掃描探針顯微鏡的特點

ARS的SPM(掃描探針顯微鏡)集成的低溫解決方案

使用RHK公司提供的PanScan自由STM(掃描隧道顯微鏡)系統(tǒng)結合ARS DMX-20B產(chǎn)品的可實現(xiàn)8K溫度下的原子級分辨率。

- 真正的超高真空，可烘烤至200℃
- 可選閉循環(huán)無液氦系統(tǒng)也可選液氦制冷系統(tǒng)
- 超低振動
    - (DMX-20B為3nm, LT-3B為埃米級)

使用DMX-20B產(chǎn)品的低溫條件下碳納米管的STM(掃描隧道顯微鏡)成像，G. Nazin供圖

掃描探針顯微鏡用哪些激光

掃描探針顯微鏡（SPM）是一種高精度的表面成像與分析工具，廣泛應用于材料科學、生物學、納米技術等多個領域。為了實現(xiàn)高分辨率的表面成像與測量，掃描探針顯微鏡通常需要結合激光技術。不同類型的激光在掃描探針顯微鏡中的應用，可以提高圖像分辨率、增強信號強度、或者實現(xiàn)特定的實驗功能。本文將深入探討掃描探針顯微鏡中常用的激光類型，以及它們各自的特點和應用場景。

激光在掃描探針顯微鏡中的作用

掃描探針顯微鏡的工作原理是通過探針與樣品表面之間的相互作用來獲取表面信息。激光在這一過程中，通常用于提供激發(fā)信號或是增強探針的反饋信號。通過激光激發(fā)，掃描探針顯微鏡能夠高效地獲取表面形貌、物質分布等信息。在使用不同波長的激光時，顯微鏡的解析度和靈敏度可以得到相應的提升，因此選擇合適的激光源是實驗成功的關鍵之一。

常用激光類型

1. 氦氖激光（HeNe激光） 氦氖激光是一種常見的單色激光，具有較長的波長（通常為632.8納米），適用于表面成像及拉曼光譜等技術。其優(yōu)點在于穩(wěn)定性強、成本相對較低，是早期掃描探針顯微鏡的常用激光。

2. 氬離子激光（Ar+激光） 氬離子激光通常具有較短的波長（如488納米和514納米），能夠提供更高的光強，適用于熒光成像、光散射等高分辨率成像應用。在掃描探針顯微鏡中，氬離子激光常用于納米尺度的表面特性分析。

3. 二氧化碳激光（CO2激光） 二氧化碳激光的波長較長（約10.6微米），常用于熱力學性質的研究。在一些需要加熱或表面化學反應的掃描探針顯微鏡實驗中，CO2激光能夠提供有效的能量源，促進樣品的熱響應。

4. 半導體激光（Diode激光） 半導體激光因其調(diào)節(jié)性強、體積小、成本較低而廣泛應用于掃描探針顯微鏡中。根據(jù)波長的不同，半導體激光可以為不同的實驗提供所需的光源。它們常用于光譜分析、近場光學顯微成像等高精度實驗中。

激光的選擇與應用

選擇合適的激光源通常取決于實驗的具體需求。波長的選擇直接影響到激發(fā)信號的效率與樣品的響應，因此不同的激光類型適用于不同的研究場景。例如，在進行生物樣品的熒光成像時，氬離子激光由于其較短的波長和高強度光源，經(jīng)常被用于激發(fā)熒光信號。而在進行納米尺度的材料分析時，氦氖激光由于其穩(wěn)定性和較低的功率常常被選用。

激光的光束質量和功率穩(wěn)定性也至關重要。掃描探針顯微鏡中的激光源需要具有良好的光束質量，以保證高精度的表面成像。穩(wěn)定的功率輸出能確保實驗結果的可重復性。

總結

掃描探針顯微鏡作為一種高精度的納米級分析工具，其性能在很大程度上依賴于激光源的選擇。不同波長和特性的激光能夠為各種實驗提供理想的激發(fā)源，從而提高成像分辨率、增強信號強度，或實現(xiàn)特定的實驗目標。隨著技術的發(fā)展，激光技術在掃描探針顯微鏡中的應用將更加廣泛和多樣化，這對于推動納米技術和表面科學的研究具有重要意義。

掃描探針顯微鏡（SPM）是一種在納米尺度上觀察和研究物質表面的先進儀器。通過利用探針與樣品表面相互作用，掃描探針顯微鏡可以提供極高的空間分辨率，使其在物理、化學、生命科學等多個領域都得到廣泛應用。本文將探討掃描探針顯微鏡的幾種主要類型，分析它們的工作原理、應用領域以及各自的優(yōu)勢與局限。了解這些不同類型的掃描探針顯微鏡，有助于選擇適合特定研究需求的工具。

一、原子力顯微鏡（AFM）

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）是掃描探針顯微鏡中為常見的一種。其工作原理是通過一根微小的探針掃描樣品表面，并測量探針與表面之間的相互作用力。這種顯微鏡能夠實現(xiàn)高分辨率的表面形貌成像，特別適用于樣品表面形態(tài)、機械性能以及納米尺度的力學特性分析。

AFM不僅可以在真空、空氣以及液體環(huán)境中操作，而且它的分辨率能夠達到亞納米級，廣泛應用于材料科學、納米技術以及生物學領域。在生物醫(yī)學中，AFM被用于觀察細胞表面、蛋白質及DNA分子的形態(tài)與結構。

