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Nanonics多探針平臺(tái)在納米材料表征和加工應(yīng)用中的獨(dú)特性

石墨烯的發(fā)現(xiàn)開啟了新一代材料的進(jìn)化史.這**了低維度納米材料和混合材料的多樣發(fā)展.這些材料的發(fā)現(xiàn)也導(dǎo)致了對(duì)研究平臺(tái)的反思,新的平臺(tái)必須適應(yīng)這些下一代基礎(chǔ)材料的納米表征和加工,以及相應(yīng)的應(yīng)用和新器件開發(fā).

對(duì)于這種平臺(tái)的一個(gè)基本的要求就是具有能將納米成像和納米操作以及其他探測(cè)臺(tái)全部整合的能力.在Nanonics Imaging Ltd公司進(jìn)行這一無法被其他制造商復(fù)制的開拓之前,這種聯(lián)用通常需要在線的掃描電鏡（SEM）來有效的指導(dǎo)納米操作探針進(jìn)行納米材料的研究。FEI Inc公司提供的SEM集成納米操作臺(tái)正是實(shí)例。但是，即使有SEM的指導(dǎo)的納米操作臺(tái)也會(huì)對(duì)這種納米材料造成物理損傷或者引入有害的電荷。用戶真正需要的是能夠在原子級(jí)別來反映樣品結(jié)構(gòu)和性能的平臺(tái)，這涵蓋了**靈敏度的電學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)甚至化學(xué)的納米表征。

這正是Nanonics Imaging Ltd. MultiProbeMultiView 4000 (MV 4000)平臺(tái)的獨(dú)特之處。

這個(gè)多探針平臺(tái)可以充分的集成所有掃描探針顯微鏡的功能，包括結(jié)構(gòu)和性能的納米成像。 同時(shí)保證納米探針的超精細(xì)分辨率，又不會(huì)引入電子束傷害。并可以有效地使用常規(guī)的納米探針用于納米操作應(yīng)用。因此，Nanonics多探針平臺(tái)**將多探針AFM探針同時(shí)用于結(jié)構(gòu)和性能應(yīng)用測(cè)試，并將先進(jìn)的納米操作臺(tái)開放的聯(lián)用起來。這項(xiàng)技術(shù)將掃描探針顯微鏡和探針?biāo)乃袃?yōu)勢(shì)結(jié)合了起來。

為了提供這樣的系統(tǒng)，Nanonics不僅在儀器設(shè)計(jì)方面取得了突破，而且還開拓了NanoToolKit^TM**探針的設(shè)計(jì)用于超精細(xì)的結(jié)構(gòu)和性能成像。這些探針**實(shí)現(xiàn)了一個(gè)探針能夠真正的碰觸另外一個(gè)探針，可參考文獻(xiàn)[Klein AE, Janunts N, Tünnermann A, Pertsch T. Investigation of mechanical interactions between the tips of two scanning near-field optical microscopes. Appl Phys B 2012;108:737–41]. 

這甚至可以允許一個(gè)AFM探針對(duì)另外一個(gè)AFM探針或者納米操作探針進(jìn)行成像。納米操作探針和AFM探針的區(qū)別是不具有反饋和成像功能。

為了開啟這一新領(lǐng)域，Nanonics在建立之后的20年中一直致力于研究現(xiàn)有單探針或多探針AFM設(shè)備中*靈敏的AFM反饋機(jī)制。這種方法采用了音叉反饋。這種反饋機(jī)制非常的靈敏，甚至允許用戶用于研究單個(gè)光子的作用力。[D. C. Kohlgraf-Owens, S. Sukhov, and A. Dogariu* “Mapping the mechanical action of light,” Phys. Rev. A 84, 011807R (20111)]. 這個(gè)作用力為1.6pN，與市面上任何AFM設(shè)備相比都能達(dá)到10到25倍的靈敏度。

除了使用這種特有的成像模式，Nanonics平臺(tái)也可以使用常規(guī)的AFM激光反饋模式和AFM硅懸臂達(dá)到**的AFM掃描效果。這種懸臂探針需要反射的激光用于反饋調(diào)節(jié)。另外，這些探針無法相互之間接觸因此無法進(jìn)行多探針應(yīng)用，這是他的固有限度。并且由于這種反饋機(jī)制明顯很低的力靈敏度，納米材料和元器件的研究并不想采用。

一個(gè)主要的局限是這種基于激光束的反饋會(huì)在材料上引入電荷，在基本表征測(cè)試中引入背景噪音。這些電荷會(huì)掩蓋這些材料與眾不同的物理現(xiàn)象。因此，能夠在沒有干擾的情況下測(cè)試電學(xué)，熱學(xué)和光學(xué)特性是對(duì)于理解材料基本物理和器件功能必不可少的要求。除卻多探針的優(yōu)勢(shì)以外，不束縛于外部激光反饋干擾的測(cè)試這些功能特性與傳統(tǒng)的AFM技術(shù)相比具有更大的優(yōu)勢(shì)。

