，由于近单周期太赫兹脉冲的宽带特性，利用超材料对太赫兹脉冲的载波包络相位进行控制，仍是一件难事。为解决这一难题，王天武用超材料制备出一款芯片——即柔性太赫兹载波包络移相器，专门用于控制太赫兹脉冲的载波包络相位。该芯片由不同结构的超材料阵列组成，可在亚波长厚度和不改变太赫兹电场极化的情况下，实现对太赫兹载波包络相位的消色差可控相移，其对太赫兹脉冲的载波包络相位的相移调制深度高达 2π。相比传统的太赫兹载波包络相位移相器，该移相器具有超薄、柔性、低插损、易于安装和操作等优点，有望成为太赫兹扫描隧道显微镜系统的核心部件。近日，相关论文以《基于超材料的柔性太赫兹载波环移相器》（Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials）为题发表在 Advanced Optical Materials 上，李彤和全保刚分别担任第一和第二作者，王天武和空天信息创新研究院方广有研究员担任共同通讯作者。▲图 | 相关论文（来源：Advanced Optical Materials）审稿人认为：“此研究非常有趣、简明扼要，研究团队完成了一套完备的工作体系。该芯片的设计和实现，为调控太赫兹的载波包络相位提供了新的解决方案。”2. 建立国际领先的太赫兹科学实验平台据介绍，王天武所在的研究院，围绕制约人类利用太赫兹频谱资源的主要科学问题和技术瓶颈，致力于形成一批引领国际的原创性理论方法和太赫兹核心器件技术，以建立国际领先的太赫兹科学实验平台。他说：“太赫兹扫描隧道显微镜是我们院的一大特色，该设备摒弃了此前施加电压的方式，以太赫兹为激发源，去激发探针尖端和样品之间的间隙，从而产生隧穿电流并进行成像。相关技术在国内属于首创，在国际上也处于领先水平。”在诸多要克服的困难中，太赫兹载波包络相位的调制便是其中之一。入射太赫兹的相位大小对激发的隧穿电流的幅值、相位等信息影响甚大，是提高设备时间和空间分辨率必须要解决的重要问题之一。由于设备腔体比较长，并且腔体内部为高真空环境，与外界空气是隔绝的。传统的太赫兹相位改变方式比较难以实现，因此需要研发新型的相位调制器件。而该课题立项的初衷，正是希望找到一种结构简单、但是对太赫兹载波包络相位调制效率高的方法和装置，以便更好地服务于太赫兹扫描隧道显微镜系统。在文献调研的初始阶段，该团队商定使用超材料来制作太赫兹相位调制器。具体来说，其利用特定的金属分裂环谐振器的几何相位、以及共振相位，来控制太赫兹脉冲的载波包络相位值。之所以选择金属分裂环谐振器作为基本相控单元，是因为在一定条件下，它对太赫兹具有宽谱响应。当任意方向的线偏振波与谐振器耦合时，入射电场分量可映射到平行于谐振器对称轴和垂直于谐振器对称轴，借此可以激发谐振器的对称本征模和反对称本征模。此时，通过改变金属分裂环谐振器的几何相位和共振相位，散射场的某一偏振分量的电场相位会相应延迟，大小可以轻松覆盖 0-2π。但是，由于存在电偶极子的双向辐射，导致金属分裂环谐振器存在明显的反射和偏振损耗。为此，课题组引入了一对正交的定向光栅，利用多光束干涉的方式解决了谐振器插入损耗大的问题。随之而来的另一难题是，由于正交光栅的存在，导致入射波和透射波之间的电场偏振始终是垂直的，在太赫兹扫描隧道显微镜系统的工作中，这是不被允许的。好在样品均是由互易材料制成的，于是这一问题很快迎刃而解。随后，该团队采用常规紫外光刻、电子束沉积以及聚酰亚胺薄膜上的剥离技术，制备出相关样品，并利用太赫兹时域光谱系统，对所制备的样品性能进行表征。当入射的太赫兹脉冲，依次被样品中不同的微结构阵列调制时，研究人员通过太赫兹时域光谱测量，清晰观察到了太赫兹脉冲的时间波形的变化，且与仿真结果十分吻合。此外，课题组还在广角入射和大样品形变时，验证了该样品的鲁棒性。总而言之，该成果为宽带太赫兹载波包络相位的控制，提供了一种新型解决方案，并在不改变太赫兹电场极化的情况下，利用“超材料”在亚波长厚度的尺度上，实现了针对宽带太赫兹载波包络相位的消色差可控相移。关于这一部分成果的相关论文，也已发表在《先进光学材料》期刊。