二、掃描隧道顯微鏡（STM）

掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）是由物理學家吉爾伯特·諾思（Gerd Binnig）和海因茨·羅斯（Heinz Rohrer）于1981年發(fā)明的，它能夠對導電材料的表面進行原子級的成像。STM通過探針與樣品表面之間的量子隧道效應來實現(xiàn)表面成像。當探針接近樣品表面時，電流會發(fā)生變化，探測到的電流變化與表面原子排列密切相關，從而實現(xiàn)高分辨率成像。

STM的主要優(yōu)點是其超高的空間分辨率，能夠達到單個原子的水平，適用于研究導電材料的電子結構、表面缺陷以及原子尺度的自組裝現(xiàn)象。STM只能用于導電材料的成像，對于絕緣體的研究則存在一定的限制。

三、掃描近場光學顯微鏡（SNOM）

掃描近場光學顯微鏡（Scanning Near-field Optical Microscope, SNOM）是一種結合了光學和掃描探針顯微鏡技術的設備。與傳統(tǒng)的光學顯微鏡不同，SNOM能夠突破光的衍射極限，實現(xiàn)納米級的光學分辨率。它通過將光纖探針放置在樣品表面附近，利用近場光學效應進行成像。

SNOM具有獨特的優(yōu)勢，可以在納米尺度下探測光學信息，廣泛應用于生物分子、納米光子學和表面等離子體研究。由于其能夠在不破壞樣品的前提下獲得光學信息，SNOM對于材料科學和生物醫(yī)學領域有著重要的應用價值。

四、掃描熱針顯微鏡（SThM）

掃描熱針顯微鏡（Scanning Thermal Probe Microscopy, SThM）是一種測量樣品表面溫度分布的掃描探針顯微鏡。它利用熱探針與樣品表面之間的溫差，來測量熱導率、局部溫度以及熱性能等信息。SThM在研究納米尺度下的熱傳導和熱管理方面具有重要的應用價值，尤其在半導體和微電子設備的熱分析中發(fā)揮著重要作用。

SThM的優(yōu)勢在于其能夠以納米級別的空間分辨率研究材料的熱性質，能夠提供更為細致的熱動態(tài)分析，適用于電子、光學和材料領域。

五、掃描電化學顯微鏡（SECM）

掃描電化學顯微鏡（Scanning Electrochemical Microscope, SECM）結合了掃描探針顯微鏡和電化學技術，可以在納米尺度上進行電化學測量。通過探針與樣品表面間的電化學反應，SECM能夠實時監(jiān)測表面電位、反應速率以及電流變化等。它在研究電極反應、傳質過程以及腐蝕行為等方面具有獨特的優(yōu)勢。

SECM被廣泛應用于能源、環(huán)境和材料科學領域，尤其在電池研究和傳感器開發(fā)中，起到了重要的作用。

總結

掃描探針顯微鏡是一類高度精密的工具，各種類型的掃描探針顯微鏡在不同的研究領域中都有著獨特的優(yōu)勢。無論是原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、掃描近場光學顯微鏡，還是掃描熱針顯微鏡和掃描電化學顯微鏡，它們都提供了不同的研究角度和技術手段，為科學家們探索納米世界的奧秘提供了強大的支持。在實際應用中，選擇合適的掃描探針顯微鏡類型，能夠更加地滿足研究需求，推動科技創(chuàng)新的不斷發(fā)展。

本文轉載自  微系統(tǒng)與納米工程

Thermal scanning probe lithography—a review

Samuel Tobias Howell, Anya Grushina, Felix Holzner & Juergen Brugger 

 ( Microsystems Laboratory, école Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 1015, Lausanne, Switzerland)

Microsystems & Nanoengineering: volume 6, Article number: 16 (2020)

引用本文：https://www.nature.com/articles/s41378-019-0124-8

本文亮點：

1.  探討了掃描熱探針刻寫技術(thermal scanning probe lithography,t-SPL)的常規(guī)和獨特功能，尖細的探針快速準確的溫控實現(xiàn)納米級分辨率的材料表面加工。 

2. 總覽了t-SPL用于納米器件制備案例，從量子技術到材料科學t-SPL改進納米制備的過程。更多新興課題有待發(fā)掘。                                                                          

3. 探討用t-SPL去除材料，改變樣品材料的理化屬性或者在樣品表面沉積其他材料的實驗方法，參數(shù)和具體案例。

內(nèi)容簡介：

納米工作中需要制備各種納米器件，尤其是器件尺寸的進一步縮小需要使用高分辨率的刻寫制備工具。電子束刻蝕（EBL）是目前唯yi可以選用的工具，其價格昂貴使用難度高。使用EBL可以制備高精度的納米結構和器件，多年來在科研領域廣泛使用。由于需要復雜的電子兼容光學器件來聚焦電子束為幾個納米的斑點，使得EBL系統(tǒng)價格相對昂貴，對操作者的經(jīng)驗要求比較高。電子束在曝光光刻膠時產(chǎn)生的鄰近效應需要使用復雜的軟件進行校正以達到高分辨率曝光。尤其是在灰度曝光制備3D表面的納米器件時，操作過程更是復雜，縱向精度無法有效控制。另有文獻報道高能電子束損傷樣品或者將電子注入樣品導致其物理屬性的變化從而導致實驗失敗。因此值得探討高分辨率刻寫工具領域的新技術和其他選擇。

