15、扫描探针电子成像技术：从低场到量子霍尔态的量子环探索

扫描探针电子成像技术：从低场到量子霍尔态的量子环探索

在纳米结构电子输运研究领域，扫描门显微镜（Scanning Gate Microscopy，SGM）技术正发挥着至关重要的作用。它不仅能帮助我们深入了解量子环（Quantum Rings，QR）等纳米结构中的电子行为，还能揭示一些新奇的物理现象。下面将详细介绍SGM技术及其在不同磁场条件下对量子环成像的应用。

扫描门显微镜技术简介

扫描门显微镜与常见的基于原子力显微镜（AFM）的成像技术不同，它不依赖于测量悬臂的特性（如偏转角或共振频率偏移），而是测量器件的电学特性。其原理是：一个施加电压（Vtip）的金属涂层AFM尖端在器件表面上方几十纳米的高度横向扫描，局部扰动其电导G（或电阻）。通过测量器件电导的变化ΔG，并将其作为尖端 - 样品相对位置（x, y）的函数进行映射，从而绘制出ΔG(x, y)的SGM图。

操作步骤如下：
1. 根据器件阻抗，选择电流偏置（I）或电压偏置（V）配置。
2. 将整个装置置于低温恒温器中，一些低温SGM装置可在低于100 mK的温度下运行。
3. 可选择施加外部磁场。
4. 使用低温无磁位移单元（如钛制惯性步进电机）对尖端进行原位粗定位，使其相对于纳米结构移动几毫米。
5. 使用商用压电扫描元件进行精细定位，以获取几微米范围内的图像。
6. 利用AFM环境测量样品的地形，定位有源器件。可采用无光照设置，避免光敏器件受光影响。例如，将AFM悬臂粘贴在压电音叉上，监测尖端接近表面时音叉共振频率的偏移Δf，通过反馈回路进行样品地形扫描。
7. 绘制完器件地形后，将尖端提升至表面上方几十纳米（通常为20 - 50 nm），并在与二维电