（来源：Advanced Optical Materials）据介绍，此次芯片能把太赫兹的相位最高移动至 2π 大小，并且具有大的光入射角度和良好的柔韧性等优点，在太赫兹扫描隧道显微镜系统，以及其他相关领域有较高的应用价值。但是，该芯片目前仍存在一个缺点，即无法做到太赫兹载波包络相位的连续调制。这是由于，采用的金属分裂环谐振器是单次加工制成的，所能调制的几何相位和共振相位已经确定，无法再被人为改变。因此，使用过程中只能通过加工特定结构的芯片，来实现所需相位的调制。未来，该团队打算将当下比较热门的二维材料、相变材料、液晶材料等材料集成到芯片中，这些材料的优势在于光学性能可被人为改变。同时，其还将综合电、光、热等手段，实现金属分裂环谐振器几何和共振相位的主动控制，从而实现对太赫兹脉冲的连续载波包络相位调制。此外，课题组也会继续优化微加工工艺和原料制备流程，进一步提升芯片的综合性能指标，比如器件的低插入损耗、高工作带宽等，同时也将降低制造成本，以便后续的产业化推广。

近年来，光学成像技术如荧光分子成像、光声成像和生物发光成像等广泛应用于小动物活体成像。同时，多模态成像技术的兴起将多种成像技术结合，为小动物活体成像提供了更精确和信息丰富的工具。为帮助广大用户及时了解小动物活体成像前沿技术、产品与整体解决方案，仪器信息网特别制作【小动物活体成像技术创新突破进行时】专题，并策划“小动物活体成像技术”主题征稿活动，以期进一步帮助广大用户从多维度深入了解小动物活体成像技术应用、主流品牌、市场动态以及相关内容。本期约稿特别邀请超维景生物科技有限公司研发总监胡炎辉，就小动物活体成像技术发展、市场规模及未来趋势进行分享，并就超维景生物科技在面对小动物自由运动活体成像瓶颈取得的突破性进展。 本期嘉宾：胡炎辉，超维景生物科技有限公司 研发总监 胡炎辉，超维景生物科技有限公司研发总监。2018年毕业于北京大学，电路与系统专业，曾参加基金委国家重大仪器专项，负责逻辑控制、微弱信号探测及系统设计，在激光扫描显微成像、微弱信号探测及高速信号处理等技术方向有着多年的积累。2017年至今，作为超维景核心创始团队成员之一，参与公司技术专利20余项，开发了新一代双光子成像处理平台，推出了科研、医疗等多款多光子产品，具有丰富的产学研融合开发及落地经验。——01—— 从单光子到多光子成像，推动活体成像技术发展在医学和生命科学研究的领域内，不断的革新和突破在成像技术方面是推进科学发展的关键，同时也是推动新的生物学发现和进步的重要引擎。其中，多光子成像技术通过激光与生物样本内的分子和原子相互作用产生荧光反应，以荧光显微的形式，允许我们以无损害的方式直接观察到组织的内部结构。尽管生物样本本身对光有较好的透光性，它们也具有强烈的散射特性。通常，细胞水平的高分辨成像技术在生物组织中的穿透深度“软极限”大约为1mm。不过，使用更长波长的激光可以减小对光的散射，并且增强穿透力。多光子吸收提供了一种非线性的荧光激活方法，其中双光子和三光子吸收的波长分别是单光子激发的两倍和三倍。与单光子相比，多光子成像可以实现几乎10倍的成像深度增强。这种非线性激发方法也带来了更高的信号-背景比及更优秀的层析成像能力。所有这些成像上的优势使得多光子成像特别适合用于复杂条件下的活体成像研究，成为一种在这些应用中非常重要的工具。Winfried Denk于1990年在康奈尔大学发明了世界上第一台双光子激光扫描显微镜。而自21世纪初以来，随着超快激光技术的突破及商业化，双光子显微成像技术迅速成为最广泛使用的活体动物成像方法。特别值得提及的，超维景的创始人程和平院士早在1992年就开始涉足双光子显微技术，成为最早的技术参与者之一，并致力于推广这一技术。历经近三十年的发展，双光子显微成像技术已变得在脑科学研究中不可或缺。尽管传统的台式双光子显微镜分辨率高，但它们体积庞大且重量重，需将实验动物固定或麻醉以完成成像，因此无法适用于自由活动的动物。微型单光子成像技术可以实现对自由活动的小鼠进行成像，但它在分辨率和对比度方面相对较低，难以达到亚细胞级别的分辨率和三维成像效果。——02——直面脑科学研究自主研发工具挑战，2.2克微型化双光子显微镜“轻装上阵”打造用于全景式解析脑连接和功能动态图谱的研究工具是当代脑科学的一个核心方向。