掃描探針刻寫（SPL）在30年前就展示了納米級的高分辨率，利用不同原理的SPL技術在不同實驗室得到開發(fā)應用，但是刻寫速度慢功能單一。熱探針掃描刻寫（t-SPL）技術利用熱探針大大提高了刻寫速度，目前商業(yè)化的t-SPL系統(tǒng)在速度和分辨率上均和EBL系統(tǒng)媲美，為高分辨率刻寫工具領域提供了新的選擇。t-SPL在完成EBL相同的刻寫任務時還提供了其他的獨特功能，為科學研究開創(chuàng)新的思路。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 Juergen Brugger教授團隊回顧了熱掃描探針刻寫技術的現(xiàn)狀，綜述收集匯總了熱探針刻寫的工作和文獻，介紹了t-SPL的原理和應用案例及納米制備相關參數(shù)。探討了t-SPL在納米制備的功能和局限。力求為科研工作者在納米制備方面提供一個有關t-SPL的知識數(shù)據(jù)庫。

t-SPL系統(tǒng)優(yōu)點如下：t-SPL在常溫常壓或者其他氣體環(huán)境下使用。使用t-SPL可以去除樣品表面材料，改變樣品表面材料的物理化學特性，或者在樣品表面沉積其他材料，無需圖形轉移直接刻寫金屬或者其他材料的納米結構。作為納米刻寫工具的t-SPL利用熱探針分解熱敏膠為氣態(tài)單體，直接在熱敏膠中生成納米結構。探針在幾微秒內(nèi)冷卻下來用于實時檢測熱敏膠中的納米結構。實時檢測的形貌圖可實現(xiàn)無標記套刻，或者在3D表面刻寫時由閉環(huán)系統(tǒng)控制縱向刻寫誤差小于2 nm，達到高精度灰度刻寫。熱敏膠內(nèi)的納米結構可以通過各種常規(guī)方法進行圖形轉移比如剝離，高深寬比干法刻蝕，納米壓印，電鍍復制，制備架空結構，納米顆粒組裝或捕獲等。也可以直接使用熱敏膠內(nèi)納米結構進行納米顆粒定向運輸，干細胞生長等實驗。熱探針不使用高能帶電粒子，有效保護樣品不受損傷或者變性。高精度3D表面刻寫和熱探針改變表面材料屬性促使新興課題的研究成為可能。

圖文展示1：用熱探針進行納米制備的各種原理和方法。

使用熱探針引起材料升華或者機械壓印去除樣品表面材料，通過局部改變材料物理特性來改變樣品的結晶度或磁偶極子方向，或改變材料化學特性， 用熱探針融化黏附在針尖上的材料并沉積在樣品表面，或者在氣體環(huán)境中通過化學反應將氣體中的元素沉積到樣品表面。

熱探針在納米制備中有很多不同的原理，方法和用途。使用熱探針可以在探針和樣品的接觸點局部去除或者改變樣品表面材料，或者沉積材料到樣品表面。去除材料的方法可以使用探針的機械壓力或者熱探針引起的化學反應。材料變性是樣品表面材料在加熱的條件下可以發(fā)生物理或者化學特性的變化從而達到改變材料屬性的目的。熱探針也可以融化事先存儲或者黏附在探針上的材料，使其通過針尖沉積在樣品表面，沉積結構的粗細通常由探針相對樣品移動的速度來控制。或者利用CVD的原理在氣體環(huán)境中局部加熱樣品表面可以在任何基片上沉積高質量的任意形狀的金屬納米結構。由于針尖尺寸極小，熱探針誘導局部變性的區(qū)域可以達到納米等級的分辨率。

圖文展示2：影響熱探針下材料納米尺度的溫度和熱反應動力學的傳熱模型和參數(shù)。

a 電阻式加熱的熱探針傳熱模型：熱量從加熱源通過探針尖和空隙傳導到樣品材料和基質。b探針的尺寸和開口角度對針尖樣品接觸點的溫度以及分辨率的關系。通常，針的尺寸和開口角度越大，以犧牲分辨率來獲得更高的接觸溫度。c 典型情況下即薄膜（例如聚合物）的熱導率低于基材（例如Si）的熱導率時薄膜厚度對溫度的影響。針尖樣品點的接觸溫度隨著膜厚度的減小而降低。d薄膜材料中的溫度分布與被轉換的材料體積的定性示意圖。對于大多數(shù)與t-SPL有關的反應，熱轉化體積小于材料內(nèi)的熱量散布，這將有利于提高橫向分辨率。e一級反應和針尖溫度的對應曲線，即被轉化物質相對于材料總量的百分比對應針尖溫度變化的曲線。標注了材料轉化率為1％，50％和99％的數(shù)據(jù)點。隨后的曲線顯示了針尖溫度受到活化能，針尖樣品接觸時間和針尖樣品接觸力的影響。f當熱驅動過程的活化能增加時，需要更高的針尖溫度來觸發(fā)材料改性。g針尖接觸樣品的時間越長，那么觸發(fā)改性所需的溫度越低并且改性發(fā)生的溫度范圍越窄（x軸為對數(shù)坐標）。h通過增加壓力可以降低某些化學反應完成所需的溫度。在t-SPL中，可以通過增加針尖和樣品的接觸力來實現(xiàn)。

