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開放式多功能掃描探針顯微鏡系統

吳浚瀚 楊德亮 吳浚泓 袁偉華 黃桂珍 商廣義 萬立駿 白春禮

(中國科學院化學研究所分子納米結構與納米技術重點實驗室,北京100080

(中國科學院化學研究所本原納米儀器有限公司,北京100080

摘要  開放式多功能掃描探針顯微鏡,集成掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、橫向力顯微鏡和靜電力顯微鏡,具有接觸、半接觸和非接觸工作模式,可進行作用力、電流、電位、光能量等參數的高度局域綜合測量,具有極高的開放性和可擴展性,支持用戶進行二次開發。

關鍵字  掃描探針顯微鏡;原子力顯微鏡;掃描隧道顯微鏡;開放式;多功能;納米科技

中圖分類號 TN16

1 前言

掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscopes, SPM)的技術核心在於它具有極高的可控空間定位精度(優於0.1nm量級),因而使得它不但具有極高的解析度(可達原子級分辨),而且具有極高的操縱和加工精度(可實現單原子操縱)。

雖然納米科技的歷史可以追溯到1959年著名物理學家費曼在美國物理年會上的一次富有遠見的報告,但一般認為,直到19907月,第一屆國際納米科技會議和第五屆國際掃描隧道顯微學會議在美國巴爾的摩同時舉行,納米科學技術這一嶄新的學科才正式誕生[1]。事實上,在今天和可以預見的將來,掃描探針顯微鏡不但是納米科技的銳利眼睛,而且是納米科技的靈巧手指,是納米科技的核心技術支撐之一。同時,掃描探針顯微鏡技術也是最重要的納米尺度檢測和表徵技術。

2 掃描探針顯微鏡的發展及應用

1982年,G.BinnigH.Rohrer研製成功掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopes, STM[2],並因此獲得1986年諾貝爾物理獎。此後,Binnig等人又研製成功原子力顯微鏡(AFM[3]1988年,國外開始利用雷射技術改進原子力顯微鏡,研製出鐳射檢測的原子力顯微鏡(Laser-AFM),是目前應用最為廣泛的原子力顯微鏡,也稱AFM)並於次年達到原子級解析度[4-6]。此後,類似原理的儀器相繼問世,由於它們都有一個共同的特點:利用探針對被測樣品進行掃描,同時檢測掃描過程中探針與樣品的相互作用(如樣品-探針間的隧道電流或相互作用力等),得到樣品相關性質(如電子態密度、形貌、摩擦力、磁疇結構等),因而統稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。

我國在該領域的研究和開發工作起步很早,中國科學院化學研究所1987年起先後研製成功了我國的第一台掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM),鐳射檢測原子力顯微鏡(Laser-AFM等掃描探針顯微鏡儀器[7-10],並廣泛和深入地開展相關應用研究,先後獲得國家科技進步二、三等獎,中科院科技進步一、二等獎等和國家發明專利多項。自1989年起,中科院化學所本原納米儀器公司批量生產相關儀器,其中CSTM/CSPM系列掃描探針顯微鏡(SPM)累計產銷百餘台,裝備了我國(包括港、臺地區)和美國、日本、新加坡等一批高水準的實驗室並取得了大量高水準的應用成果。

經過20年的發展,迄今掃描探針顯微鏡家族已經包括了20多種儀器,並且一直還在發展之中。表1為目前國際上應用較廣、也相對比較成熟的幾種掃描探針顯微鏡儀器[11-12]

1、幾種常見的掃描探針顯微鏡儀器

 

名稱

檢測信號

解析度

備註

 

掃描探針顯微鏡(掃描探針顯微鏡)

掃描隧道顯微鏡(STM

探針-樣品間的隧道電流

 

0.1nm量級

(原子級解析度)

 

