Upgrade of a commercial ultra-high vacuum four-probe scanning tunneling microscopy system for atomic resolution capability and thermal stability is reported. To improve the mechanical and thermal performance of the system, we introduced extra vibration isolation, magnetic damping, and double thermal shielding, and we redesigned the scanning structure and thermal links. The success of the upgrade is characterized by its atomically resolved imaging, steady cooling down cycles with high efficiency, and standard transport measurement capability. Our design may provide a feasible way for the upgrade of similar commercial systems.

1.
G.
Binnig
and
H.
Rohrer
,
Helv. Phys. Acta
55
,
726
(
1982
).
2.
G.
Binnig
,
H.
Rohrer
,
Ch.
Gerber
, and
E.
Weibel
,
Phys. Rev. Lett.
49
,
57
(
1982
).
3.
G.
Binnig
,
C. F.
Quate
, and
Ch.
Gerber
,
Phys. Rev. Lett.
56
,
930
(
1986
).
4.
C. A.
Bobisch
, Ph.D. thesis,
University of Duisburg-Essen
,
2007
.
5.
A.
Bannani
,
C. A.
Bobisch
, and
R.
Möller
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
083704
(
2008
).
6.
K. W.
Clark
,
X.-G.
Zhang
,
I. V.
Vlassiouk
,
G.
He
,
R. M.
Feenstra
, and
A.-P.
Li
,
ACS Nano
7
,
7956
(
2013
).
7.
P.
Muralt
and
D. W.
Pohl
,
Appl. Phys. Lett.
48
,
514
(
1986
).
8.
B. G.
Briner
,
R. M.
Feenstra
,
T. P.
Chin
, and
J. M.
Woodall
,
Phys. Rev. B
54
,
R5283
(
1996
).
9.
K. W.
Clark
,
X.-G.
Zhang
,
G.
Gu
,
J.
Park
,
G.
He
,
R. M.
Feenstra
, and
A.-P.
Li
,
Phys. Rev. X
4
,
011021
(
2014
).
10.
C. C.
Williams
and
H. K.
Wickramasinghe
,
Nature
344
,
317
(
1990
).
11.
J. C.
Poler
,
R. M.
Zimmermann
, and
E. C.
Cox
,
Langmuir
11
,
2689
(
1995
).
12.
J.
Park
,
G.
He
,
R. M.
Feenstra
, and
A.-P.
Li
,
Nano Lett.
13
,
3269
(
2013
).
13.
R.
Wiesendanger
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1495
(
2009
).
14.
J.
Park
,
C.
Park
,
M.
Yoon
, and
A.-P.
Li
,
Nano Lett.
17
,
292
(
2017
).
15.
D. W.
Pohl
,
W.
Denk
, and
M.
Lanz
,
Appl. Phys. Lett.
44
,
651
(
1984
).
16.
A.
Harootunian
,
E.
Betzig
,
M.
Isaacson
, and
A.
Lewis
,
Appl. Phys. Lett.
49
,
674
(
1986
).
17.
T.
Nakayama
,
O.
Kubo
,
Y.
Shingaya
,
S.
Higuchi
,
T.
Hasegawa
,
C.-S.
Jiang
,
T.
Okuda
,
Y.
Kuwahara
,
K.
Takami
, and
M.
Aono
,
Adv. Mater.
24
,
1675
(
2012
).
18.
A.-P.
Li
,
K. W.
Clark
,
X.-G.
Zhang
, and
A. P.
Baddorf
,
Adv. Funct. Mater.
23
,
2509
(
2013
).
19.
H.
Grube
,
B. C.
Harrison
,
J.
Jia
, and
J. J.
Boland
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
4388
(
2001
).
20.
H.
Watanabe
,
C.
Manabe
,
T.
Shigematsu
, and
M.
Shimizu
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
2928
(
2001
).
21.
E.
Tsunemi
,
K.
Kobayashi
,
K.
Matsushige
, and
H.
Yamada
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
033708
(
2011
).
22.
H.
Watanabe
,
C.
Manabe
,
T.
Shigematsu
,
K.
Shimotani
, and
M.
Shimizu
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2462
(
2001
).
23.
M.
Salomons
,
B. V. C.
Martins
,
J.
Zikovsky
, and
R. A.
Wolkow
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
045126
(
2014
).
24.
I.
Shiraki
,
F.
Tanabe
,
R.
Hobara
,
T.
Nagao
, and
S.
Hasegawa
,
Surf. Sci.
493
,
633
(
2001
).
25.
X.
Lin
,
X. B.
He
,
J. L.
Lu
,
L.
Gao
,
Q.