在實際使用中，典型的情況是用熱探針改變基片上有機物薄膜材料的特性。這里對熱量從熱源，通過針尖和樣品的接觸間隙，傳導到薄膜和樣品的物理模型進行了分析。當針尖尺寸和張角越大，從熱源傳導到薄膜材料中的熱量就越多（接觸點的溫度較高）。厚度小的薄膜材料將更多的熱量傳導到基片導致熱量損失引起探針和薄膜材料接觸點的溫度降低。被熱探針改性的材料體積總是小于熱量傳導入薄膜材料的體積。針尖溫度越高，可以使得更多的材料發(fā)生改性。高活化能的材料需要高的針尖溫度觸發(fā)改性。針尖和樣品的接觸時間越長，接觸力越大，引起材料改性所需的針尖溫度則越低。

圖文展示3：熱探針去除熱敏膠后產(chǎn)生的納米結構的應用總覽。

熱探針去除熱敏膠后產(chǎn)生的納米結構的應用總覽。a. 2D或3D結構可以直接用作生物兼容的模板進行細胞生長59或用于傳輸和捕獲納米顆粒。納米顆粒完成組裝后，可以通過加熱55去除PPA膠。b直接用PPA膠中的納米結構作為母版模制各種柔軟的透明聚合物，或者電鍍金屬作為摸具31,60。c直接使用PPA中的納米結構作為蝕刻掩?？梢詫?D和3D納米結構通過蝕刻轉移（濕法或干法蝕刻）到各種材料中去。d使用熱敏膠下面的另一層掩模版可以放大Z終蝕刻的深度以及轉移3D納米結構。e在熱敏膠下面使用另一層有機材料可在濕化學中有選擇地去除從而產(chǎn)生底切便于剝離。f熱敏膠下面的功能層可以在熱敏膠被熱探針去除時被熱探針熱激活或在后續(xù)氧等離子體操作步驟中激活。g由熱敏膠，無機硬掩模薄層和有機膠組成的三層堆疊轉移層適用于高深寬比和高分辨率蝕刻。h三層堆疊轉移層適用于高分辨率納米結構剝離7。(注：數(shù)字為參考文獻序號)

使用熱探針在熱敏膠內(nèi)產(chǎn)生的2D和3D的納米結構可以通過多種方式進行圖形轉移或者直接作為納米器件使用。熱敏膠中的3D結構可直接用于干細胞生長的3D模板。也可以作為納米壓印的模板。大多數(shù)情況下，熱敏膠中的納米結構通過常規(guī)的剝離或者刻蝕方法轉移到金屬或者其他基片材料中去。用離子反應刻蝕可以直接使用熱敏膠作為模板將3D結構轉移到基片材料比如硅材料中?；蛘呤褂?層或者3層的膠層堆疊， 2層堆疊類似常用的濕法剝離制備金屬納米結構。3層堆疊多用于高深寬比和高分辨率納米結構。使用不同的犧牲層材料可以提高刻蝕轉移或者剝離后納米結構的深度。當犧牲層為功能性材料時，熱探針可以局部激活功能性材料產(chǎn)生功能材料的納米結構。

圖文展示4：使用t-SPL去除材料所實現(xiàn)的納米結構應用示例。

a. 直接由熱探針寫入PPA膠層中的3D納米流體振動布朗馬達納米顆粒篩選軌道。經(jīng)參考文獻作者許可轉載56（原文參考文獻號，下同），AAAS。b上圖：PPA中的32級3D全息圖結構，下圖：300 nm波幅正弦波結構用于紫外光納米壓印的母版。經(jīng)考文獻作者許可轉載31。c 熱探針寫入PPA中的高斯形光學微腔以及隨后刻蝕轉移形成布拉格鏡作為光學分子。根據(jù)參考文獻CC BY 4.0許可改編54，版權所有2017 Springer Nature。d將熱探針在PPA膠中形成的納米圓錐形結構轉移入硅材料形成原子尺度的存儲器。根據(jù)參考文獻CC BY 4.0許可改編。65，版權2019 Springer Nature。e單層MoS2頂柵晶體管，具有創(chuàng)紀錄的低接觸電阻和高開/關比。經(jīng)許可轉載自參考文獻68，版權2019 Springer Nature。f選擇性去除PPA以暴露下層功能材料來研究納米顆粒組裝過程。經(jīng)參考文獻作者許可轉載72，版權所有2018 ACS。g左：蝕刻到Si中的14 nm半線寬線條圖案。轉載自參考文獻29，版權所有2017 ACS。右：t-SPL寫入由Al2O3注入處理的PPA膠內(nèi)并轉移到硅材料的鰭（場效應管）的TEM圖像。改編自參考文獻75，版權所有2018 ACS。h t-SPL刻寫制備的InAs納米線晶體管金屬頂部柵電極。經(jīng)參考文獻作者許可轉載76,77，版權所有2019 IEEE。i將t-SPL與激光直寫聯(lián)用制備的基于硅材料的室溫單電子晶體管。經(jīng)參考文獻許可轉載43，版權2018 IOP Publishing。

t-SPL制備的3D納米結構為物理實驗提供了新的手段和方法。創(chuàng)新獨特的納流控布朗馬達可以對直徑相差1納米的納米顆粒進行分離捕獲。jing準的無標記套刻和3D刻寫使得原子尺度的存儲器成為可能?；?D光學微腔的布拉格透鏡大大提高了器件的質量系數(shù)。MoS2晶體管得益于t-SPL清潔無損傷的刻寫過程，將電極和2D材料的接觸電阻降低2個數(shù)量級并檢測到肖特基勢壘為零。t-SPL制備的納米管器件的頂柵電極解決了電極和納米管絕緣層的充電問題。使用Al2O3注入處理的PPA將用于解決半導體行業(yè)使用超薄掩模版轉移細小納米結構到硅材料的難題。t-SPL與激光直寫聯(lián)用將提高整體的刻寫速度，簡化有高和低分辨率的納米器件的制備過程。

