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  • 掃描探針顯微鏡在納米科技發展中的應用

    2016-04-18新聞資訊

    ?????納米科技的發展離不開各種顯微技術的出現,這其中最常見的莫過于大家所熟悉的光學顯微鏡。在此基礎上,為了提高分辨率,人們又設計用電子束代替光子,出現了各種電子顯微鏡。掃描探針顯微鏡(Scanning?Probe?Microscope,簡稱SPM)是一類特殊的顯微鏡,?它涵蓋了掃描隧道顯微鏡(Scanning?Tunnelling?Microscope,簡稱STM),原子力顯微鏡(Atomic?Force?Microscope,簡稱AFM),以及在此基礎上延伸出的一系列顯微模式。顧名思義,這類顯微鏡是基于納米探針與樣品的作用來成像的。如果將我們熟知的光學顯微方法比作是用IIII看世界的話,那么SPM就是“盲人摸象”。探針就像是顯微鏡的“手”,觸摸著納米材料的表面,并將它“摸到”的世界告訴大家。


    ?????SPM是目前世界上分辨率最高的顯微鏡,可以在實空間看到單個原子,這是其它顯微方法所無法比擬的。同時,SPM直接給出的是三維的立體結果,比起大部分顯微鏡的二維成像來說,多了一個維度的信息。此外,SPM還具有成像環境多樣,應用靈活等優點。這些特質使得SPM表征技術幾乎滲透到了納米科技的各個領域。與此同時,SPM自80年代發明以來,本身也在不斷進步。目前已經發展出了幾十種探測模式。這類獨特的顯微技術正伴隨了納米科技的發展,而展現出強大的生命力。
    ?????SPM的誕生于1981?年,第一成員是掃描隧道顯微鏡(sTM)。1981年,?IBM實驗室的Binning和Rohrer采用對探針和樣品間的遂道電流的反饋控制,實現對樣品表面輪廓的探測。STM所達到的效果是驚人的,Binning和Rohrer直接看到了硅表面的單個原子。STM作為掃描探針顯微鏡家族的第一個成員,為以后SPM的迅猛發展奠定了基礎。而實現實空間原子成像也使STM成為目前分辨率最高的顯微鏡。Binning和Rohrer也因此獲得了1986?年諾貝爾物理學獎。?
    ?????STM雖然驚艷,但美中不足的是只能對導電樣品成像,無法用于絕緣樣品。1986年,IBM公司Binning和Stanford大學的Quate?研發出了原子力顯微鏡(AFM),彌補了STM的不足。AFM的出現給SPM這個家族帶來了極大的發展空間,除了測試表面的形貌外,人們嘗試在AFM的基礎上,加入各種傳感,來獲取更多種物質的信息。?如今的掃描探針顯微鏡,已經涵蓋了物理,化學,生物等各個領域的應用。小小的探針傳遞著各種來自納米世界的聲音。?
    ?????掃描探針顯微鏡的特點和應用:SPM從出現開始就震驚世界,?經過三十年左右的發展,更是成為納米研究領域的研究利器,其獨特性主要表現在:(1)三維實空間成像;(2)高分辨;(3)成像環境無特別要求;(4)拓展模式豐富多樣。這些特質使得SPM無可替代。?
    ?????1三維實空間成像
    ?????由于可以直接測到樣品表面微結構的高度信息,且測量穩定性高,兇此SPM在納米材料的科研以及工藝檢測上應用廣泛。如薄膜工藝中膜厚的觀測;材料生長中實時形貌的觀察;刻蝕工藝中工藝效果的反饋等。?
    ?????2高分辨
    ?????SPM作為目前世界上分辨率最高的顯微鏡,其橫向分辨率可以達到0.1?nm(納米),縱向分辨率高達到0.01nm。其高分辨集中體現在了原子成像,以及對原子分子結構的研究。甚至可以直接用STM來操縱原子。SPM將我們對世界的認知真正提升到了原子層面。?
    ????? 3成像環境
    ?????SPM的另一大優勢就是在空氣,液體,以及真空環境中均可成像。因此,液相AFM成為一大應用熱點,尤其是在生物領域。眾所周知,如何在測試過程中保持生物活性,對于研究實際生物特性意義重大。液相AFM可以在培養液中對活細胞,微生物等直接成像,從而在生物研究中獨樹一幟。除此之外,液相AFM還廣泛到了化學等領域。如用電化學AFM、STM直接觀察樣品的物質析出,欠電位沉積過程等。?
    ?????4拓展功能豐富多樣
    ?????SPM除了傳統地對表面形貌進行成像外,目前已經衍生出多種拓展模式,如測量樣品導電性的導電原子力、靜電力,測量半導體摻雜分布的掃描電容顯微模式等。AFM探針還可以作為機械手,對材料進行納米刻蝕,納米加工等表面改性的工作。除此之外,新的測量模式也在不斷孕育。SPM方法展現出了強大的靈活性和生命力。?
    ?????掃描探針顯微鏡在我國的發展前景:掃描探針顯微鏡已經成為納米研究領域的不可或缺的分支。近年來,隨著我國對科研的大量投入,SPM在我國也呈現了勃勃的生機。大量國際頂尖品牌的SPM,?如Broker、Asylum?Research和JPK等落戶在各大高校和研究所以?及一些高新技術企業中。而我國科研工作者們在SPM研究工作中,?也已經取得了不少突破性的工作。隨著我們整體科技水平的迅速提升,SPM領域必將展現出越來越多中國人的貢獻。?

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