针对如何在自由行为动物上绘制大脑神经元功能图谱的难题，超维景团队研发出了头戴式2.2克微型化双光子显微镜，首次实现自由活动小鼠大脑神经元和突触水平钙信号功能成像，为脑科学研究提供了革命性的新工具。这项技术解决了困扰领域近20年的挑战，显著领先于美国脑计划催生的微型化单光子技术，入选“2017年度中国科学十大进展”，并被评为Nature Methods“2018年度方法”。依托此技术建成“南京脑观象台”，为中国脑计划提供了“人无我有”的支撑平台；专利技术的产业转化实现高端显微成像装备自主创制的突破，完成对欧美国家的整机出口，累计实现销售额过亿元。通过技术拓展，研发了应用于人体的手持式双光子显微镜，在临床医学与航天医学中具有巨大的应用前景。为病理诊断技术带来一种全新的手段，成为临床疾病精准检查的重要工具。这项技术成果属于国家基金委重大仪器专项转化的科技成果，是国家在高端装备研发方向投入的典型产出代表。除了在脑科学、医疗应用领域的技术贡献之外，同时彰显了中国也可利用具有自主知识产权的国际领先的技术，实现在高端仪器方向的突破，提振了中国科学家在高端仪器装备方向的研究信心，并以此为核心技术来推动国内以及国际的科学研究大计划，对国内的脑科学研究领域也起到积极引领作用。——03——深耕小动物自由运动活体成像，持续提升核心竞争力超维景公司始创于2016年，公司核心力量来自北京大学院士创建和领导的多学科交叉团队，是一家专注于高端生物医学成像设备研发、生产和销售的国家高新技术企业。2017年，超维景核心团队成功研制仅2.2g的超高时空分辨微型化双光子显微镜，在国际上首次获取了小鼠在自由行为过程中大脑皮层神经元和神经突触活动的动态图像，被评为“2017年度中国科学十大进展”和《Nature Methods》“2018年度方法”（无限制行为动物成像），开启自由活动动物成像新范式，研究成果可应用于脑认知基本原理研究、脑重大疾病机理研究和脑疾病的药物研究，本技术进一步可应用于临床实时在体无创细胞级检测。部分获奖照片“微型化”是指将显微镜做到拇指大小，可以佩戴在小鼠头上，同时不影响小鼠的自由活动，进而观察小鼠在觅食、社交、睡觉等自主行为时大脑神经元的真实活动和功能连接。超维景的微型化显微镜体积微小，让小鼠能够“戴着跑”，实现了自由行为动物的清晰稳定成像，可用于在动物觅食、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，观察神经突触、神经元、神经网络等的动态变化，从而获取小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动的动态图像。2.2g微型双光子荧光显微镜2021年，团队的第二代微型化双光子显微镜将成像视野扩大了7.8倍，同时具备获取大脑皮层上千个神经元功能信号的三维成像能力，原始论文发表于《Nature Methods》。2023年2月，团队将微型化探头与三光子成像技术结合，成功研制微型化三光子显微镜，重量仅为2.17克，并在 《Nature Methods》 发表文章。一举突破了此前微型化多光子显微镜的成像深度极限，首次实现对自由行为小鼠的大脑全皮层和海马神经元功能成像，为揭示大脑深部结构中的神经机制开启了新的研究范式。 《Nature Methods》发表相关技术成果2023年2月，神州十五号航天员乘组使用由我国自主研制的空间站双光子显微镜开展在轨实验任务并取得成功，是目前已知的世界首次在航天飞行过程中使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮千层的三维图像，为未来开展航天员在轨健康监测研究提供了全新工具。图为神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜2023年12月，由超维景公司自主研发的在体双光子显微成像系统获批上市，是中国首个基于双光子显微成像原理的医疗器械。本次研发是首次实现脑科学技术跨学科助力皮肤检测的技术应用，将最前沿的双光子显微成像技术引入现代皮肤医学检测领域，实现“实时、无创、在体、原位、无标记”的高分辨率皮肤细胞及胞外组织三维成像，为患者和医生带来便利。