圖文展示5：熱探針進行材料屬性轉換工作原理。

a 對功能性表面基團的脫保護作用32,33,78–82,84,85。b 將前體材料轉換為功能材料42,45,86–92,94,95。c 通過短暫加熱和快速淬火來實現(xiàn)非晶化以獲得無序相96,97。d 局部非晶態(tài)材料的結晶21,98–102。e磁偶極通過熱輔助局部對準104-107

使用熱探針可以通過接觸加熱樣品表面對樣品材料進行局部改變其物理和化學屬性。比如改變原子排序局部晶化非晶體材料或者非晶化晶體材料。在前體材料中引入熱來產(chǎn)生物理或者化學反應產(chǎn)生物質新的物理化學特性。熱能也可以打斷分子鏈對功能性表面產(chǎn)生脫保護作用。用熱探針局部加熱的同時改變外加磁場的方向來翻轉磁偶極子的導向，在磁性薄膜材料中規(guī)劃出不同的磁疇區(qū)域。凡是對熱敏感的材料都可以用熱探針進行局部變性在樣品上制備屬性不同的納米結構。納米結構的分辨率可以接近探針針尖的尺寸。在這個領域還有很多可以探討的實驗和材料。

圖文展示6：熱探針進行材料屬性轉換應用實例。

a 用熱探針對THP封端的功能性胺基進行脫保護來實現(xiàn)樣品表面納米尺度的化學梯度。改編自參考文獻33，版權所有2013 ACS。b用熱探針熱脫保氨基后再組裝蛋白質分子來實現(xiàn)樣品表面蛋白質密度梯度。轉載自參考文獻82，版權所有2016 IOP Publishing。c用熱探針對氧化石墨烯的表面進行化學改性來研究材料在納米尺度的反應機理。改編自參考文獻45，版權所有2017 ACS。d用熱探針激發(fā)前體材料制備并五苯納米線。經(jīng)參考文獻轉載92，2013年，John Wiley＆Sons版權所有。e用熱探針對熱致變色超分子聚合物進行熱淬火來降解準分子部分以獲取樣品內(nèi)的不同熒光特性。經(jīng)參考文獻的許可轉載96，版權所有2017 ACS。f用熱探針對GeTe相變材料進行局部結晶以產(chǎn)生導電納米結構。經(jīng)參考文獻許可重新發(fā)布98，版權所有2017 RSC Pub。g用熱探針結晶熱解非晶體凝膠前體直接刻寫鐵電PZT納米結構。經(jīng)參考文獻許可轉載99，版權所有2011 John Wiley＆Sons。h用熱探針對CoFe2O2薄膜的局部結晶形成納米尺度的磁渦旋。經(jīng)參考文獻許可轉載。101，版權所有2018 Elsevier。i在外加磁場下重新定向t-SPL加熱區(qū)域可以重構磁性納米結構來制備自旋波電路。根據(jù)參考文獻CC BY 4.0許可改編106

用t-SPL對樣品表面材料改性有著非常廣泛的應用前景。用熱探針打斷，脫保樣品分子的末端基團，隨后根據(jù)需要組裝其他功能性分子以局部改變樣品表面的化學物理特性。被改變的區(qū)域可以用做熒光標識或者捕獲其他分子的傳感器。通過多次重復制備過程，可以集裝不同傳感器類型在同一個樣品上。用探針直接刻寫納米管或者鐵電材料，導電材料，磁性材料的納米結構將大大簡化各類納米器件的制備過程。用熱探針對晶體和非晶體材料的互相轉換，可以開發(fā)新型防偽技術等。熱探針在外加磁場的輔助下規(guī)劃磁性薄膜內(nèi)磁疇的形狀和導向來制備磁自旋波電路。比如產(chǎn)生和控制渦流/反渦流對和Bloch線來引導自旋波。將材料在無外加磁場時加熱到160度可以刪除磁疇結構。

圖文展示7：用熱探針在樣品表面沉積材料后的相關納米加工過程概述。

a 直接沉積被熱探針融化的材料108,111–116,127或載體基質（例如含納米顆粒的聚合物），載體可以在沉積后去除117。b直接將干法蝕刻的抗蝕劑沉積到基底材料上118,121。c沉積的結構可用作模制的母盤118。d直接沉積納米結構作為蝕刻掩模用于無溶劑圖形轉移工藝119,120。e沉積保護性掩膜結構來選擇性地對低維材料進行局部功能化110。f沉積納米結構作為干法刻蝕下層材料的掩膜，隨后去除更下層犧牲層材料來形成架空的納米結構122

用熱探針在樣品表面沉積材料可以大大簡化納米器件的制備過程。材料可以沉積在任何基片上不需要使用任何溶劑。除了有機物以外低熔點的金屬也可以用熱探針沉積在樣品上，對沉積任意形狀的液體金屬納米結構非常有用。利用熱探針可以直接沉積保護性或者功能性納米結構模板用于后續(xù)的刻蝕圖形轉移過程。在樣品表面沉積保護性模板可以選擇性地保護樣品區(qū)域不受后續(xù)實驗步驟的影響以保持材料原有屬性。類似t-SPL去除熱敏膠后形成的納米結構，用熱探針沉積產(chǎn)生的納米結構也可以用做納米壓印等的摸具母版。利用多層堆疊膠層可以使用t-SPL來制備架空納米結構。

