北京大学江颖课题组完成qPlus型光耦合扫描探针显微镜自主研发和专利转让

近日，北京大学物理学院、轻元素先进材料研究中心江颖教授课题组与刘开辉教授课题组合作，自主研发了一台qPlus型光耦合扫描探针显微镜。该显微镜性能达到国际最好水平，其中原子力传感器振幅噪音和品质因子国际领先。相关技术细节发表在国际著名科学仪器杂志《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）。相关专利技术已经成功实现转让，并完成了首台商业化样机。

扫描探针显微镜（scanning probe microscopy, SPM）是纳米科技领域最伟大的发明之一，其利用尖锐的针尖逐点扫描样品，可在原子/分子/纳米尺度上获取表面的形貌和丰富的物性。扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy, STM, 1986年诺贝尔物理奖）和原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM, 2016年卡夫里奖）。自其诞生以来，扫描探针显微镜已广泛应用于物理学、化学、材料科学和生物学等多个领域，改变了人类对物质的研究范式和基础认知。

图1. 自行研制的qPlus型光耦合扫描探针显微镜商业化样机

由于技术受限和经验缺乏，我国的高端扫描探针显微镜多年来一直严重依赖进口。在这种被动的局面下，江颖课题组十多年来一直致力于研发扫描探针显微镜的核心部件以及高分辨成像和谱学技术，不断挑战扫描探针技术的探测极限。尤其是成功研发出一套具有自主知识产权的基于qPlus传感器的非侵扰式扫描探针显微术，该技术通过探测极其微弱的高阶静电力，刷新了扫描探针显微镜的空间分辨率，国际上首次实现了水分子中氢原子的直接成像，将水的微观实验研究带入一个全新的时代。

图2. 自制qPlus型光耦合扫描探针显微镜的核心部件。A和B，光耦合扫描探头的三维设计图和实物图。C，qPlus原子力传感器。D，聚焦离子束刻蚀后的针尖。

在关键技术获得突破的基础上，江颖课题组的程博伟博士、博士研究生吴达和边珂副研究员进一步与刘开辉课题组紧密合作，成功搭建了一台qPlus型光耦合扫描探针显微镜商业化样机（专利1）。该设备兼容超高真空和低温（液氦）环境，电路噪音背底低至5 fA/Hz1/2，针尖高度振动噪音峰小于200 fm/Hz1/2，热漂移小于0.1 pm/min，各项指标达到国际最好水平。同时，该设备的qPlus传感器具有极低的背底振幅噪音（~2 pm）和优异的品质因数（最高140000），达到国际领先水平。此外，该显微镜系统还具备独特性设计，其扫描探头上直接集成了可驱动光学透镜的三维纳米定位器（专利2），大幅提升了光激发与光收集效率，避免了激光聚焦光斑的微抖动问题，使得该显微镜兼备十分优异的光学兼容性，是研究多种分子和材料体系的结构、化学成分及动力学行为的理想工具。

图3. 自制qPlus型光耦合扫描探针显微镜的原子力显微成像测试结果。A，qPlus力传感器频率扫描曲线。B和D，不同针尖高度下Au(111)表面二维冰的恒高原子力显微图像（频移图）。C，二维冰表面不同位置的力谱。E和F，二维冰的原子结构图。

最近，北京大学与国内仪器公司就相关专利的转让签订了合同，涉及“一种基于qPlus的光耦合扫描探针显微镜”等两项实用新型专利，正在积极推动具有自主知识产权的高端扫描探针显微镜的国产化，有望打破长期的国际垄断局面。该设备的研发得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、中国科学院和北京市政府的经费支持。

相关论文：

Bowei Cheng, Da Wu, KeBian, Ye Tian, Chaoyu Guo, Kaihui Liu, Ying Jiang, A qPlus-based scanning probe microscope compatible with optical measurements. Review of Scientific Instruments 93, 043701 (2022).

(https://doi.org/10.1063/5.0082369)

相关专利：

[1] 江颖、程博伟、边珂、吴达，一种基于qPlus的光耦合扫描探针显微镜，中国，202121333378.5，2021-09-03。

[2] 江颖、程博伟、吴达、边珂，一种透镜三维移动装置，中国，202120697032.7，2021-05-07。

来源：北京大学