开放式多功能扫描探针显微镜系统

吴浚瀚 杨德亮 吴浚泓 袁伟华 黄桂珍 商广义 万立骏 白春礼

(中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术重点实验室,北京100080

(中国科学院化学研究所本原纳米仪器有限公司,北京100080

摘要  开放式多功能扫描探针显微镜,集成扫描隧道显微镜、原子力显微镜、横向力显微镜和静电力显微镜,具有接触、半接触和非接触工作模式,可进行作用力、电流、电位、光能量等参数的高度局域综合测量,具有极高的开放性和可扩展性,支持用户进行二次开发。

关键词  扫描探针显微镜;原子力显微镜;扫描隧道显微镜;开放式;多功能;纳米科技

中图分类号 TN16

1 前言

扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes, SPM)的技术核心在于它具有极高的可控空间定位精度(优于0.1nm量级),因而使得它不但具有极高的分辨率(可达原子级分辨),而且具有极高的操纵和加工精度(可实现单原子操纵)。

虽然纳米科技的历史可以追溯到1959年著名物理学家费曼在美国物理年会上的一次富有远见的报告,但一般认为,直到19907月,第一届国际纳米科技会议和第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔的摩同时举行,纳米科学技术这一崭新的学科才正式诞生[1]。事实上,在今天和可以预见的将来,扫描探针显微镜不但是纳米科技的锐利眼睛,而且是纳米科技的灵巧手指,是纳米科技的核心技术支撑之一。同时,扫描探针显微镜技术也是最重要的纳米尺度检测和表征技术。

2 扫描探针显微镜的发展及应用

1982年,G.BinnigH.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopes, STM[2],并因此获得1986年诺贝尔物理奖。此后,Binnig等人又研制成功原子力显微镜(AFM[3]1988年,国外开始利用激光技术改进原子力显微镜,研制出激光检测的原子力显微镜(Laser-AFM),是目前应用最为广泛的原子力显微镜,也称AFM)并于次年达到原子级分辨率[4-6]。此后,类似原理的仪器相继问世,由于它们都有一个共同的特点:利用探针对被测样品进行扫描,同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用(如样品-探针间的隧道电流或相互作用力等),得到样品相关性质(如电子态密度、形貌、摩擦力、磁畴结构等),因而统称为扫描探针显微镜(SPM)。

我国在该领域的研究和开发工作起步很早,中国科学院化学研究所1987年起先后研制成功了我国的第一台扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM),激光检测原子力显微镜(Laser-AFM等扫描探针显微镜仪器[7-10],并广泛和深入地开展相关应用研究,先后获得国家科技进步二、三等奖,中科院科技进步一、二等奖等和国家发明专利多项。自1989年起,中科院化学所本原纳米仪器公司批量生产相关仪器,其中CSTM/CSPM系列扫描探针显微镜(SPM)累计产销百余台,装备了我国(包括港、台地区)和美国、日本、新加坡等一批高水准的实验室并取得了大量高水平的应用成果。

经过20年的发展,迄今扫描探针显微镜家族已经包括了20多种仪器,并且一直还在发展之中。表1为目前国际上应用较广、也相对比较成熟的几种扫描探针显微镜仪器[11-12]

1、几种常见的扫描探针显微镜仪器

 

名称

检测信号

分辨率

备注

 

扫描探针显微镜(扫描探针显微镜)

扫描隧道显微镜(STM

探针-样品间的隧道电流

 

0.1nm量级

(原子级分辨率)

 

原子力显微镜(AFM

探针-样品间的原子作用力

统称为扫描力显微镜(SFM

横向力显微镜(LFM

探针-样品间相对移动的横向作用力

磁力显微镜(MFM

磁性探针-磁性样品间的磁力

10nm量级

静电力显微镜(EFM

带电荷探针-带电荷样品间的静电力

1nm量级

近场光学显微镜(SNOM

光探针接收到样品近场的光辐射

10-100nm量级

 

以中科院化学所扫描探针显微镜(扫描探针显微镜,SPM)为代表的国产仪器,在主要技术指标和仪器性能等方面均达到国际先进水平。以C扫描探针显微镜-2000型扫描探针显微镜(SPM)为例,该机集成了扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和横向力显微镜(LFM),分辨率达到0.1nm,最大扫描范围为100μm,自带I-V和力曲线等谱学功能和多种纳米加工功能,具有接触和轻敲多种原子力显微镜(AFM)工作模式,同时具有振幅和相差成像技术,系统实现了基于DSP的全数字反馈控制,在线控制软件和后分析软件可运行于Win 9X/Me/2000/XP等操作系统[13]。图1-3C扫描探针显微镜-2000we型扫描探针显微镜(扫描探针显微镜,SPM)得到的结果[14-15]

1.多孔氧化铝模板(Porous Alumina
 
Membranes)的原子力显微镜图象

2.pSi(111)上以氧化法进行纳米
加工得到的中科院院徽              

3.浸笔印刷术(DPN)在金基底上
1
6-己二硫醇的摩擦力图像

3 开放式多功能扫描探针显微镜

扫描探针显微镜(SPM)应用于各学科研究时所遇到的各种现象和问题及其解决,推动着新的扫描探针显微镜(SPM)仪器的发明和完善,而且,扫描探针显微镜技术(SPM)与其他技术的结合,产生了许多新技术和新发现。

