扫描探针显微镜在纳米科技发展中的应用

2016-04-18新闻资讯

     纳米科技的发展离不开各种显微技术的出现,这其中最常见的莫过于大家所熟悉的光学显微镜。在此基础上,为了提高分辨率,人们又设计用电子束代替光子,出现了各种电子显微镜。扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,简称SPM)是一类特殊的显微镜, 它涵盖了扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscope,简称STM),原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM),以及在此基础上延伸出的一系列显微模式。顾名思义,这类显微镜是基于纳米探针与样品的作用来成像的。如果将我们熟知的光学显微方法比作是用IIII看世界的话,那么SPM就是“盲人摸象”。探针就像是显微镜的“手”,触摸着纳米材料的表面,并将它“摸到”的世界告诉大家。


     SPM是目前世界上分辨率最高的显微镜,可以在实空间看到单个原子,这是其它显微方法所无法比拟的。同时,SPM直接给出的是三维的立体结果,比起大部分显微镜的二维成像来说,多了一个维度的信息。此外,SPM还具有成像环境多样,应用灵活等优点。这些特质使得SPM表征技术几乎渗透到了纳米科技的各个领域。与此同时,SPM自80年代发明以来,本身也在不断进步。目前已经发展出了几十种探测模式。这类独特的显微技术正伴随了纳米科技的发展,而展现出强大的生命力。
     SPM的诞生于1981 年,第一成员是扫描隧道显微镜(sTM)。1981年, IBM实验室的Binning和Rohrer采用对探针和样品间的遂道电流的反馈控制,实现对样品表面轮廓的探测。STM所达到的效果是惊人的,Binning和Rohrer直接看到了硅表面的单个原子。STM作为扫描探针显微镜家族的第一个成员,为以后SPM的迅猛发展奠定了基础。而实现实空间原子成像也使STM成为目前分辨率最高的显微镜。Binning和Rohrer也因此获得了1986 年诺贝尔物理学奖。 
     STM虽然惊艳,但美中不足的是只能对导电样品成像,无法用于绝缘样品。1986年,IBM公司Binning和Stanford大学的Quate 研发出了原子力显微镜(AFM),弥补了STM的不足。AFM的出现给SPM这个家族带来了极大的发展空间,除了测试表面的形貌外,人们尝试在AFM的基础上,加入各种传感,来获取更多种物质的信息。 如今的扫描探针显微镜,已经涵盖了物理,化学,生物等各个领域的应用。小小的探针传递着各种来自纳米世界的声音。 
     扫描探针显微镜的特点和应用:SPM从出现开始就震惊世界, 经过三十年左右的发展,更是成为纳米研究领域的研究利器,其独特性主要表现在:(1)三维实空间成像;(2)高分辨;(3)成像环境无特别要求;(4)拓展模式丰富多样。这些特质使得SPM无可替代。 
     1三维实空间成像
     由于可以直接测到样品表面微结构的高度信息,且测量稳定性高,凶此SPM在纳米材料的科研以及工艺检测上应用广泛。如薄膜工艺中膜厚的观测;材料生长中实时形貌的观察;刻蚀工艺中工艺效果的反馈等。 
     2高分辨
     SPM作为目前世界上分辨率最高的显微镜,其横向分辨率可以达到0.1 nm(纳米),纵向分辨率高达到0.01nm。其高分辨集中体现在了原子成像,以及对原子分子结构的研究。甚至可以直接用STM来操纵原子。SPM将我们对世界的认知真正提升到了原子层面。 
      3成像环境
     SPM的另一大优势就是在空气,液体,以及真空环境中均可成像。因此,液相AFM成为一大应用热点,尤其是在生物领域。众所周知,如何在测试过程中保持生物活性,对于研究实际生物特性意义重大。液相AFM可以在培养液中对活细胞,微生物等直接成像,从而在生物研究中独树一帜。除此之外,液相AFM还广泛到了化学等领域。如用电化学AFM、STM直接观察样品的物质析出,欠电位沉积过程等。 
     4拓展功能丰富多样
     SPM除了传统地对表面形貌进行成像外,目前已经衍生出多种拓展模式,如测量样品导电性的导电原子力、静电力,测量半导体掺杂分布的扫描电容显微模式等。AFM探针还可以作为机械手,对材料进行纳米刻蚀,纳米加工等表面改性的工作。除此之外,新的测量模式也在不断孕育。SPM方法展现出了强大的灵活性和生命力。 
     扫描探针显微镜在我国的发展前景:扫描探针显微镜已经成为纳米研究领域的不可或缺的分支。近年来,随着我国对科研的大量投入,SPM在我国也呈现了勃勃的生机。大量国际顶尖品牌的SPM, 如Broker、Asylum Research和JPK等落户在各大高校和研究所以 及一些高新技术企业中。而我国科研工作者们在SPM研究工作中, 也已经取得了不少突破性的工作。随着我们整体科技水平的迅速提升,SPM领域必将展现出越来越多中国人的贡献。