原子力顯微鏡(AFM

探針-樣品間的原子作用力

統稱為掃描力顯微鏡(SFM

橫向力顯微鏡(LFM

探針-樣品間相對移動的橫向作用力

磁力顯微鏡(MFM

磁性探針-磁性樣品間的磁力

10nm量級

靜電力顯微鏡(EFM

帶電荷探針-帶電荷樣品間的靜電力

1nm量級

近場光學顯微鏡(SNOM

光探針接收到樣品近場的光輻射

10-100nm量級

 

以中科院化學所掃描探針顯微鏡(掃描探針顯微鏡,SPM)為代表的國產儀器,在主要技術指標和儀器性能等方面均達到國際先進水準。以C掃描探針顯微鏡-2000型掃描探針顯微鏡(SPM)為例,該機集成了掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)和橫向力顯微鏡(LFM),解析度達到0.1nm,最大掃描範圍為100μm,自帶I-V和力曲線等譜學功能和多種納米加工功能,具有接觸和輕敲多種原子力顯微鏡(AFM)工作模式,同時具有振幅和相差成像技術,系統實現了基於DSP的全數位回饋控制,線上控制軟體和後分析軟體可運行於Win 9X/Me/2000/XP等作業系統[13]。圖1-3C掃描探針顯微鏡-2000we型掃描探針顯微鏡(掃描探針顯微鏡,SPM)得到的結果[14-15]

1.多孔氧化鋁範本(Porous Alumina
 
Membranes)的原子力顯微鏡圖像

2.pSi(111)上以氧化法進行納米
加工得到的中科院院徽              

3.浸筆印刷術(DPN)在金基底上
1
6-己二硫醇的摩擦力圖像

3 開放式多功能掃描探針顯微鏡

掃描探針顯微鏡(SPM)應用於各學科研究時所遇到的各種現象和問題及其解決,推動著新的掃描探針顯微鏡(SPM)儀器的發明和完善,而且,掃描探針顯微鏡技術(SPM)與其他技術的結合,產生了許多新技術和新發現。

一方面,研究人員應用通用的掃描探針顯微鏡(SPM)儀器作為技術手段進行研究工作,另一方面,針對自己的研究領域和研究課題,他們也通過改造現成的掃描探針顯微鏡(SPM)儀器以滿足其特殊應用的需求。隨著納米科技的持續深入的發展,這種情況將日趨普遍。因此,用戶對儀器的多功能和開放性要求 也越來越高,而目前進口和國產的商品化掃描探針顯微鏡(SPM)儀器,基於廠家自身的商業利益,一般不向用戶開放軟、硬體的底層技術資源,因而用戶難於進行二次開發。

我們研製的開放式多功能掃描探針顯微鏡(SPM),系統結構如圖4所示。與國外或我們以前的同類儀器相比,主要特色在於其開放式結構和多功能。所謂開放式結構,有兩方面的意義:1、系統內部預留多個冗餘的可控輸入/輸出信號處理通道,使得系統具有方便靈活的功能擴展能力;2、系統外部具備標準的開放介面,使得系統具備強大的外接功能,滿足用戶進行二次開發的特殊要求。在掃描探針顯微鏡探頭的電子和機械部分、電子控制電路部分、控制軟體系統等各個子系統,從最初規劃到最終完成,除實現內部的設計功能,更為日後其他應用預留擴展空間,使其易於滿足不同用戶的特殊應用。所謂多功能,也包含兩個層次的含義:1、在一個系統上,實現多種掃描探針顯微鏡測試技術或納米加工方法,即克服現有掃描探針顯微鏡只能同時獲得物體單一性質的不足,提高電、光、力的綜合與即時探測能力。2、在一種掃描探針顯微鏡測試技術或納米加工方法中同時或交替進行多種測量和操縱。實際上,系統的多功能和開放式結構是統一的,多功能是其開放式結構的結果,而開放式結構是其多功能的必備條件。