一方面,研究人员应用通用的扫描探针显微镜(SPM)仪器作为技术手段进行研究工作,另一方面,针对自己的研究领域和研究课题,他们也通过改造现成的扫描探针显微镜(SPM)仪器以满足其特殊应用的需求。随着纳米科技的持续深入的发展,这种情况将日趋普遍。因此,用户对仪器的多功能和开放性要求 也越来越高,而目前进口和国产的商品化扫描探针显微镜(SPM)仪器,基于厂家自身的商业利益,一般不向用户开放软、硬件的底层技术资源,因而用户难于进行二次开发。

我们研制的开放式多功能扫描探针显微镜(SPM),系统结构如图4所示。与国外或我们以前的同类仪器相比,主要特色在于其开放式结构和多功能。所谓开放式结构,有两方面的意义:1、系统内部预留多个冗余的可控输入/输出信号处理通道,使得系统具有方便灵活的功能扩展能力;2、系统外部具备标准的开放接口,使得系统具备强大的外接功能,满足用户进行二次开发的特殊要求。在扫描探针显微镜探头的电子和机械部分、电子控制电路部分、控制软件系统等各个子系统,从最初规划到最终完成,除实现内部的设计功能,更为日后其他应用预留扩展空间,使其易于满足不同用户的特殊应用。所谓多功能,也包含两个层次的含义:1、在一个系统上,实现多种扫描探针显微镜测试技术或纳米加工方法,即克服现有扫描探针显微镜只能同时获得物体单一性质的不足,提高电、光、力的综合与实时探测能力。2、在一种扫描探针显微镜测试技术或纳米加工方法中同时或交替进行多种测量和操纵。实际上,系统的多功能和开放式结构是统一的,多功能是其开放式结构的结果,而开放式结构是其多功能的必备条件。

4. 开放式多功能扫描探针显微镜(SPM)系统结构示意图 

因此,我们研制的多功能开放式扫描探针显微镜(SPM),实际上是一个能直接供应给用户的,集成扫描隧道显微镜,原子力显微镜,LFMEFM的,具有接触、半接触和非接触工作模式的,可进行作用力、电流、电位、光能量等参数的高度局域测量的,具有极高的开放性和可扩展性的扫描探针显微镜系统。它主要包括:

a.开放的探头平台:包括可分解独立式具有内/外部扫描器底座、扫描/固定样品台、多功能单体扫描探针检测头等;

b.电子控制系统:包括高稳定的低压和高压电源、基于DSP的自动反馈控制系统、基于DDS技术的高稳定信号源、基于高压集成运算放大器的低噪音高压扫描驱动电路、高速高分辨A/DD/A,基于Intel x86处理器的系统控制调度内嵌核心模块等;

c.系统软件:包括内嵌系统的高度实时性控制软件、for Microsoft Windows 9X/Me/2000/XP全系列操作系统的用户控制界面软件、内嵌系统和用户操作软件的通信软件模块、实时采集数据的离线分析处理软件。

从仪器特点讲,开放式多功能扫描探针显微镜(SPM),由于同时具有多种功能,可广泛应用于各常规研究领域,又因其具有开放式结构,更能够或容易满足各个特殊领域和特殊应用的需求。

从应用的领域讲,开放式多功能的扫描探针显微镜(SPM),可以广泛应用于表面科学、物理学和化学、微电子学、电子材料学、先进材料和纳米材料、纳米粉体、生命科学、先进制造和加工技术、以及超高密度信息存储等研究领域。

从仪器的功能来讲,开放式多功能扫描探针显微镜(SPM)作为一种在纳米级尺度上既能够成像,又能够进行微观和高度空间局域的性质测量,同时具备加工和操纵功能,可在大气下、液体或可控环境中工作的仪器,适用于以下几类研究:超微尺度空间结构、电流密度场、摩擦力场、电势分布等的等高线绘制;纳米尺度的接触力检测、摩擦力检测、电学性质检测、隧道结I-VdI/dV特性检测、微区电磁场检测;利用刻蚀和场蒸发等方法在纳米尺度上构筑和加工结构单元、利用脉冲信号实现纳米尺度的信息单元存储等;利用连续成像技术,监控和重现纳米空间上的变化过程(即纳米电影)。

4 结束语

未来的前沿科技具有纳米科技的特征,纳米科技已是今后高科技的基础,随着纳米科技发展和纳米产业的兴起,扫描探针显微镜(SPM)的应用将日趋深入、广泛和普及,尤其是大量跨学科前瞻性研究工作的开展及新兴研究和应用领域出现,多功能开放式的扫描探针显微镜仪器将更具应用前景。

参考文献

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[2] Binnig, G., Rohrer. H., Appl. Phys. Lett.,1981,40:178-181.
[3] Binnig, G., Quate,C.F., Gerber, Ch., Phys. Rev. Lett., 1986, 56:930-933.
[4] Amer, N. M., Meyer, G., Bull. Am. Phys. Soc., 1988, 33:319-323.
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白春礼,田芳,扫描力显微镜,现代科学仪器 19981-2),79-83.
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[14] Yu-Guo Guo, Li-Jun Wan, Jian-Ru Gong, Chun-Li Bai, Prearation And dispersion of Ni-Cu composite nanoparticles, Phys.Chem.Chem.Phys., 2002, 4, 3422-2424.

[15]
宫建茹,万立骏,白春礼,扫描探针纳米加工技术的现状与发展趋势,大学化学,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 (扫描探针显微镜), which includes scanning tunneling microscopy (扫描隧道显微镜,STM), atomic force microscopy (原子力显微镜,AFM), lateral force microscopy (横向力显微镜,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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