【摘要】 我们利用在硅上生长的超导铅纳米岛证明了这种方法，并测量了高达9.3GHz的相位响应。

矢量电路网络分析仪在工业和研究领域都有着广泛的应用。在材料研究中，它能够测量固态原子集合体的吸附轮廓，多层样品的介电常数和磁导率，以及磁性薄膜和合金在大频率范围内的动态磁性质。

 

微波阻抗显微镜利用阻抗匹配的悬臂梁，将交流电导率测量的空间分辨率在选定的频率下降到纳米尺度。随着样本量和器件尺寸的不断缩小，宽带原子角色塑造变得越来越重要。在这方面，扫描隧道显微镜(STM)在电子传输测量中提供了前所未有的原子分辨率。

 

然而，STM隧道结的高阻抗以及它的几何形状(样品表面的金属尖端扫描)排除了使用传统的VNA;因此，原子尺度的相位信息仍然难以捉摸。相反，泵浦-探针光谱学方法已被用于探测STM中原子和分子的自旋、电荷、振动自由度的快速动力学。

 

此外，频域光谱学已经被应用于检测具有原子尺度空间分辨率的电子自旋共振，然而VNA的高精度微波角色塑造能力与扫描隧道显微镜的空间分辨率的配对至今尚未实现。

 

VNA使用内部相位和幅度参考来表征被测器件(DUT)的频率相关响应。允许这样做的一个关键特性是能够去嵌入连接VNA和DUT的导线。去嵌入是首先测量器件引线的响应，以补偿其传递函数特性的过程。

 

然而，如果校准元件可以很容易地连接，这是直接的，这在显微设备中变得具有挑战性。扫描隧道显微镜具有独特的几何结构，包括原子尖端和平坦的导电表面，其施加不可避免的阻抗失配，导致高度结构化的传递函数。

 

在STM环境中，以前曾报道过在GHz频率下去嵌入振幅响应，但是相位信息只能通过光学检测电致发光的特殊设置获得，频率只能达到200兆赫。

 

这里我们表明，原子尺度物体的全幅值和相位响应可以通过利用隧道结的偶阶和奇阶非线性微波信号的校正来测量。电流-电压特性的奇数阶区域I(V)使相位灵敏度成为可能，而偶数阶区域产生幅度灵敏度。这将矢量电路网络分析仪的功能混合元件导入STM，并允许在原子尺度和GHz频率下进行幅度和相位分辨测量。

 

我们利用在硅上生长的超导铅纳米岛证明了这种方法，并测量了高达9.3GHz的相位响应。这使得STM的传输函数能够完全去嵌入，这样可以将窄至156ps宽度的畸变校正电压脉冲直接施加到隧道结中的原子尺度物体上。

 

此外，定量宽带微波光谱成为可能:我们测量复值导纳的单个磁性原子。磁性原子表现出低通响应。这种原子级低通元件的带宽可以在0.33和0.44GHz之间调谐。我们预计，本手稿中描述的原子尺度矢量电路网络分析仪将在STM之外有广泛的应用，能够对从分子电子学到量子电路的广谱纳米器件进行幅度和相位分辨测量。

 

图1a显示了STM中高频检测的相关组件。微波信号被加入到施加在STM尖端的恒定偏置电压中。我们使用任意波形发生器(AWG)，但原则上，任何信号源，可以产生两个相位稳定的正弦波是足够的相位测量这里详细说明。微波信号在AWG和隧道结之间经历频率依赖性衰减和相移，这是由于线路的电气特性和STM头部和尖端的几何形状。

 

这可以用复数传递函数T(ω)=TA(ω)exp(iφ(ω))表示，其中TA(ω)是传递函数的幅值响应，φ(ω)是相位响应。正在研究的纳米结构可以给隧道电流带来额外的与频率相关的振幅和相位变化。这种频率依赖性可以用复导纳YDUT来描述。

 

图1 隧道结微波信号的幅度和相位检测。A)有关组件的示意图。扫描隧道显微镜(灰色锥体)的尖端位于测试中的原子(黄色圆圈)之上，该原子具有频率依赖的导纳YDUT(ω)。STM在信号源(AWG)和隧道结之间的传递函数为T(ω)，需要去嵌入一个参考原子(REF)才能对被测原子进行精确的相分辨微波光谱分析。B)，硅衬底上的Pb纳米岛(顶部面板，2.5V下的隧道结设定点0.4nA)和Cu2N上的两个磁性原子(Fe)的恒流拓扑结构，作为DUT和REF(底部面板，0.1V下的设定点0.1nA)。C)，铅纳米岛的超导间隙的非线性I(V)。(c，d10nA在10mV的设定值)。振幅响应测量示意图。每个频率的微波幅度AAWG(ω)增加，直到整流隧道电流达到阈值Ithresh。F)，相位响应测量示意图，以确定正弦波与其二次谐波之间的相移。在记录整流隧道电流时，外部相θ从-π扫到+π，从而揭示了传递函数诱导的相移Δφ。G)，根据d的dI/dV谱计算出1mV微波幅度的偏置偏置的函数，在幅度测量中的整流电流。用于记录图2a的偏移电压V0用垂直线表示。H)，在与d相同的条件下，作为偏置偏置的函数的相位测量中的整流电流。用于记录图2c的偏移电压V0用垂直线表示。

 

纳米结构的导纳可以通过参考样品或参考纳米结构的参考测量从仪器传递函数中分离出来，类似于常规VNA中使用的去嵌入过程。

 

我们使用超导纳米岛铅(图1b，顶部)和磁性原子上的Cu2N(底部)来表征这种方法。这些具有强烈的非线性I(V)特征，如图1c，d中的铅岛所示。偏离线性I(V)导致从高频电压到隧道电流的转换中的频率混合。重要的是，发生的微波信号的校正很容易被通常用于扫描隧道显微镜的高增益低带宽电流电压转换器所检测到。

 

我们只在隧道电流中检测到这个整流分量，因为即使我们应用的最低微波频率也明显高于电流放大器的带宽。因此，隧道结和电流放大器之间的布线不需要具有高频能力，但值得注意的是，它可能会影响T(ω)，因为这种布线是仪器网络的一部分。

 

1.S.Baumann, G. McMurtrie, M. Hänze, N. Betz, L. Arnhold, L. Malavolti, S. Loth, An Atomic-Scale Vector Network Analyzer. Small Methods 2024, 2301526. https://doi.org/10.1002/smtd.202301526.

 

科学指南针充分发挥互联网技术和业务优势，在国内率先打造出业界领先的线上化、数字化的科研服务基础设施，在行业内首创用户自主下单、服务全流程追踪、测试“云现场”等模式，进一步提高了大型科学仪器设施开放共享和使用效率，以实际行动助力科技创新。现已发展成为中国专业科研服务引领者，已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。