圖 1  雙探針機械結(jié)構(gòu)



圖 2  主動降噪測量結(jié)果對比



圖 3  雙探針低溫強磁場STM結(jié)構(gòu)和8T強磁場下的原子結(jié)構(gòu)

        以掃描隧道顯微鏡為代表的掃描探針顯微鏡技術(shù)的問世與發(fā)展，使探索微觀世界的技術(shù)手段發(fā)生了革命性的變化。
        所謂的掃描隧道顯微鏡，其英文縮寫是STM，是20世紀80年代初期出現(xiàn)的一種新型表面分析工具，其基本原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)和三維掃描。而掃描探針顯微鏡（簡稱SPM）是掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新型探針顯微鏡（原子力顯微鏡AFM、激光力顯微鏡LFM、磁力顯微鏡MFM等等）的統(tǒng)稱，是國際上近年發(fā)展起來的表面分析儀器，是綜合運用光電子技術(shù)、激光技術(shù)、微弱信號檢測技術(shù)、精密機械設(shè)計和加工、自動控制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、應(yīng)用光學(xué)技術(shù)、計算機高速采集和控制及高分辨圖形處理技術(shù)等現(xiàn)代科技成果的光、機、電一體化的高科技產(chǎn)品。這類儀器不僅具有實空間的原子分辨能力，同時還可用來操縱單個原子、化學(xué)鍵、電子波和磁狀態(tài)等，特別是掃描隧道譜功能可以在原子尺度上直接獲得研究對象的局域能態(tài)密度分布的信息。近20年來，利用STM技術(shù)，國際上取得了許多突破性的科學(xué)進展。隨著研究的深入，科研領(lǐng)域呼喚著具有更高分辨能力，且能在極端條件，如低溫、強磁場下工作的多探針STM等復(fù)雜技術(shù)的出現(xiàn)，以深入理解納米結(jié)構(gòu)材料的量子特性。
        近年來，中科院物理所陳東敏研究組針對科研的需要，進一步拓展了STM的技術(shù)性能。為了提高STM系統(tǒng)的信噪比，該研究組特別采用了對稱式機械結(jié)構(gòu)以及主動降噪技術(shù)，專門設(shè)計制作了兩個結(jié)構(gòu)相同、操作上相互獨立的STM探頭（見圖1），實現(xiàn)了兩個STM具有相同的機械傳遞函數(shù)；然后，利用其中一個STM做傳感器探測其背景機械噪聲，基于主動式機械噪聲降低響應(yīng)算法和自適應(yīng)數(shù)字信號處理技術(shù)，成功地濾除（補償）了另一個STM系統(tǒng)中大部分的隨機背景振動噪聲(見圖2)，從而大大提高了系統(tǒng)的信噪比，詳細結(jié)果發(fā)表在 Rev. Sci. Instrum. 78, 073705（2007）雜志上。
        同時，為了開展納米尺度下自旋與電荷同磁場相互作用的研究，陳東敏和梁學(xué)錦研究員在院創(chuàng)新基金的資助下，帶領(lǐng)學(xué)生們歷經(jīng)近4年的艱苦努力，成功地完成了超高真空低溫（變溫）強磁場雙探頭STM與分子束外延聯(lián)合系統(tǒng)的研發(fā)（見圖3）。該系統(tǒng)具有以下特點：具有雙探頭STM，其中每個探頭具有獨立的掃描成像能力，并且可在原子尺度上準確定位；能夠外加最高12T的兩維磁場；工作溫度最低可以達到2.5K，并具有2.5K到室溫的變溫功能；超高真空中實現(xiàn)MBE子系統(tǒng)與強磁場和雙探頭STM子系統(tǒng)的一體化；能夠方便地用AFM或4-probe或其他樣品測試平臺取代雙探頭STM測試平臺；具有幾十微米精度的光學(xué)導(dǎo)航子系統(tǒng)；這一成果的技術(shù)部分發(fā)表在 Rev. Sci. Instrum. 78, 065108 (2007）雜志上。目前該系統(tǒng)被用于開展半導(dǎo)體襯底上原位制備的超薄單晶金屬薄膜中電荷與自旋輸運特性的研究，并已獲得初步的結(jié)果。
        上述兩套設(shè)備從原理到技術(shù)實施方案均有獨到之處。這兩項工作發(fā)表后受到了廣泛關(guān)注，分別是Review of Scientific Instrument雜志發(fā)表后當月下載次數(shù)最高的文獻。為此RSI主編Dr. Albert T. Macrander先生特向陳東敏教授表示祝賀，并邀請他出任該學(xué)術(shù)期刊的編輯（Editorial Board member）。
        本工作得到了中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程和國家自然科學(xué)基金委員會的資助。

陳東敏教授簡介：1981年山東大學(xué)光學(xué)系畢業(yè)，通過我國首屆CUSPEA選拔考試赴美深造。1983年在美國紐約市立學(xué)院獲碩士學(xué)位。1987年在美國Brookhaven國家實驗室獲博士學(xué)位。1987-1989年在哈佛大學(xué)物理系博士后工作。1989年至2004年為哈佛大學(xué)Rowland 研究院資深研究員兼行政執(zhí)行委員會委員；納米量子物理實驗室負責人。2004年應(yīng)聘為中國科學(xué)院物理所教授，兼任北京國家凝聚態(tài)實驗室（籌）主任。主要研究方向： 實驗?zāi)蹜B(tài)物理、半導(dǎo)體物理、納米材料與結(jié)構(gòu)的量子行為、自旋電子與分子電子學(xué)、固態(tài)量子計算器件物理、表面與真空物理掃描探針顯微技術(shù)、高密度CMOS-MEMS集成的微系統(tǒng)工程學(xué)。