——04——布局微型化多光子产品体系，开启自由行为动物显微成像新范式解析脑连接图谱和功能动态图谱是我国和世界多国脑计划的一个重点研究方向，但传统的多光子显微镜进行常规脑成像通常需要将动物的头部固定在台式显微镜上，这严重限制了模式动物的自由生理状态。为此需要打造自由行为动物佩戴式显微成像类研究工具。基于团队及技术发明，超维景已布局微型化多光子成像产品体系，并成功实现多款产品的产业化，包括SUPERNOVA-100一体式微型化双光子显微镜、SUPERNOVA-600集成式微型化双光子显微镜与SUPERNOVA-3000微型化三光子显微镜等，解决了困扰领域近20年的挑战，显著领先于美国脑计划催生的微型化单光子技术。超维景微型化多光子显微成像系列产品，可以在微观尺度上、不干扰自由运动动物行为的前提下，对大脑神经元和神经突触进行无创性观察和实时、动态成像，为研究神经科学、行为学、认知科学等多个领域提供了新的视角和手段，从而为脑健康研究开辟新的道路。树突棘成像 单树突棘级分辨率 神经元轴突与亚细胞结构成像 ——05——持续加码小动物自由运动活体成像系统“科研+临床”的广阔应用脑科学机理研究。大脑是一个极度复杂的器官，目前，各国脑科学计划的一个核心方向就是打造用于全景式解析脑连接图谱和功能动态图谱的研究工具。其中，如何打破尺度壁垒，融合微观神经元和神经突触活动与大脑整体的信息处理和个体行为信息，是领域内亟待解决的一个关键挑战。要想实现动物在体脑功能实时成像的研究，能够观察到整个皮层甚至更为深入的其他脑区，涉及到仪器开发、手术技术、生物研究等等不同的方面领域，技术挑战非常大。为了真正解密大脑的工作原理和流程，人们需要在对大脑神经元高分辨成像的同时，被观察者能够自由的正常活动，也就是最理想的脑功能成像需要被观察者在自由运动状态下进行脑功能观测。脑疾病机理研究。目前一些重要的脑疾病，如自闭症、精神类疾病、老年痴呆症等都是全世界的难题。以老年痴呆症为例，根据得病率统计，85岁以上老人中的 50%患有老年痴呆。预计到2050年，中国将有近1亿患者的生活需要照顾、需要医疗系统的救助，这是严重的社会负担。通过本技术对脑科学疾病研究，如果有新发现，对于老年痴呆症，就可能找到早期诊断的方法，早发现、早干预，把严重症状出现期从85岁延缓到95岁，社会负担就可以大大减轻，提高国民生活质量。神经药物筛选。微型化双光子显微镜不仅可以“看得见”大脑工作的过程，还将为可视化研究自闭症、阿尔茨海默病、癫痫等脑疾病的神经机制发挥重要作用。而此类疾病的药物开发，由于缺少快速直接的药效反馈手段，而大大受阻。微型化双光子技术的应用将极大的推动此类神经疾病药物的开发进程，为人类脑疾病的诊断和治疗提供新的手段。携手全球合作伙伴，携手共谋发展。微型化多光子成像系统已获得国内的上亿元订单，以及国外的数千万元订单。其中，国内用户包括北京大学、中科院上海神经所、中科院深圳先进技术研究院、复旦大学、上海交通大学、西湖大学、中山大学、华南理工大学、南京脑观象台等。国外用户包括加州理工、纽约大学、德国马普神经所、德国波恩大学、德国马普鸟类研究所等。未来，超维景将在多光子显微成像技术继续深挖“科研+临床”的广阔应用，这将作为神经探索领域的引路明灯，照见更多未知的领域。参考文献：• Zhao, C., et al. (2023). Miniature three-photon microscopy maximized for scattered fluorescence collection. Nat Methods, 2023 Apr 20(4):617-622.• Zong, W., et al., Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods, 2021. 18(1): p. 46-49.• Zong, W., et al., Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods, 2017. 14(7): p. 713-719.