4. 開放式多功能掃描探針顯微鏡(SPM)系統結構示意圖 

因此,我們研製的多功能開放式掃描探針顯微鏡(SPM),實際上是一個能直接供應給用戶的,集成掃描隧道顯微鏡,原子力顯微鏡,LFMEFM的,具有接觸、半接觸和非接觸工作模式的,可進行作用力、電流、電位、光能量等參數的高度局域測量的,具有極高的開放性和可擴展性的掃描探針顯微鏡系統。它主要包括:

a.開放的探頭平臺:包括可分解獨立式具有內/外部掃描器底座、掃描/固定樣品台、多功能單體掃描探針檢測頭等;

b.電子控制系統:包括高穩定的低壓和高壓電源、基於DSP的自動回饋控制系統、基於DDS技術的高穩定信號源、基於高壓集成運算放大器的低噪音高壓掃描驅動電路、高速高分辨A/DD/A,基於Intel x86處理器的系統控制調度內嵌核心模組等;

c.系統軟體:包括內嵌系統的高度即時性控制軟體、for Microsoft Windows 9X/Me/2000/XP全系列作業系統的用戶控制介面軟體、內嵌系統和用戶操作軟體的通信軟體模組、即時採集資料的離線分析處理軟體。

從儀器特點講,開放式多功能掃描探針顯微鏡(SPM),由於同時具有多種功能,可廣泛應用於各常規研究領域,又因其具有開放式結構,更能夠或容易滿足各個特殊領域和特殊應用的需求。

從應用的領域講,開放式多功能的掃描探針顯微鏡(SPM),可以廣泛應用於表面科學、物理學和化學、微電子學、電子材料學、先進材料和納米材料、納米粉體、生命科學、先進製造和加工技術、以及超高密度資訊存儲等研究領域。

從儀器的功能來講,開放式多功能掃描探針顯微鏡(SPM)作為一種在納米級尺度上既能夠成像,又能夠進行微觀和高度空間局域的性質測量,同時具備加工和操縱功能,可在大氣下、液體或可控環境中工作的儀器,適用於以下幾類研究:超微尺度空間結構、電流密度場、摩擦力場、電勢分佈等的等高線繪製;納米尺度的接觸力檢測、摩擦力檢測、電學性質檢測、隧道結I-VdI/dV特性檢測、微區電磁場檢測;利用刻蝕和場蒸發等方法在納米尺度上構築和加工結構單元、利用脈衝信號實現納米尺度的資訊單元存儲等;利用連續成像技術,監控和重現納米空間上的變化過程(即納米電影)。

4 結束語

未來的前沿科技具有納米科技的特徵,納米科技已是今後高科技的基礎,隨著納米科技發展和納米產業的興起,掃描探針顯微鏡(SPM)的應用將日趨深入、廣泛和普及,尤其是大量跨學科前瞻性研究工作的開展及新興研究和應用領域出現,多功能開放式的掃描探針顯微鏡儀器將更具應用前景。

參考文獻

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吳浚瀚,白春禮等,鐳射檢測原子力顯微鏡的研製,科學通報,389),7901993
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本原納米儀器公司,C掃描探針顯微鏡-2000系列掃描隧道顯微鏡簡介,www.掃描探針顯微鏡.com.cn, 2003,1,28.
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宮建茹,萬立駿,白春禮,掃描探針納米加工技術的現狀與發展趨勢,大學化學,18(1)72003.

The Open Multi-function Scanning Probe Microscope

Wu Junhan, Yang Deliang, Wu Junhong, Yuan Weihua, Huang Guizhen, Mou Tao, Shang Guangyi, Wang Lijun, Bai Chunli
Key Lab of
 Molecule Nanostructure & Nanotechnology, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences
Benyuan Nano-instruments Ltd.,
Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences

Abstract   The multi-function open scanning probe microscopy (掃描探針顯微鏡), which includes scanning tunneling microscopy (掃描隧道顯微鏡,STM), atomic force microscopy (原子力顯微鏡,AFM), lateral force microscopy (橫向力顯微鏡,LFM) and electrostatic force microscopy with contact mode, tapping mode and non-contact mode, is introduced in this paper.
Key words
 Scanning Probe Microscopy, Atomic Force Microscopy, Scanning Tunneling Microscopy, Open,Multi-function,Nanotechnology

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