中科院物理所真空互聯(lián)平臺與多自由度低溫樣品架交付使用

2019年5月，費勉儀器科技（上海）有限公司（FERMI INSTRUMENTS）設計制造的真空互聯(lián)平臺RDC820和多自由度低溫樣品架在中國科學院物理研究所完成安裝驗收，各項指標均達到設計要求，正式交付表面物理國家重點實驗室吳克輝研究員課題組（http://surface.iphy.ac.cn/sf09/index-cn.html）。

吳克輝研究員課題組，主要從事表面和新型低維量子材料探索、物性研究，利用分子束外延生長（MBE）、掃描隧道顯微鏡（STM）等手段在原子尺度上控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、觀察分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的關系，獲得對材料物性的深入理解。

本次搭建的角分辨光電子能譜（ARPES）系統(tǒng)正是對二維材料原位電子結(jié)構(gòu)測量的強力手段，同時也是對STM的互補。此次整機系統(tǒng)由德國SPECS公司負責設計和搭建，其中兩個核心模塊：多自由度低溫樣品架和真空互聯(lián)平臺由FERMI INSTRUMENTS提供。

核心模塊一 | 多自由度低溫樣品架

角分辨光電子能譜所需要的關鍵設備包括：高亮度光源、電子能量分析器和多自由度變溫樣品架等。隨著凝聚態(tài)材料物理研究的深入，對ARPES的分辨率提出了更高的要求，希望系統(tǒng)整體能量分辨率達到1 meV量級。目前的光源和能量分析器均已達到了1 meV的分辨率，瓶頸在于樣品能達到的最低溫度。另外，對一些低溫相變的材料，例如超導體，實驗所能達到的最低溫度更是揭示其新奇量子物態(tài)的關鍵。

FERMI INSTRUMENTS 自主研發(fā)的多自由度低溫樣品架，實現(xiàn)了低溫（液氦溫區(qū)）和多自由度運動兩個條件的結(jié)合。在提供多自由度（5個馬達控制的自由度，第6個自由度為手動控制）的同時，保證了工作溫度低于6K（工廠測試為5.6K），而且液氦消耗量遠小于同類產(chǎn)品（最低溫小于1L/h, 10K 溫度小于0.5L/h）。

▲低溫樣品架降溫曲線

核心模塊二 | 真空互聯(lián)平臺 RDC820

磁耦合線性傳樣桿是目前超高真空系統(tǒng)中使用較多的傳遞組件，但是這類結(jié)構(gòu)空間利用率很低，實際伸縮長度不到桿長度80%，而且傳樣桿加上子系統(tǒng)只能在直線排布，在空間排布上受到很大制約。

FERMI INSTRUMENTS 自主研發(fā)的RDC820采用了超高真空中樞的思路，機械臂可以安裝在一個直徑700mm的不銹鋼腔體內(nèi)部，不銹鋼腔體標配8個對接法蘭，機械臂可以從任何一個口伸出820mm（以法蘭面為起點），伸縮比遠優(yōu)于普通傳樣桿結(jié)構(gòu)。除了旋轉(zhuǎn)和伸縮自由度外，RDC820的機械臂還具有以下自由度：

升降，機械臂搭配升降模塊后可以整體升降，用來適應不同系統(tǒng)之間的高度差異，這個升降功能也可以用來取/放大塊晶圓樣品；

旋轉(zhuǎn)，機械臂配合彈道模塊可以實現(xiàn)360度的翻轉(zhuǎn)，用來配合不同系統(tǒng)之間的樣品取向；

樣品托的取放，配合標準的Flag-Type樣品托，機械臂可以通過一個巧妙設計的抓取結(jié)構(gòu)實現(xiàn)樣品托的取放；

▲費勉RDC820機械臂

FERMI INSTRUMENTS 正在著力打造以RDC820為核心模塊的互聯(lián)生態(tài)鏈，目前，RDC820已經(jīng)有了超過20種的互聯(lián)案例，包括：AFM，STM，MBE，XPS，ARPES，LoadLock，高溫高壓反應池，原位紅外光譜，手套箱等等，我們也和多家世界知名廠商建立了長期合作的關系，為用戶提供完善的解決方案。

歷史上許多重大的科學發(fā)現(xiàn)都得益于實驗條件的突破或研究手段的拓展，希望FERMI INSTRUMENTS 交付的低溫樣品架和真空互聯(lián)平臺RDC820能夠助力中科院物理所，將新奇材料領域的研究推向一個新高度。