自从第一台扫描隧道显微镜问世以来,就标志着人类进入了可以直接观测原子和操纵原子的时代。历经三十余年,科学家们不断地这个领域开拓进取,为扫描隧道显微镜的成熟化、多样化、分工化、专业化的发展添砖加瓦。时至今日,人们可以凭借扫描探针显微技术,对凝聚态物理学、物理电子学、生物学、电化学乃至航空学等多种学科中的微观世界进行观测、检测和操控。强磁场下表面电子态的研究一直都是科学家们研究的重点。因为在强磁场下有太多新奇的物理现象可以用扫描隧道显微镜来表征。然而,有一些重要的物性需要超高磁场的扫描隧道显微镜才能得以表征,比如：单壁碳纳米管金属-绝缘体转变的微观机制,需要高达45特斯拉的磁场才可以观测的到；验证量子点中磁场量子化穿透(Vortex)的理论,大约需要25特斯拉以上的磁场；高温超导体上临界磁场的微观表现,也需要大约45特斯拉的超高磁场。所谓工欲善其事,必先利其器,强磁场下扫描隧道显微镜的研发就显得尤为重要。多年以来,世界上有很多小组在全力发展强磁场下的扫描隧道显微镜。然而现在能在磁场中得到原子分辨率的扫描隧道显微镜的最高纪录还只停留在18特斯拉,远不能达到所需要的目标。当今国际上有售的商业超导磁体最高可以做到23特斯拉,虽然有小组已经做出了30特斯拉的超导磁体,但距离真正的商业化还有很长一段路要走。所以如果想要在超高磁场中探测表面电子态,就必须要用到水冷磁体和混合磁体。然而水冷磁体和混合磁体在运行时会有巨大的水流震动(是普通扫描隧道显微镜实验环境的70余倍)和水流噪音(大于80分贝),这成为在磁体中得到原子图像的最大难点。迄今为止,国际上没有任何关于在水冷磁体或混合磁体中搭建扫描隧道显微镜的报道。合肥强磁场中心目前已经有一台水冷磁体正式投入实验运行,它的最高场强可以达到27特斯拉,中心孔径为32mm,是中国首台水冷磁体。明年年底将建成中国第一台混合磁体,预计场强将达到45特斯拉。我们就针对这台小孔径水冷磁体,搭建起一套扫描隧道显微镜系统。难度除了上述所说的声音和震动外,如此小的孔径也是一大难点。对于如此恶劣环境且小空间中的扫描隧道显微镜,其结构刚性必须非常强。由于通常情况下,扫描隧道显微镜的扫描头和步进马达是连接在一起的,马达的稳定性会直接关系到隧道电流的稳定性,因此一个适用于恶劣环境的扫描隧道显微镜必须配有一个优秀的步进马达。这个马达应该同时具备以下这些性质：1.结构简单,因为越简单就越可靠；2.尽量低的控制电压,因为降低控制电压会降低其引入的噪音,提高控制精度；3.小巧而紧凑的结构,小体积所带来的热漂移就小,而且也适用于小孔径中；4.刚性强,刚性是衡量震动抵抗性能的重要指标。然而当今国际上流行的马达都存在一种或者几种的鄙陋,全都不适用于水冷磁体中。在第二章中,为了做出一个适用于恶劣环境的扫描隧道显微镜镜体,我们独立研发了一款刚性而紧凑的压电堆栈马达,它的直径只有13mm。显微镜所用的马达由六片压电片堆栈组成,一共形成两个分支,被弹性的固定在两根平行的表面精抛光的刚玉棒中。这个马达的优点是：机构简单紧凑、刚性强、行程不受限制。这款显微镜还表现出了超强的刚性和抗震动性能,即使在周围噪音高达73分贝的环境中,也可以不依赖任何隔音措施扫描得到清晰的原子分辨率图像,而且图像质量和在隔音减震箱中得到的图像几乎没有任何差别。另外,我们开发出了一种有效降低马达工作电压的控制方法,可以将马达的阂值电压降低1/3～1/2左右。这款显微镜同样在低温中是兼容的。由于其高刚性、紧凑性的特点,这款显微镜非常适合用于一些大震动、大噪音、强磁场等恶劣环境中。扫描所用所用周边电路如前级放大电路、高压放大电路、跟随滤波电路均为我们自行设计制作。该文章已被Scanning杂志接收。在第三章中,我们针对中科院强磁场中心4号水冷磁体(中心孔径32mmm,最高场强27特斯拉)搭建起一套完整的扫描隧道显微镜系统。整套系统全部采用无磁或弱磁材料制成,包括减震系统、真空隔音隔热系统和镜体。减震采用了上下一体悬吊的机制,整个减震架的共振频率小于3Hz,并且对镜体采用了三级弹簧悬吊隔震的办法,起到了非常好的效果。真空的维持采用了低温冷阱的办法,利用软波纹管表面积大而且可以自由伸缩的特点,制成了带操纵杆功能的低温泵,最好可以维持真空度到3×10-5mbar左右,对隔音隔热起到了关键的作用。显微镜镜体在第二章介绍所介绍马达的基础上进行了进一步改进,采用了实验室独创的马达-扫描头分离技术,使得马达的干扰信号不能传入隧道信号中,改进了成像质量。最终,我们在磁体开最大水流的情况下得到了非常清晰的高定向热解石墨的原子图像,并在0.42特斯拉的磁场下的到了原子分辨率图像。这是国际上首次在水冷磁体通最大水流并升场的条件下得到扫描隧道显微镜原子分辨率图像的。这一步的意义是重大的,为将来在混合磁体中搭建原子分辨率的扫描隧道显微镜打下了坚实的基础,因为：1.混合磁体的震动和水冷磁体是一个量级的；2.混合磁体的工作噪音和水冷磁体相当；3.混合磁体的中心孔径也是32mmm；4.混合磁体同样工作在室温孔径。在第四章中,我们自主设计制造了一款五堆栈摩擦力自抵消式马达,并最终将其组装成一款超高刚性超大推力的扫描隧道显微镜,得到了非常好的原子图像。这款马达的优点是：1.同时具有刚性强、推力大的特点,结构敦厚,且总的压电材料密度高,单位空间尺度的总输出力大。2.行程大,行程仅受导轨长度的限制。3.尺寸小,四个臂堆栈、腿堆栈体和中堆栈并排放置,几乎密堆而成,非常节省空间。整个镜体的最终直径为16mm。4.工作温区大,因为弹簧片的弹力是长作用范围力,所以即使在温度变化很大也不会发生因正压力变化而导致马达不行走的状况。5.很高的定位精度,这对于针-样品逼近非常重要。我们还定义了一个所有摩擦力马达普适的量：静-动比,用来衡量马达的推力。这款马达的动-静比小于10%,远高于其他摩擦力马达,所以推力巨大。由于马达大推力的特性,所以扫描头的夹持力可以高达0.82N,十分刚性。该文章已被Rev. Sci. Instrum.杂志接收。最后,我们用这款显微镜得到了非常好的原子分辨率图像。为了使这款显微镜镜体能够用于实验室18/20特斯拉的超导磁体汇总,我们专门为这款镜体配备了一套真空腔体、热沉、样品解理装置。