Huan
,
D. X.
Shi
, and
H. J.
Gao
,
Chin. Phys.
14
,
1536
(
2005
).
26.
R.
Hobara
,
N.
Nagamura
,
S.
Hasegawa
,
I.
Matsuda
,
Y.
Yamamoto
,
Y.
Miyatake
, and
T.
Nagamura
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
053705
(
2007
).
27.
T.-H.
Kim
,
Z.
Wang
,
J. F.
Wendelken
,
H. H.
Weitering
,
W.
Li
, and
A.-P.
Li
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
123701
(
2007
).
28.
S.
Higuchi
,
H.
Kuramochi
,
O.
Laurent
,
T.
Komatsubara
,
S.
Machida
,
M.
Aono
,
K.
Obori
, and
T.
Nakayama
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
073706
(
2010
).
29.
S.
Higuchi
,
O.
Kubo
,
H.
Kuramochi
,
M.
Aono
, and
T.
Nakayama
,
Nanotechnology
22
,
285205
(
2011
).
30.
V.
Cherepanov
,
E.
Zubkov
,
H.
Junker
,
S.
Korte
,
M.
Blab
,
P.
Coenen
, and
B.
Voigtländer
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
033707
(
2012
).
31.
T.
Kanagawa
,
R.
Hobara
,
I.
Matsuda
,
T.
Tanikawa
,
A.
Natori
, and
S.
Hasegawa
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
036805
(
2003
).
32.
I.
Matsuda
,
C.
Liu
,
T.
Hirahara
,
M.
Ueno
,
T.
Tanikawa
,
T.
Kanagawa
,
R.
Hobara
,
S.
Yamazaki
, and
S.
Hasegawa
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
146805
(
2007
).
33.
S.
Yoshimoto
,
Y.
Murata
,
K.
Kubo
,
K.
Tomita
,
K.
Motoyoshi
,
T.
Kimura
,
H.
Okino
,
R.
Hobara
,
I.
Matsuda
,
S.-i.
Honda
,
M.
Katayama
, and
S.
Hasegawa
,
Nano Lett.
7
,
956
(
2007
).
34.
O.
Guise
,
H.
Marbach
,
J. T.
Yates
, Jr.
,
M.-C.
Jung
,
J.
Levy
, and
J.
Ahner
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
045107
(
2005
).
35.
X.
Lin
,
X. B.
He
,
T. Z.
Yang
,
W.
Guo
,
D. X.
Shi
,
H.-J.
Gao
,
D. D. D.
Ma
,
S. T.
Lee
,
F.
Liu
, and
X. C.
Xie
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
043103
(
2006
).
36.
Y.
Kitaoka
,
T.
Tono
,
S.
Yoshimoto
,
T.
Hirahara
,
S.
Hasegawa
, and
T.
Ohba
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
052110
(
2009
).
37.
T.
Uetake
,
T.
Hirahara
,
Y.
Ueda
,
N.
Nagamura
,
R.
Hobara
, and
S.
Hasegawa
,
Phys. Rev. B
86
,
035325
(
2012
).
38.
N.
Nagamura
,
R.
Hobara
,
T.
Uetake
,
T.
Hirahara
,
M.
Ogawa
,
T.
Okuda
,
K.
He
,
P.
Moras
,
P. M.
Sheverdyaeva
,
C.
Carbone
,
K.
Kobayashi
,
I.
Matsuda
, and
S.
Hasegawa
,
Phys. Rev. B
89
,
125415
(
2014
).
39.
P. W.
Sutter
,
J.-I.
Flege
, and
E. A.
Sutter
,
Nat. Mater.
7
,
406
(
2008
).
40.
H. L.
Lu
,
C. D.
Zhang
,
H. M.
Guo
,
H. J.
Gao
,
M.
Liu
,
J. A.
Liu
,
G.
Collins
, and
C. L.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
2
,
2496
(
2010
).
41.
M. K.
Yakes
,
D.
Gunlycke
,
J. L.
Tedesco
,
P. M.
Campbell
,
R. L.
Myers-Ward
,
C. R.
Eddy
, Jr.
,
D. K.
Gaskill
,
P. E.
Sheehan
, and
A. R.
Laracuente
,
Nano Lett.
10
,
1559
(
2010
).
42.
M.
Liu
,
Q.
Zou
,
C. R.
Ma
,
G.
Collins
,
S.-B.
Mi
,
C.-L.
Jia
,
H. M.
Guo
,
H. J.
Gao
, and
C. L.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
8526
(
2014
).
43.
Q.
Zou
,
M.