p style="line-height: 1.75em "strong 现实窘境查出假农药，厂家不认账/strong/pp style="line-height: 1.75em "　　农药作为农业生产的必须投入品，与亿万民众的饮食安全息息相关。可以肯定地说，我国政府对于假冒伪劣和高毒禁用农药的立法很严、打击力度很大。“但农药行业监管却存在一个奇怪现象：每年抽查出的很多不合格农药产品，要追究责任时却找不到生产企业。监管部门找到包装上标注的生产企业，他说不是他生产的，是假冒伪劣产品。执法人员往往也无可奈何。”江苏辉丰农化股份有限公司董事长仲汉根说，其原因在于现在农药销售中不开发票、现金交易等现象普遍，没有溯源依据，政府难以监管。/pp style="line-height: 1.75em "　　这种局面是由我国农药行业流通格局造成的。目前，我国有2700家农药供应商、60000个市县经销商、800000个乡村零售商，市场形态碎片化严重。如此小规模的、分散的流通销售方式想进行规范市场交易是极其困难的。再加上农药登记多、门槛低，从业人员数量众多且规范经营的意识淡薄，无照经营、违规经营的现象突出，为农药不合格产品、借证套证(定制产品)、隐性成分等留下“孳生”空间。/pp style="line-height: 1.75em "　　乡村零售商如此之多，是因为他们要服务2.4亿户农民，可以说这个问题的根子在一家一户的农业分散经营。且中青年一般外出打工，留守农民年龄偏大、文化水平偏低，难以判定农药是否为假劣高毒，凭借的是自己的务农经验、图便宜的心理来选择使用农药。“相当一部分零售店的农技指导服务是以销售农药产品为目的，极端情况店里的农药一半是真的用来解决问题，一半是假的用来赚取利润。”诺普信农化股份有限公司董事李广泽说。这也是我国农药滥用乱用的一个原因。/pp style="line-height: 1.75em "　　而现实情况是，规范普通农户科学用药行为是一个长期的过程，加强农村基层农技推广体系力量存在一定体制性障碍，而推进农业适度规模经营、培育新型农业经营主体也不能一步到位。在农药企业小散户多、经销零售商层级多、种田农民小散户多的情况下，一味指责政府对农药监管不力是有失偏颇的。/pp style="line-height: 1.75em "　　那么，农药监管路在何方？/pp style="line-height: 1.75em "　　strong破局切口运用二维码，农药可追溯/strong/pp style="line-height: 1.75em "　　中国农药工业协会在第九届四次理事会上对外发布农药商品二维码规则(征求意见稿)，剑指农药监管难题。“农药商品二维码提供对农药商品对象的中国农药行业唯一标识，一个二维码代码只标识一个实体对象，具有可扩展性，保密性与安全性。这项技术的推出有望借助‘互联网+’为农药监管走出困局找到切口。”中国农药工业协会秘书长李钟华说。/pp style="line-height: 1.75em "　　随着智能手机、移动互联的迅速发展，农药产品精确高效的全程监管成为可能。“因为二维码可对应于单件产品，哪怕是5毫升、10毫升的小包装，它是集防伪、产量控制、销量统计、假货报警和跟踪等多项功能于一身的智能化管理信息系统，不只是简单的追溯系统。”北京燕化永乐农药有限公司总裁杜晖说。/pp style="line-height: 1.75em "　　企业能通过二维码追溯产品详细的生产、仓储、物流、消费者信息等，为企业的生产计划提供真实科学数据，降低库存风险和财务成本。“有了二维码，对于公司掌握产品销售和库存情况非常有帮助，产品在什么位置扫的、卖了多少、什么时间卖得多、在全国的销售分布情况，都可以掌握到精确的数据。”山东绿霸化工股份有限公司企划部经理张衡昌说。/pp style="line-height: 1.75em "　　更重要的是，二维码不仅能帮助使用者辨别农药的真假，也能迅速找到产品造假的线索，可以有效地打击假冒伪劣产品。每一个产品从出厂到销售，整个过程的扫码次数是有限的，如果同一个码扫了多次，就说明产品可能被仿冒了，系统会发出警告，也会很容易锁定造假售假的位置。/pp style="line-height: 1.75em "　　“二维码不仅可以帮助企业宣传和管理产品，防止假冒、过期产品流入市场，更重要的是可以将生产、经营、使用的信息系统采集关联起来，使农药产品真正实现可追溯。”山东省农药检定所所长杨理健说。