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      中科院研制成功兩項高精尖科學儀器
      發布時間:2018-06-06      點擊次數:

              近日,中國科學院有關專家在中科院物理研究所召開了一場“研制儀器驗收會”,對2001年國際量子結構中心申請的 “原位微區結構分析與性質測試聯合系統”和“超高真空低溫強磁場雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統” 兩個大型儀器研制項目進行了驗收。

              經過測試專家組進行的現場測試,驗收專家組成員一致認為,這兩臺大型儀器設備的研制成功不但在多項指標上達到了國際領先水平,實現了原始性創新目標,而且培養了一批難得的高水平技術人才,為中科院今后的大型儀器研發和可持續發展打下了堅實的基礎。同時,項目組提供的文件、資料齊全,經費使用合理,高質量地完成了合同任務,并建議主管部門批準該項目通過驗收。 
              據專家介紹,在中國科學院知識創新工程試點中,物理研究所在引進國外先進儀器設備的同時,大力提倡自主開發研制大型的科學儀器,為實現原始創新提供平臺保障。

             2000年,物理所國際量子結構中心成立以后,為滿足科研需求,利用量子中心的人才優勢,制定了大型科學儀器研制計劃。目標是建造兩臺先進的精密儀器,并要求由我國自己獨立設計,具有自主知識產權,5年在市場上買不到的世界最尖端儀器。

             經過幾年的努力,“原位微區結構分析與性質測試聯合系統”和“超高真空低溫強磁場雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統” 兩個大型儀器終于研制成功。這對提高我國的精密儀器的研制水平、對促進科研成果的轉化、提高我國在該方面的國際競爭力具有重要的意義。同時,也將會大大提高量子中心的科研能力,對推動目前已經得到廣泛應用的磁性、半導體和超導等多種功能材料向著納米尺度的方向的發展,對在一個更高的水平上研究與這些材料相關的納米結構的生長、物理/化學性質的表征、量子效應研究以及新型納米/量子器件的研發方面具有重要的意義。

          原位微區結構分析與性質測試聯合系統 研究低維材料的新結構、新性質以及新的器件性能要求實現對單個納米結構的操縱和測量,F有的商業化設備的樣品操縱能力和測量功能難以滿足科研發展的需要,開發先進的納米操縱和納米測量儀器是解決科學前沿問題的重要基礎。物理所國際量子結構中心的王中林教授、王恩哥研究員、白雪冬副研究員在院創新經費的大力支持下,研制原位微區結構分析與性質測試聯合系統,在高分辨透射電子顯微鏡中設計制造掃描隧道顯微鏡。透射電鏡為掃描探針導航,將兩者強大的結構表征功能和納米操縱功能結合起來,實現對單個納米結構的物性測量并原位表征材料的微觀結構。此設備的探針調節范圍在毫米量級,調節精度達到0.1納米,除了用來測量單個納米材料場發射性質和輸運性質外,還可測量力學、機電性質以及開展多種納米材料物理/化學問題的研究,具有應用的綜合性和靈活性。另外,可根據科研發展的需要,隨時自行對設備進行改造,以滿足新的測量需求,對于商業化設備來說是難以實現的。利用研制的設備已經開展了納米彈簧在自由振動下的力學性質、結構分辨的場電子發射性質以及動態場發射性質等研究,獲得了第一批實驗成果。

          測試專家組對系統進行了全面測試,結果表明該設備已達到合同書指標,已經利用該設備開展了研究工作,并取得了重要研究結果。該系統在非常有限的透射電鏡空間內安裝掃描隧道顯微鏡單元,掃描探針位置調節范圍大并能精確定位,實現了針對單個低維結構樣品的操縱和物性測量。在透射電鏡中原位觀測物理現象,并同時高分辨地表征材料的微觀結構,研究低維材料各種新穎的物理性質,建立性質和結構的直接聯系。該系統是先進的大型納米表征儀器,為開展低維(納米)材料科學研究提供了一個有力的實驗手段。它的成功研制對從事原創性研究具有重要意義。 超高真空低溫強磁場雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統 原位系統地表征納米結構的光學、電學和磁學性質是納米科技面臨的非常重要的問題。它包括兩方面的內容,一是能夠有控制地制備和生長納米結構,另一個是利用合適的科學儀器來對納米結構的各種性質、現象與過程進行正確和準確表征。由于現有的商業化設備或者缺乏某些技術功能,或者不同系統間難以整合等原因,無法滿足上述需要,只能根據具體的研究自主去研發這樣的儀器系統。特別是最近興起的自旋電子學和固態量子信息與計算,更是對實驗儀器提出了新的功能要求和更復雜的性能組合,商業化的儀器無法滿足研究的需求。

          在這些全新領域的研究中,如果能根據最新的研究設想,有機地組合現有實驗技術和開發新的儀器功能,無疑對開展的研究工作具有很大的幫助,而做到這一點的關鍵在于自主研發儀器系統并擁有整個系統的核心技術。 為此,物理所國際量子結構中心的陳東敏研究員、薛其坤研究員、梁學錦副研究員在院創新經費的大力支持下,從2002年開始研制“超高真空低溫強磁場雙探針掃描隧道顯微鏡/譜系統”。該系統主要包括三個部分:低溫強磁場雙探針掃描隧道顯微鏡(STM)、超高真空原位樣品制備系統、超快光譜測量平臺?紤]到儀器在未來的功能擴展,一方面將探頭和樣品座安裝在一個可方便拆卸的結構上,硬件上保證了可隨時換上其它種類的測量裝置進行特定性能的測試,另一方面整個控制系統的軟硬件全部自己開發,為系統進一步改造和升級奠定了基礎。在保證科研工作的前提下,他們根據科研的需要,不斷地進行功能擴展,去年在此平臺上完成了“非原位的微弱信號測試系統”。

          今年,他們還獲得了國家自然基金委儀器專項基金的資助,正在本儀器平臺上研發極端條件雙探針AFM系統,以進一步拓展本系統的應用領域,最大限度地利用現有資源。測試專家組對系統進行了現場實際測試,結果表明該研制設備已基本達到和部分超過任務指標。這一系統的研制成功,不僅能夠有控制地制備和生長納米尺度上的結構,而且還可以原位地表征納米結構的光學、電學和磁學性質,為開展自旋電子學和固態量子信息與量子計算等全新領域的研究提供了強大的實驗手段。該項目是我國自主研發高精尖科學儀器的一個成功范例。

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