最新成果|中科艾科米成功研制面向埃米级多模态表征的无液氦光耦合SPM系统
近日，中科艾科米研发团队联合中国科学院物理研究所、中国科学技术大学，在《高端科学仪器》（Advanced Scientific Instruments）杂志上发表重要成果(文章链接：https://doi.org/10.1016/j.asi.2026.100011)，详细介绍了一款具有埃米级光谱学成像能力的新型无液氦光耦合扫描探针显微镜系统。
图1 ：《高端科学仪器》杂志官网截图
该系统创新性地将远端液化无液氦系统与光耦合扫描探针显微镜（OC-SPM）结合，成功实现了低于4 K的工作温度（最低可达到2.6 K），接近±1 mK的温度稳定性以及小于1 pm的振动水平，并在该环境下持续运行数月。在此性能基础上，扫描隧道显微镜（STM）和非接触原子力显微镜（nc-AFM）均展现出原子级分辨率成像能力。该设备的光耦合多模态扫描探头集成了两个三维压电纳米马达驱动的透镜模组（数值孔径为0.46），最高可达到22.8%的光子收集效率，从而实现了近场光谱的埃米级成像。对银酞箐的表征测试显示，该系统可进行长时间的埃米级尺度的多模态表征，实现对表面结构的系统性研究。
图2：新型闭循环无液氦光耦合扫描探针显微镜系统（Copyright © 2026 Elsevier B.V.）
扫描探针显微镜（SPM）凭借卓越的分辨率，一直是微纳尺度研究的重要工具。但在探测化学键变化或解析相似形貌结构时，传统 SPM 常因缺乏化学性质表征能力而显得“力不从心”。为突破这一局限，研究人员将 SPM 与近场等离激元增强技术结合，发展出了具备针尖增强拉曼（TERS）、STM针尖诱导发光光谱（STML）等近场光谱检测能力的 OC-SPM 系统，从而实现了对表面局域化学性质的微纳尺度探测。
为进一步提高OC-SPM系统中的光谱信噪比，系统往往会采用在扫描探头上集成高数值孔径可移动透镜模组，以提高光子收集效率。此外，为达到埃米级光谱分辨率，将样品降温至液氦温区以抑制热漂移并提高信号稳定性也成为重要策略。然而，该温区的实现长期依赖于杜瓦或连续流式液氦制冷，不仅液氦消耗量大，设备运行成本高昂，还长期面临着一个现实困境：与常规SPM实验相比，等离激元光谱实验往往需要更长的针尖调校和数据采集时间，而传统湿式降温方式的“续航能力”有限，实验常因液氦补充而中断，严重影响了实验的效率。
表1：常见4 K温区制冷方式对比（数据来自于实验室理想工况环境下）[3]
闭循环无液氦制冷被认为是扫描探针显微成像技术规模化、智能化应用的重要发展方向。然而，常规的近端无液氦制冷方案往往需要将压缩机竖直安装在扫描探头附近，这不仅容易耦合来自制冷机的机械振动，更因挤占了扫描探头周边的宝贵空间。这正是阻碍闭循环无液氦SPM系统功能化应用的主要技术瓶颈之一。
针对上述瓶颈，中科艾科米研发团队联合中国科学院物理研究所郇庆研究员团队、中国科学技术大学谭世倞教授团队，将自主研发并已实现商业化应用的“远端液化”制冷方案[2]（详见报道）成功融入OC-SPM，研制出全新的闭循环无液氦光耦合扫描探针显微镜系统。液氦通过柔性输液杆从侧面引入并为扫描探头降温，不仅降低了噪音，还节省了大量空间。扫描探头上集成了两套三维压电纳米马达驱动的透镜模组，搭载数值孔径0.46的非球面透镜，双透镜共可提供最高22.8%的光子收集效率。该系统有着低于4 K的基础温度和± 1 mK的温度稳定性，噪音水平1 pm 以下。在极低的噪音水平下，系统实现了稳定的原子级STM与nc-AFM成像。扫描隧道谱（STS）和STML谱测试展现出系统对电子性质与化学指纹的高信噪比表征能力。系列测试结果表明，该系统在可长时间持续运行的情况下，多项技术指标优于传统湿式OC-SPM系统。
图3：拥有可动透镜模组的扫描探头和配套的TERS光路设计（Copyright © 2026 Elsevier B.V.）
依托该系统的长时间稳定运行和卓越的探测精度，研究团队实现了对单个银酞箐分子（AgPc）的精密多模态表征。团队首先通过 STM 与 nc-AFM 联动精准解析了分子结构，并清晰分辨出中心银（Ag）原子，并利用 STS 成像直观揭示了分子内最高占据轨道（HOMO）与最低未占据轨道（LUMO）的分布。最后，对分子的TERS测量揭示了分子振动的细节与空间分布，助力研究者对其振动归属进行了严密探究：其中位于718 cm-1的拉曼峰被归属为中心环的水平扭动，位于756 cm-1的拉曼峰源自于苯环中C-H键的面外弯曲震动，而位于856 cm-1的拉曼峰则对应苯环的面外扭动。
图4：对单个AgPc分子的埃米级多模态表征（Copyright © 2026 Elsevier B.V.）
通过对单个AgPc分子的深度剖析，研究团队不仅精准捕捉到了中心Ag原子的插入与分子的轨道能级分布，更借助 TERS 技术从振动光谱维度识别出分子内部细微的“化学指纹”，实现了从形貌观测到电子态解析、再到局域化学信息探测的全维度表征，为高精度多模态表征开辟了全新视角。该系统的成功研制打破了长期以来精密近场光学表征对液氦资源的强依赖，为我国量子材料、表面催化及单分子科学等前沿阵地提供了可长时间连续稳定运行的表征手段。
面向未来，中科艾科米将持续深化研发基于远端液化制冷方案的无液氦低温SPM系统，着力于向更低温区、更多功能拓展，从而构建模块化、可扩展的无液氦扫描探针显微镜平台体系。以高稳定、高精度、强功能的国产化解决方案，支撑我国前沿基础研究，为实现科技自立自强和高水平科技创新体系建设贡献坚实力量。
参考文献：
1. Ma R, Liu Z, Liu D, et al. A cryogen-free low temperature scanning probe microscope system for ångström-resolved spectroscopic imaging. Advanced Scientific Instruments in press.
2. Ma R, Li H, Shi C, et al. Development of a cryogen-free sub-3 K low-temperature scanning probe microscope by remote liquefaction scheme. Rev Sci Instrum 2023; 94(9): 093701.
3. 汪杰, 熊磊, 王帅, 郭凯, 刘鸿俊, 李顶房, 张维, 沈冰, 方应翠. 实验用低温恒温器及相关制冷技术研究进展[J]. 真空科学与技术学报, 2023, 43(11): 903-912.
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