/pp style="line-height: 1.75em "　　有了二维码这个利器，农药产品流通动态实时在线，政府部门的监管将会更加有的放矢、问责对象更加明确清晰，有助于净化农药市场，打击假劣和非法高毒农药的“低价优势”，保障正规农药企业的合法权益，从而扭转农药市场“劣币驱除良币”的不良倾向。/pp style="line-height: 1.75em "　　strong发展路径企业换包装，政府建平台/strong/pp style="line-height: 1.75em "　　看来，在农药监管当中推行应用二维码实属必要。那么其成本高不高？推广应用难不难？/pp style="line-height: 1.75em "　　“很多农药企业有这个需求，但是不知道怎么实施，觉得技术上有难度，其实只需在原有的生产线上加装一个二维码在线采集系统就可以，一条生产线的改造成本大概在几万元。”张衡昌介绍说，农药厂家往往有成百上千个不同种类和规格的产品，一步推开有难度。对于量大的单品来说，做二维码比较容易实施，可以先在剧毒、高毒和高风险农药上实行。/pp style="line-height: 1.75em "　　“这方面可以借鉴我国已建成的兽药产品全国统一的二维码追溯系统，实现对兽药产品生产、经营和使用的追溯管理。”隋鹏飞认为，还可以学习海南农药备案模式，利用互联网技术与企业联合，建立统一农药二维码或条形码系统，与监管部门统一执行，这是我国农药市场管理的规范样板。/pp style="line-height: 1.75em "　　杜晖建议道，政府应该尽快出台相关法规，比如要求农药生产企业在三年之内必须使用二维码追溯系统。一方面，企业更换包装，利用二维码或条形码进行数据入库出库操作，经销商进行产品备案，零售商销售，农户使用和查询，监督部门执行监督，最终来完成农药产品的数据备案录入国家信息追溯系统中来进行实时的查询和追踪；另一方面，农业部建立政府平台或外包平台，利用数据采集设备，根据企业备案产品，建立产品信息数据库，生成产品专属二维码或条形码，类似微信扫一扫，方便快捷。其中重点准入和终端，监管交易数据，产品流向，数据同步到政府监管平台。/pp style="line-height: 1.75em "　　“我认为，二维码全程监管未来还需要两个配套措施：一是农药应当走向特许经营，这要建立在全国一盘棋的基础上，国家出台政策和标准，省级做出规定，市/县级执行；二是仿效美国PCA、CCA，逐步建设农业技术服务专家认证体系，给作物配上植保的‘执业医师’，确保科学用药。”李广泽补充道。/ppbr//p

关于INSTEMS系统原位透射电子显微分析方法是实时观测和记录位于电镜内部的样品对于不同外场如力、热、电等激励信号的动态响应过程的方法，是当前物质结构表征科学中最新颖和最具发展空间的研究领域之一。受限于透射电镜样品室狭小的空间及特殊的结构，目前商业化的透射电镜原位力学样品杆多采用探针式力场加载，无法实现双轴倾转，大大限制了研究者从原子尺度下原位研究材料的力学行为及变形机制。针对这一世界性技术难题，百实创公司专项开发的INSTEMS系列透射电镜用原位原子尺度双轴倾转力、热、电一体化综合测试系统拥有独特创新设计的MEMS芯片以及与之相匹配的微驱动系统，保证了样品在透射电镜毫米尺度空间内实现力场与热场或电场耦合加载条件下，同时具备大角度正交双轴倾转功能，进而实现在多场耦合加载下材料原子尺度显微结构及其性能演化的原位观察与记录。该系统可实现1200℃高温下力热耦合加载，最大驱动力大于100mN，驱动行程大于4μm，最小驱动步长低于0.5nm，达到国际领先水平，极大的扩展了透射电子显微镜在材料科学原位研究领域的应用。本系统与各大品牌电镜有优异的机械及电磁兼容性，稳定性高，保证电镜原有的分辨能力。整合了独特创新设计的MEMS芯片与微型驱动器的高集成Mini-lab原位样品搭载平台，保证了不同形状、性质的样品在TEM中有稳定的力、热、电加载实验环境，并能精确控制参数变量；通过更换不同Mini-lab实验台，可以灵活的实现力、热、电单场或任意两场耦合加载，并能做到互不干扰。精密的结构设计保证样品能在场加载条件下实现大角度双倾，结合皮米级超高精度控制系统，确保显示的原子像无抖动、分辨率高。功能强大，操作便捷的控制软件提供了丰富的加载模式，并实时收集与处理数据，满足用户不同条件下的实验与测试设计要求。可实现多场耦合加载：ISTEMS系列产品具有高度集成的可定制化微型实验系统。通过更换不同功能的微型实验台（Mini-lab），该系列可灵活施加力、热、电等多种外场组合。