低温扫描隧道显微镜(LT-STM)的调试技术

　　扫描隧道显微镜 ( Scanning TunnelingMicroscope,简称 STM ) 是由 IBM 苏黎士研究中心的 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 于 1982 年发明的^[1],它是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜。STM的出现使人类能够在实空间观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，其在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景^[2]。目前，STM 在表面科学领域里被广泛地应用, 现已经成为这个领域里最重要的工具之一。本实验室(贵州大学微纳电子与软件技术重点实验室- 低维半导体材料结构研究室)引进了一台由德国Omicron 公司生产的低温扫描隧道 显 微 镜 (Low Temperature Scanning TunnelingMicroscopy，简称 LT- STM)，主要用于研究半导体材料表面特性，即用于原子级表面成像和表面形貌分析。STM 系统中包含多个子系统，其安装调试和维护使用都需要专业人员完成。本文主要描述本实验室的 LT- STM 系统的安装和调试中的一些问题及结果。

　　1低温扫描隧道显微镜(LT-STM)的结构特点

　　低温扫描隧道显微镜系统主要由真空系统、低温系统、扫描和数据采集系统、电源控制系统、控制计算机等组成，其中，真空系统由真空室、机械泵、涡轮分子泵、离子泵和钛升华泵及真空元件等组成。相对于其它扫描隧道显微镜而言，低温扫描隧道显微镜的最大特点是：不仅可以在常温下扫描成像，而且还可以在低温下(液氮温度77 K和液氦温度 4 K)使用。该设备主要部分的结构如图1 所示^[3]：上半部分为扫描控制电路接口、数据采集器接口、液氮和液氦输入输出接口、STM状态手柄等;下半部分为真空室、及装入真空室内的探针和样品工作支架等，其中，真空室内还装有真空规、离子泵、钛升华泵、旋转式探针架和样品架、探针清洗装置和用于移动探针和样品的机械手等。LT- STM还可以与分子束外延生长设备(MBE)联接，组成超高真空联接的 MBE/LT- STM系统，可以对样品进行超高真空状态下的传输，实现样品的原位分析。

　　2调试前的准备工作

　　2.1 仪器的安装

　　由于低温扫描隧道显微镜系统的真空室和扫描隧道显微镜在系统安装前是分开运输的,因此，先要将扫描隧道显微镜装入真空室内。在装入之前，要给真空室充氮气，使真空室内恢复到大气压强，具体操作方法是：在给真空室充气的管路上连接一个减压阀(如图 3 所示),以防止真空室内充入氮气气压过大而损坏真空保护法兰。如果在安装中没有减压阀，还可以在减压阀位置(如图 3 所示)连接一个密封的塑料袋。然后轻微打开氮气供气阀门，使氮气少量缓慢地进入真空室内，当连接的密封塑料袋充气饱满，有一定的硬度时，说明真空室内已达到大气压强，则停止充气。然后将真空室顶部的法兰打开，更换一个新的无氧铜超高真空密封垫圈，从真空室顶部装入扫描隧道显微镜，固定螺母。