Liu
,
G. Q.
Wang
,
H. L.
Lu
,
T. Z.
Yang
,
H. M.
Guo
,
C. R.
Ma
,
X.
Xu
,
M. H.
Zhang
,
J. C.
Jiang
,
E. I.
Meletis
,
Y.
Lin
,
H. J.
Gao
, and
C. L.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
6704
(
2014
).
44.
J. C.
Li
,
Y.
Wang
, and
D. C.
Ba
,
Phys. Procedia
32
,
347
(
2012
).
45.
C.
Durand
,
X.-G.
Zhang
,
S. M.
Hus
,
C.
Ma
,
M. A.
McGuire
,
Y.
Xu
,
H.
Cao
,
I.
Miotkowski
,
Y. P.
Chen
, and
A.-P.
Li
,
Nano Lett.
16
,
2213
(
2016
).
46.
T.
Kambe
,
R.
Sakamoto
,
T.
Kusamoto
,
T.
Pal
,
N.
Fukui
,
K.
Hoshiko
,
T.
Shimojima
,
Z.
Wang
,
T.
Hirahara
,
K.
Ishizaka
,
S.
Hasegawa
,
F.
Liu
, and
H.
Nishihara
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
14357
(
2014
).
47.
Z.
Shi
,
H.
Lu
,
L.
Zhang
,
R.
Yang
,
Y.
Wang
,
D.
Liu
,
H.
Guo
,
D.
Shi
,
H.
Gao
,
E.
Wang
, and
G.
Zhang
,
Nano Res.
5
,
82
(
2011
).
48.
S.
Just
,
M.
Blab
,
S.
Korte
,
V.
Cherepanov
,
H.
Soltner
, and
B.
Voigtländer
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
066801
(
2015
).
49.
A.
Bannani
,
C.
Bobisch
, and
R.
Möller
,
Science
315
,
1824
(
2007
).
50.
C. A.
Bobisch
,
A.
Bannani
,
A.
Bernhart
,
E.
Zubkov
,
B.
Weyers
, and
R.
Möller
,
J. Phys.: Conf. Ser.
100
,
052064
(
2008
).
51.
M.
Gao
,
Y.
Pan
,
C.
Zhang
,
H.
Hu
,
R.
Yang
,
H.
Lu
,
J.
Cai
,
S.
Du
,
F.
Liu
, and
H.-J.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
053109
(
2010
).
52.
Y.
Kuk
and
P. J.
Silverman
,
Rev. Sci. Instrum.
60
,
165
(
1989
).
53.
A. I.
Oliva
,
M.
Aguilar
, and
V.
Sosa
,
Meas. Sci. Technol.
9
,
383
(
1998
).
54.
Ch.
Gerber
,
G.
Binnig
,
H.
Fuchs
,
O.
Marti
, and
H.
Rohrer
,
Rev. Sci. Instrum.
57
,
221
(
1986
).
55.
J. M.
Hensley
,
A.
Peters
, and
S.
Chu
,
Rev. Sci. Instrum.
70
,
2735
(
1999
).
56.
C. R.
Ast
,
M.
Assig
,
A.
Ast
, and
K.
Kern
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
093704
(
2008
).
57.
Y. J.
Song
,
A. F.
Otte
,
V.
Shvarts
,
Z.
Zhao
,
Y.
Kuk
,
S. R.
Blankenship
,
A.
Band
,
F. M.
Hess
, and
J. A.
Stroscio
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
121101
(
2010
).
58.
B.
Bhushan
,
Nanotribology and Nanomechanics: An Introduction
(
Springer Science & Business Media
,
2008
), p.
183
.
59.
W.
Guo
,
B.
Wu
,
Y.
Li
,
L.
Wang
,
J.
Chen
,
B.
Chen
,
Z.
Zhang
,
L.
Peng
,
S.
Wang
, and
Y.
Liu
,
ACS Nano
9
,
5792
(
2015
).
60.
G.
Li
,
A.
Luican
, and
E. Y.
Andrei
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
073701
(
2011
).
61.
S.
Higuchi
,
H.
Kuramochi
,
O.
Kubo
,
S.
Masuda
,
Y.
Shingaya
,
M.
Aono
, and
T.
Nakayama
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
043701
(
2011
).
62.
I.
Miccoli
,
F.
Edler
,
H.
Pfnür
, and
C.
Tegenkamp
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
223201
(
2015
).
63.
L. J.
Van der Pauw
,
Philips Res. Rep.
13
,
1
(
1958
).
64.
S.
Das Sarma
,
S.
Adam
,
E. H.
Hwang
, and
E.
Rossi
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
407
(
2011
).
You do not currently have access to this content.