Mini-lab独特的MEMS芯片设计和新颖的集成策略解决了小区域多场耦合加载兼容性难题。可独立控制多场加载，避免相互干扰。 原子尺度分辨率：INSTEMS系列结构紧凑的微型实验台和特殊设计的β轴倾转机构完美融合了多场耦合施加和双轴倾转功能，可轻松实现原子尺度分辨的动态观察。 高精度控制与测量：超灵敏微型驱动器稳定的四电极MEMS芯片 可靠的电学连接无干扰的电路布局 强大的高精度多通道源表确保INSTEMS系列产品可同时实现高精度加热、pm级驱动控制和pA级电信号测量。 适用范围极宽、功能易于扩展：INSTEMS系列适用于多种形态尺寸的材料（适用于块体以及一维、二维纳米材料）；可实现多种类型的多场耦合施加（热-力-电耦合）；加载灵活，可对样品进行拉伸加载、压缩加载、弯曲加载，也可进行纳米压痕实验；同时可根据用户需求进行功能扩展。适用于大部分固体无磁材料的研究。 关键技术指标与参数：热场指标温度范围室温~1200℃*加热速率＞10000℃/s温度精度≥98%测温方式四电极法EDS兼容性√力场指标驱动精度＜500pm最大驱动力＞100mN最大位移4μm电场指标最大输出电压±50V电流测量范围1pA-1A*电压测量范围100nV-50V双倾指标α角倾转范围±25°β角倾转范围±25°*驱动精度＜0.1°分辨率极限稳定性＜50pm/s*空间分辨率≤0.1nm* * 列出参数取决于Mini-lab型号与电镜状态。 硬件说明：样品杆部分包含双轴倾转样品杆与配套的Mini-lab实验台，MET型号样品杆可兼容所有类型的Mini-lab实验台。软件控制：力、热、电三场都具有丰富的加载模式可供选择：力场可选择单向拉/压加载或循环加载；电场拥有7种可供选择的波形加载；热场可自由设置温控程序。 应用范围1. 高温环境下的力学行为在力场与热场条件下原位实时观察材料原子像，并能获取成分信息。可应用于加速蠕变、高温相变、元素扩散、高温塑性变形、再结晶、析出相与位错的关系等方面的研究。原位原子尺度研究高温合金相在高温下（1150℃）的形变机理原位观察超级合金在400℃与750℃下塑性变形过程2. 高温环境下的电学行为 在热场与电场条件下原位实时观察材料原子像，并获取电场数据。可应用于热电材料、半导体、相变存储、电场可靠性分析、介电材料等领域的研究。 热电耦合条件下SnSe原位原子尺度失效分析3. 力与电场的交互行为在力场与电场条件下原位实时观察材料原子像，测量和控制样品电信号。可应用于压电材料、铁电材料、锂离子电池、柔性电子器件等领域的研究。 4. 力场、热场、电场单场条件下的材料组织变化可定量的控制单力场、热场、电场施加于样品，并实时原位的观察样品原子像及成分信息。高熵合金900℃条件下观察元素扩散创新点：一、独特设计的MEMS芯片以及与之相匹配的微驱动系统，保证了样品在TEM毫米尺度空间内，在力场与热场或电场耦合加载条件下具备大角度双轴倾转功能，进而实现在多场耦合加载下材料原子尺度显微结构及其性能演化的原位观察与记录。该系统可实现1200℃高温下力热耦合加载，驱动力大于100mN，驱动行程大于4μ m，最小驱动步长低于0.5nm，达到国际领先水平。二、MEMS芯片采用特殊结构及材料设计，加热响应迅速（＞10000℃/s），温度精度高＞98%，热稳定好（＜50pm/s），使用寿命长（＞100h），相较于传统一次性使用的MEMS芯片，很大程度上降低了实验成本。三、采用高度集成的可定制化微型实验系统，可实现力、热、电以及力热耦合，力电耦合和热电耦合等多种外场的施加。四、适用范围广，不仅适用于多种类，多维度材料研究，还可实现包括拉伸、压缩、弯曲、纳米压痕等多种力场加载方式。透射电子显微镜原位-原子尺度双倾力热电集成系统

p style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/61f92578-2a77-4450-bae3-0909e6aa5712.jpg" title="微信图片_20170604220236_副本.jpg"//pp style="text-align: center "程和平院士在发布会上介绍研究成果/pp　　历经3年多的协同奋战，北京大学分子医学研究所、信息科学技术学院、生物动态光学成像中心、生命科学学院、工学院联合中国人民解放军军事医学科学院组成跨学科团队，在国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制专项《超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统》的支持下，成功研制新一代高速高分辨微型化双光子荧光显微镜，重量仅为2.2克。