掃描探針顯微鏡納米加工系統(tǒng)

? ? ? ?基于原子力顯微鏡（AFM）或掃描探針顯微鏡（SPM）的納米加工功能，充分發(fā)揮納米尺度的探針針尖對(duì)樣品可控作用，實(shí)施納米尺度的加工。有別于通常概念，基于掃描探針顯微鏡的納米加工，其”加工“實(shí)際上是廣義的，不只指對(duì)樣品表面的機(jī)械刻畫(huà)，還包括通過(guò)針尖可控吸附對(duì)樣品表面的改性或移動(dòng)、操縱、搬運(yùn)（如在樣品表面移動(dòng)納米顆粒等），甚至包括通過(guò)在針尖施加在納米尺度上高度局域的電場(chǎng)誘導(dǎo)樣品表面可控的物理化學(xué)變化（如氧化、極化等）。

? ? ? ?本原納米儀器的掃描探針顯微鏡納米加工系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

• 精確的路徑位移定位
• 自定義圖形加載功能
• 可以在納米級(jí)尺度上加工任意需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)
• 圖形刻蝕模式?? ?　

? ? ? ?在掃描探針顯微鏡中，納米加工和操縱是與掃描成像交替進(jìn)行的，全過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)儀器的控制精度和線性度（決定探針的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡）、儀器穩(wěn)定性和重復(fù)性（決定能否在加工或操縱完成后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行原位檢測(cè)）要求很高，換言之，儀器是否具備納米加工功能，不僅是單純的功能差別，也從另一個(gè)方面反映了性能的高低，具備納米加工功能的儀器，無(wú)論是精度還是穩(wěn)定性，都具有較高的水平。

? ? ? ?以下就基于本原掃描探針顯微鏡（SPM）/原子力顯微鏡（AFM）的常用的納米加工技術(shù)（模式）加以說(shuō)明：

圖形化刻蝕模式

? ? ? ?利用用電致刻蝕技術(shù)，可以在納米級(jí)尺度上加工任意需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 ??
? ? ? ?電致刻蝕主要由一個(gè)施加在樣品與表面間的脈沖電壓引起，當(dāng)所加電壓超過(guò)閾值時(shí)，暴露在電場(chǎng)下的樣品表面會(huì)發(fā)生化學(xué)或物理變化。這些變化或者可逆或者不可逆，其機(jī)理可以直接歸因于電場(chǎng)效應(yīng)，高度局域化的強(qiáng)電場(chǎng)可以誘導(dǎo)原子的場(chǎng)蒸發(fā)，也可以由電流焦耳熱或原子電遷移引起樣品表面的變化。通過(guò)控制脈沖寬度和脈幅可以限制刻蝕表面的橫向分辨率，這些變化通常不僅表現(xiàn)在表面形貌上，通過(guò)檢測(cè)其導(dǎo)電性、dI/dS、dI/dV、摩擦力還可以分辨出襯底的修飾情況。

? ? ? ?下圖為研究人員在本原的原子力顯微鏡上采用該技術(shù)在Si表面進(jìn)行納米加工得到的結(jié)果：

壓痕/機(jī)械刻畫(huà)

? ? ? ?操縱微探針以可控的作用力對(duì)樣品表面進(jìn)行局域施壓,使樣品發(fā)生彈性/塑性形變；也可在施壓的同時(shí)，控制探針以一定的路徑和速度在樣品運(yùn)動(dòng)，對(duì)樣品進(jìn)行機(jī)械刻畫(huà)。

? ? ? ?基于掃描探針顯微鏡(SPM)系統(tǒng)的壓痕/機(jī)械刻畫(huà)功能，為在納米尺度上評(píng)價(jià)材料的機(jī)械和運(yùn)動(dòng)性能，或在樣品表面構(gòu)建特定的納米結(jié)構(gòu)提供了一種方便實(shí)用的研究手段。

? ? ? ?下圖為研究人員在本原的原子力顯微鏡上采用該技術(shù)在聚碳酸酯表面進(jìn)行納米加工得到的結(jié)果：

DPN浸潤(rùn)筆模式

? ? ? ?浸潤(rùn)筆（Dip-Pen Nanolithography，DPN）利用已作過(guò)分子修飾的探針，通過(guò)控制探針與樣品間的相互作用條件，來(lái)實(shí)現(xiàn)探針針尖到樣品表面的分子傳輸。DPN的原理如下圖所示：

? ? ? ?DPN實(shí)際上是一種簡(jiǎn)便的從探針針尖到樣品表面的輸運(yùn)分子的方法，其分辨率可媲美電子束刻蝕等方法，對(duì)納米器件的功能化更為有用矢量掃描模式。

? ? ? ?下圖為研究人員在本原的原子力顯微鏡上采用該技術(shù)在云母表面進(jìn)行納米加工得到的結(jié)果：

矢量掃描模式

? ? ? ?系統(tǒng)提供一個(gè)向量腳本編譯器，允許用戶任意指定掃描方向、距離、速度及加工參數(shù)（如作用力、電流、電壓等），直接操縱探針運(yùn)動(dòng)，同時(shí)靈活測(cè)定各種信號(hào)和數(shù)據(jù)。矢量掃描模式的原理如下圖所示：

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