四电极STM的功能拓展和在超导薄膜研究当中的应用

凝聚态物理基础研究的实验大致可分成三类：样品制备、结构表征和物性测量，目前绝大多数的实验设备都是只针对其中的某一类或两类研制开发的。表面或界面物理实验研究也是如此，分子束外延生长设备（MBE）用于样品制备，STM则是结构表征的一个代表性设备，可以研究样品的表面形貌和原子、电子及自旋结构。在许多前沿研究中，为避免薄膜样品在表征之前接触大气而受到污染，往往将STM和MBE之间进行真空互联，搭建出集样品制备和结构表征于一体的原位STM实验装置。而对易受大气污染的薄膜样品进行物性测量，过去通常采取三种办法：1）给薄膜样品表面盖上保护层，而这有可能会影响甚至破坏样品的本征物性；2)在进行物性测量的设备当中另行原位制备相同的薄膜样品，但由于该样品与结构表征的不是同一块样品，有可能在一定程度上影响结构和物性的测量结果之间的关联性；3)通过真空互联技术，在样品制备和结构表征的真空腔体上，再增联上物性测量的实验装置,但这需要有很充足的研究经费和实验用地。为此，我们发明了一种新的STM探头，具备了四个电极。在此新颖的STM探头基础上，研发出一台集样品制备、结构表征和物性测量于一体的多功能实验装置：STM+，用有限经费实现了大型真空互联系统所追求的功用。这套设备除了保持了原位STM/STS的所有功能外，还可用于原位的四探针电输运测量以及利用双线圈互感法测量超导材料的抗磁响应【1,2】。这不但能够在某种意义上提升实验的效率，还可以增强同一块样品的结构和物性这两方面的实验数据之间的关联性，提升数据分析的便利性与可靠性。对于本套STM+的实际性能的展示，将主要反映在对生长于SrTiO3单晶衬底上的FeSe薄膜的超导特性所做的一系列的研究当中，包括原位测量到的零电阻的转变过程【3】，以及原位测量到的抗磁响应在超导相变处出现的突变现象和由此而反应出来的我们对该体系的超导机制方面的理解。