/pp　　原始论文于5月29日在线发表于《自然》杂志子刊Nature Methods(IF 25.3)，相关技术文档同步发表于Protocol Exchange(DOI: 10.1038/protex.2017.048)，并已申请多项专利。新一代微型化双光子荧光显微镜的成功研制是世界成像仪器领域的重大突破，为脑与认知科学、人工智能研究的推进提供了重要工具。/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/93671403-0d47-4f16-a918-f9e51a10842b.jpg" title="微信图片_20170604220241_副本.jpg"//pp style="text-align: center "新闻发布会现场/pp　　据介绍，该科研团队通过这一微型显微镜获取了小鼠在自由行为过程中大脑神经元和神经突触活动清晰、稳定的图像。该显微镜适于佩戴在小动物头部，可实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号。在大型动物上，还可望实现多探头佩戴、多颅窗不同脑区的长时程观测。/pp　　研究团队主要成员、北大分子医学研究所研究员陈良怡说道：“这是我们第一次观察到自由活动状态下的小鼠是‘怎么想的’。通过这套新型显微镜，可以在自由活动的哺乳动物上对其神经活动进行更精准研究。”/pp　　美国著名神经科学家阿尔西诺· 席尔瓦教授评论称：“从任何一个标准来看，这款显微镜都代表了一项重大技术发明，必将改变我们在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式。”/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/3180638f-621d-4745-b274-e1bea7ef57a2.jpg" title="微信图片_20170604220248_副本.jpg"//pp style="text-align: center "程和平、陈良怡、王爱民、张云峰、宗伟健、吴润龙、李明立等研发团队成员在发布会上与听众交流/pp　　作为国家重大科研仪器研制专项的一个硕果，新一代微型化双光子荧光显微成像系统的成功研制彰显了北京大学在生物医学成像领域先期布局的前瞻性，锻炼了一支以年轻PI和硕博研究生为主体、具有学科交叉背景和核心技术创新能力的“中国智造”队伍。目前，该研发团队正在领衔建设“多模态跨尺度生物医学成像”“十三五”国家重大科技基础设施，积极参与即将启动的中国脑科学计划。可以期待，微型化双光子荧光显微成像系统将为实现“分析脑、理解脑、模仿脑”的战略目标发挥不可或缺的重要作用。/pp　　strong延伸阅读/strong/pp　　相比单光子激发，双光子激发具有良好的光学断层、更深的生物组织穿透等优势，其横向分辨率达到0.65μm。新一代微型化双光子荧光显微镜的成像质量可与商品化大型台式双光子荧光显微镜相媲美，远优于目前领域内主导的、美国脑科学计划核心团队所研发的微型化宽场显微镜。采用双轴对称高速微机电系统转镜扫描技术，成像帧频已达40Hz(256*256像素)，同时具备多区域随机扫描和每秒1万线的线扫描能力。此外，采用自主设计可传导920nm飞秒激光的光子晶体光纤，该系统首次实现了微型双光子显微镜对脑科学领域最广泛应用的指示神经元活动的荧光探针(如GCaMP6)的有效利用。同时采用柔性光纤束进行荧光信号的接收，解决了动物的活动和行为由于荧光传输光缆拖拽而受到干扰的难题。未来，与光遗传学技术的结合，可望在结构与功能成像的同时，精准地操控神经元和神经回路的活动。/pp　　新一代微型化双光子荧光显微成像改变了在自由活动动物中观察细胞和亚细胞结构的方式，可用于在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，或者在学习前、学习中和学习后，长时程观察神经突触、神经元、神经网络、远程连接的脑区等多尺度、多层次动态变化。/pp　　该成果在2016年底美国神经科学年会、2017年5月冷泉港亚洲脑科学专题会议上报告后，得到包括多位诺贝尔奖获得者在内的国内外神经科学家的高度赞誉。/p