圖文展示8：用熱探針沉積材料制成的納米結構的示例。

a 用預加載的探針通過熱輔助沉積PDDT納米結構，沉積厚度通過探針速度控制。根據(jù)CC BY 2.0參考文獻許可轉載113。b用熱探針沉積熔融的銦。經(jīng)參考文獻許可轉載116，版權所有2006 AIP出版。c用熱探針沉積含納米顆粒的聚合物，隨后用氧等離子體處理去除聚合物基質僅留下納米顆粒在樣品表面。改編參考文獻117，版權所有2010 ACS。d直接沉積PMMA納米結構作為XeF2等離子體蝕刻的掩模用于刻蝕MoS2樣品。改編自參考文獻120，Copyright 2019 ACS。e沉積PS作為Bosch蝕刻的蝕刻掩模以及后續(xù)的金屬輔助蝕刻。經(jīng)參考文獻許可轉載121，2013年AVS版權所有。f直接沉積PS蝕刻掩模隨后進行干法蝕刻和隨后的濕法蝕刻在SOI基底上形成架空的納米結構。經(jīng)參考文獻許可轉載122，版權所有IOP 2014出版

用熱探針沉積不同的材料在樣品表面形成納米結構在實驗室中已有很多嘗試。加熱探針使得預先附著在探針上的固態(tài)材料融化沉積在表面并通過速度來控制納米結構的橫向尺度。后續(xù)可以直接使用沉積的納米結構作為刻蝕的掩膜制備金屬或者2D材料的器件。2D材料器件還將受益于材料無充電損傷和無殘留光刻膠污染樣品的優(yōu)點。納米顆?？梢匀谌胍簯B(tài)聚合物通過熱探針沉積在樣品上，隨后通過氧等離子體處理去除聚合物留下納米顆粒散布在樣品表面。使用多層有機材料堆疊制備任意形狀的架空納米結構非常有新意。這類實驗的關鍵是更好地控制熔融材料由探針沉積在樣品表面的流速和流量，通過特殊的探針的設計有望改善對流速流量的控制。

原文摘要

Fundamental aspects and state-of-the-art results of thermal scanning probe lithography (t-SPL) are reviewed here. t-SPL is an emerging direct-write nanolithography method with many unique properties which enable original or improved nano-patterning in application fields ranging from quantum technologies to material science. In particular, ultrafast and highly localized thermal processing of surfaces can be achieved through the sharp heated tip in t-SPL to generate high-resolution patterns. We investigate t-SPL as a means of generating three types of material interaction: removal, conversion, and addition. Each of these categories is illustrated with process parameters and application examples, as well as their respective opportunities and challenges. Our intention is to provide a knowledge base of t-SPL capabilities and current limitations and to guide nanoengineers to the best-fitting approach of t-SPL for their challenges in nanofabrication or material science. Many potential applications of nanoscale modifications with thermal probes still wait to be explored, in particular when one can utilize the inherently ultrahigh heating and cooling rates.

作者單位簡介

Prof. Juergen Brugger (corresponding author)

Email: juergen.brugger@epfl.ch

MicrosystemsLaboratory, école Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) , Switzerland

Juergen Bruggeris Professor of Microengineering and co-affiliated to Materials Science. Beforejoining EPFL he was at the MESA Research Institute of Nanotechnology at theUniversity of Twente in the Netherlands, at the IBM Zurich Research Laboratory,and at the Hitachi Central Research Laboratory, in Tokyo, Japan. He receivedhis Master in Physical-Electronics and his PhD degree from NeuchatelUniversity, Switzerland.

Research in Juergen Brugger’s laboratory focuses on various aspects of MEMS and Nanotechnology. The group has made several important contributions to thefield, at the fundamental level as well as in technological development, asdemonstrated by the start-ups that spun off from the lab. In his research, keycompetences are in micro/nanofabrication, additive micro-manufacturing, newmaterials for MEMS, increasingly for biomedical applications. He published over 200 peer-refereed papers and supervised 20 PhD students. Juergen Brugger hasbeen appointed in 2016 Fellow of the IEEE “For contributions to micro and nanomanufacturing technology”. In 2017 he was awarded an ERC AdvG in the field ofadvanced micro-manufacturing.

Dr. Samuel Howell (first author)

Email: samuel.howell@epfl.ch

MicrosystemsLaboratory, école Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) , Switzerland 

Our laboratory’s research and education arecentered around Microsystems (MEMS), Materials Science, and Nanotechnology toaddress engineering challenges at the mesoscopic scale. We are alsoinvestigating innovative detection methods and microdevices for nuclearmagnetic resonance (NMR), electron spin resonance (ESR), ferromagneticresonance (FMR) spectroscopy and imaging on small samples.

Samuel Howell is a Postdoctoral Researcher atEPFL. During his postdoctoral work, he co-authored an extensive review paperabout thermal scanning probe lithography (t-SPL). His main research focusduring his PhD at EPFL was t-SPL and nanoscale thermometry. With a materialsscience background, he was focusing on phase changes in organic materialsthrough rapid heating and cooling of nanoscopic volumes by t-SPL. Samuel hasbeen a visiting researcher at the Institute of Industrial Sciences in Tokyo,Japan. He obtained his Master’s degree in Materials Science at ETH Zurich.

