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中科院物理所真空互聯平臺與多自由度低溫樣品架交付使用
文章來源：費勉儀器
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的結構、觀察分子物質的結構與物理性質的關系，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）系統正是對二維材料原位電子結構測量的強力手段，同時也是對STM的互補。此次整機系統由德國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的關鍵。
FERMI INSTRUMENTS 自主研發的多自由度低溫樣品架，實現了低溫（液氦溫區）和多自由度運動兩個條件的結合。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
磁耦合線性傳樣桿是目前超高真空系統中使用較多的傳遞組件，但是這類結構空間利用率很低，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），伸縮比遠優于普通傳樣桿結構。除了旋轉和伸縮自由度外，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，機械臂配合彈道模塊可以實現360度的翻轉，用來配合不同系統之間的樣品取向；
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構實現樣品托的取放；
▲費勉RDC820機械臂
歷史上許多重大的科學發現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。