Dr. Felix Holzner (co-author)

Email: felix.holzner@himt.ch

HeidelbergInstruments Nano -SwissLitho AG, Zürich,Switzerland

Heidelberg Instrument Nano/SwissLitho is a young andinnovative high-tech company with an expertise in Scanning Thermal ProbeLithography (STPL), a technology realized with their NanoFrazor systems. In2018, SwissLitho Joined Heidelberg Instruments and together, Heidelberg Instrumentsand SwissLitho are now able to provide customers with an additional choice oftools and options in the Nano-and Microlithography field. In the NanoFrazor,heatable silicon tips are used for direct patterning of arbitrary 2D and 3Dnanostructures and for simultaneous imaging of the tiny resultingnanostructures.

Felix Holzner is a physicist by training with universitydegrees from Germany and New Zealand and a PhD from ETH Zurich .He worked onthe NanoFrazor technology at IBM Research Zurich for three years, before heinitiated and advanced its commercialization with the incorporation ofSwissLitho AG in 2012. Felix Holzner received numerous awards and is a frequentinvited speaker at scientific and technology conferences. In 2018, SwissLithoAG joined forces with Heidelberg Instruments in order to become the world-leadingprovider of innovative direct-write lithography solutions.

Felix leads Heidelberg Instruments Nano as CEO.

Dr. Anny Grushina (co-author)

Email: anya.grushina@himt.ch

HeidelbergInstruments Nano - SwissLitho AG, Zürich, Switzerland

HeidelbergInstrument Nano/SwissLitho is a young and innovative high-tech company with anexpertise in Scanning Thermal Probe Lithography (STPL), a technology realizedwith their NanoFrazor systems. In 2018, SwissLitho Joined HeidelbergInstruments and together, Heidelberg Instruments and SwissLitho are now able toprovide customers with an additional choice of tools and options in the Nano-and Microlithography field. In the NanoFrazor, heatable silicon tips are usedfor direct patterning of arbitrary 2D and 3D nanostructures and for simultaneousimaging of the tiny resulting nanostructures.

Anya Grushina holds a B.Sc in AppliedPhysics and Mathematics from the South Ural State University in Russia and aM.Sc in Nanobiophysics from the Dresden University of Technology, Germany. In2015, she received a PhD in Physics from the University of Geneva where sheworked on quantum electronics and graphene physics in the group of Prof.Morpurgo. Anya was working as an application engineer for FemtoTools before shejoined Heidelberg Instruments Nano in 2018.

At Heidelberg Instruments, Anya Grushina ispart of the sales and marketing team and is responsible to make the uniquecapabilities of our product portfolio known to a broad community. She is alsothe editor-in-chief of the newly launched magazine “The Lithographer”.

簡介

        掃描俄歇納米探針，又稱俄歇電子能譜（Auger Electron Spectroscopy，簡稱AES）是一種表面科學和材料科學的分析技術。根據(jù)分析俄歇電子的基本特性得到材料表面元素成分（部分化學態(tài)）定性或定量信息?？梢詫{米級形貌進行觀察和成分表征。近年來，隨著超高真空和能譜檢測技術的發(fā)展，掃描俄歇納米探針作為一種極為有效的表面分析工具，為探索和研究表面現(xiàn)象的理論和工藝問題，做出了巨大貢獻，日益受到科研工作者的普遍重視。

俄歇電子能譜常常應用在包括半導體芯片成分表征等方向

發(fā)展歷史

        近年來，固體表面分析方法獲得了迅速的發(fā)展，它是目前分析化學領域中最活躍的分支之一。它的發(fā)展與催化研究、材料科學和微型電子器件研制等有關領域內(nèi)迫切需要了解各種固體表面現(xiàn)象密切相關。各種表面分析方法的建立又為這些領域的研究創(chuàng)造了很有利的條件。在表面組分分析方法中，除化學分析用光電子能譜以外，俄歇電子能譜是最重要的一種。目前它已廣泛地應用于化學、物理、半導體、電子、冶金等有關研究領域中。

        俄歇現(xiàn)象于1925年由P.Auger發(fā)現(xiàn)。28 年以后，J.J.Lander從二次電子能量分布曲線中第一次辨認出俄歇電子譜線， 但是由于俄歇電子譜線強度低，它常常被淹沒在非彈性散射電子的背景中，所以檢測它比較困難。

        1968年，L.A.Harris 提出了一種“相敏檢測”方法，大大改善了信噪比，使俄歇信號的檢測成為可能。以后隨著能量分析器的完善,使俄歇譜儀達到了可以實用的階段。

         1969年圓筒形電子能量分析器應用于AES, 進一步提高了分析的速度和靈敏度。

        1970年通過掃描細聚焦電子束,實現(xiàn)了表面組分的兩維分布的分析(所得圖像稱俄歇圖)，出現(xiàn)了掃描俄歇微探針儀器。

        1972年，R.W.Palmberg利用離子濺射，將表面逐層剝離，獲得了元素的深度分析，實現(xiàn)了三維分析。至此，俄歇譜儀的基本格局已經(jīng)確定， AES已迅速地發(fā)展成為強有力的固體表面化學分析方法，開始被廣泛使用。

基本原理

        俄歇電子是由于原子中的電子被激發(fā)而產(chǎn)生的次級電子。當原子內(nèi)殼層的電子被激發(fā)形成一個空穴時，電子從外殼層躍遷到內(nèi)殼層的空穴并釋放出光子能量；這種光子能量被另一個電子吸收，導致其從原子激發(fā)出來。這個被激發(fā)的電子就是俄歇電子。這個過程被稱為俄歇效應。

Auger electron emission

        入射電子束和物質作用，可以激發(fā)出原子的內(nèi)層電子。外層電子向內(nèi)層躍遷過程中所釋放的能量，可能以X光的形式放出，即產(chǎn)生特征X射線，也可能又使核外另一電子激發(fā)成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。對于一個原子來說,激發(fā)態(tài)原子在釋放能量時只能進行一種發(fā)射：特征X射線或俄歇電子。原子序數(shù)大的元素，特征X射線的發(fā)射幾率較大，原子序數(shù)小的元素，俄歇電子發(fā)射幾率較大，當原子序數(shù)為33時，兩種發(fā)射幾率大致相等。因此，俄歇電子能譜適用于輕元素的分析。

        如果電子束將某原子K層電子激發(fā)為自由電子，L層電子躍遷到K層，釋放的能量又將L層的另一個電子激發(fā)為俄歇電子，這個俄歇電子就稱為KLL俄歇電子。同樣，LMM俄歇電子是L層電子被激發(fā)，M層電子填充到L層，釋放的能量又使另一個M層電子激發(fā)所形成的俄歇電子。

        只要測定出俄歇電子的能量，對照現(xiàn)有的俄歇電子能量圖表，即可確定樣品表面的成份。由于一次電子束能量遠高于原子內(nèi)層軌道的能量，可以激發(fā)出多個內(nèi)層電子，會產(chǎn)生多種俄歇躍遷，因此,在俄歇電子能譜圖上會有多組俄歇峰，雖然使定性分析變得復雜，但依靠多個俄歇峰,會使得定性分析準確度很高，可以進行除氫氦之外的多元素一次定性分析。同時,還可以利用俄歇電子的強度和樣品中原子濃度的線性關系,進行元素的半定量分析,俄歇電子能譜法是一種靈敏度很高的表面分析方法。其信息深度為5nm以內(nèi),檢出限可達到0.1%atom。是一種很有用的分析方法。

系統(tǒng)組成

        AES主要由超高真空系統(tǒng)、肖特基場發(fā)射電子槍、CMA同軸式筒鏡能量分析器、五軸樣品臺、離子槍等組成。以ULVAC-PHI的PHI 710舉例，其核心分析能力為25 kV肖特基熱場發(fā)射電子源，與筒鏡式電子能量分析器CMA同軸。伴隨著這一核心技術是閃爍二次電子探測器、 高性能低電壓浮式氬濺射離子槍、高精度自動的五軸樣品臺和PHI創(chuàng)新的儀器控制和數(shù)據(jù)處理軟件包：SmartSoft AES ? 和 MultiPak ?。并且，目前ULVAC-PHI的PHI 710可以擴展冷脆斷樣品臺、EDS、EBSD、BSE、FIB等技術，深受廣大用戶認可。

PHI710激發(fā)源，分析器和探測器結構示意圖：

        為滿足當今納米材料的應用需求，PHI 710提供了最高穩(wěn)定性的 AES 成像平臺。隔聲罩、 低噪聲電子系統(tǒng)、 穩(wěn)定的樣品臺和可靠的成像匹配軟件可實現(xiàn) AES對納米級形貌特征的成像和采譜。

        真正的超高真空（UHV）可保證分析過程中樣品不受污染，可進行明確、準確的表面表征。測試腔室的真空是由差分離子泵和鈦升華泵（TSP）抽氣實現(xiàn)的。肖特基場發(fā)射源有獨立的抽氣系統(tǒng)以確保發(fā)射源壽命。最新的磁懸浮渦輪分子泵技術用于系統(tǒng)粗抽，樣品引入室抽真空，和差分濺射離子槍抽氣。為了連接其他分析技術，如EBSD、 FIB、 EDS 和BSE，標配是一個多技術測試腔體。

         PHI 710 是由安裝在一個帶有 Microsoft Windows ? 操作系統(tǒng)的專用 PC 里的PHI SmartSoft-AES 儀器操作軟件來控制的。所有PHI電子光譜產(chǎn)品都包括執(zhí)行行業(yè)標準的 PHI MultiPak 數(shù)據(jù)處理軟件用于獲取數(shù)據(jù)的最大信息。710 可應用互聯(lián)網(wǎng)，使用標準的通信協(xié)議進行遠程操作。

AES的應用

        掃描俄歇納米探針可分析原材料（粉末顆粒，片材等）表面組成，晶粒觀察，金相分布，晶間晶界偏析，又可以分析材料表面缺陷如納米尺度的顆粒物、磨痕、污染、腐蝕、摻雜、吸附等，還具備深度剖析功能表征鈍化層，包覆層，摻雜深度，納米級多層膜層結構等。AES的分析深度4-50 ?，二次電子成像的空間分辨可達 3納米，成分分布像可達8納米，分析材料表面元素組成 （Li ~ U），是真正的納米級表面成分分析設備。可滿足合金、催化、半導體、能源電池材料、電子器件等材料和產(chǎn)品的分析需求。

AES 應用的幾種例子，從左到右為半導體FIB-cut，鋰電陰極向陶瓷斷面分析

小結

本文小編粗淺的介紹了俄歇電子能譜AES的一些基礎知識，后續(xù)我們還會提供更有價值的知識和信息，希望大家持續(xù)關注“表面分析家”！