無光學(xué)干擾的優(yōu)勢(shì)對(duì)于多探針AFM集成的功能測(cè)試也尤其重要，如此探針才能真正物理意義上的接觸彼此。這才能實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)探針納米量級(jí)的距離變化情況下進(jìn)行傳導(dǎo)機(jī)制的測(cè)試。

因此，Nanonics多探針集成SPM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多種以往不可能的測(cè)試功能。這是**也是目前**一個(gè)被引入國家科學(xué)基金會(huì)支持的報(bào)告的系統(tǒng)。Roco MC, Mirkin CA, Hersam MC. 的“Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020”（ Springer- Verlag, NY, USA, 2010, 610）報(bào)告由美國弗吉尼亞州阿林頓的世界技術(shù)評(píng)估中心和美國國家科學(xué)基金會(huì)支持編寫。在這邊報(bào)告中注明了未來用于科技進(jìn)步的所有納米技術(shù)表征工具中，多探針SPM會(huì)是*重要的技術(shù)之一。

Nanonics平臺(tái)還在多個(gè)方面繼續(xù)創(chuàng)新。首先，在這些研究中真空環(huán)境搭配加熱/制冷的環(huán)境控制具有重要意義。Nanonics平臺(tái)可將環(huán)境控制與掃描探針顯微鏡領(lǐng)域所有的成像功能結(jié)合。在我們的研究中需要將溫度升至**350攝氏度，這通過Nanonics平臺(tái)是可以實(shí)現(xiàn)的。這一需求還需要搭配改進(jìn)后的常規(guī)納米操作臺(tái)用于樣品的精確操縱，這也可以通過Nanonics的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

而且，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都保證了完全開放自由的光學(xué)軸。這使標(biāo)準(zhǔn)的研究級(jí)光學(xué)顯微鏡可以與系統(tǒng)**集成，用于從高真空系統(tǒng)的上方和下方觀察樣品。這種光學(xué)的靈活性在以往從未被實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，SPM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和探針的設(shè)計(jì)都必須保證沒有任何光學(xué)吸收，這對(duì)于器件研究尤為重要。傳統(tǒng)任何一臺(tái)AFM系統(tǒng)中都無法實(shí)現(xiàn)這樣沿著光軸上下觀察的設(shè)計(jì)。

就像Nanonics客戶在文章內(nèi)寫到的“. . . .the tip apex is not shadowed, as the laser beam is a focused beam with a converging angle of 26.7°, while the half angle of the tip is only about 4°. In addition, the tip is not perpendicular to sample surface where the angle between the tip axis and sample surface is about 60°”Nanonics系統(tǒng)提供的全視野不僅對(duì)于上述提到的未來升級(jí)非常必要，而且利用研究級(jí)高放大倍數(shù)的光學(xué)顯微鏡用戶可以快速的將探針之間的距離縮短到微米量級(jí)。當(dāng)然，所有的功能都同時(shí)保證AFM掃描的極限噪音在0.2nm級(jí)別伸直更低。

新一代材料研究的中心還在于在線光譜表征。這些材料都具有很多重要的光譜特性，是非常必要的表征手段。除此之外，光致發(fā)光和振動(dòng)光譜的研究也很必要。Nanonics是世界上**在1990年度就將振動(dòng)光譜和掃描探針顯微鏡聯(lián)用起來的公司。為了這一聯(lián)用，Nanonics研發(fā)了**臺(tái)探針和樣品都可以掃描的系統(tǒng)。樣品掃描對(duì)于振動(dòng)光譜是必要的，而Nanonics這種聯(lián)用系統(tǒng)的首篇文章在1999年就發(fā)表了。這種聯(lián)用功能現(xiàn)在可以復(fù)制到多探針系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了基于上述所有掃描探針，探針臺(tái)，和真空功能的化學(xué)表征，用于研究材料在電運(yùn)載過程中的化學(xué)性質(zhì)改變。

自從開發(fā)了**套集成掃描探針和振動(dòng)光譜聯(lián)用系統(tǒng)，Nanonics多年來也一直努力創(chuàng)新于近場(chǎng)掃描成像領(lǐng)域，將獨(dú)特的等離子探針引入振動(dòng)光譜測(cè)試，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的振動(dòng)光譜聯(lián)用，如TERs（針尖增強(qiáng)拉曼測(cè)試）。此應(yīng)用也已經(jīng)有很多篇文章發(fā)表，如單分子成像的Carrier et al [S. L. Carrier et al,”Protein–ligand binding investigated by a single nanoparticle TERS approach,”” Chem. Comm. DOI: 10.1039/c0cc05059h (2011)].

Nanonics在近場(chǎng)光學(xué)成像領(lǐng)域的專業(yè)性早已獲得世界范圍內(nèi)的認(rèn)可，使用多探針系統(tǒng)的成果也很廣泛的用于**文章的發(fā)表。比如，新加坡數(shù)據(jù)儲(chǔ)存研究所發(fā)表的[Miroshnichenko, A. E. “Nonradiatinganapole modes in dielectric nanoparticles,” NATURE COMMUNICATIONS | 6:8069 (2015); DOI: 10.1038/ncomms9069 ]和哈佛大學(xué)發(fā)表的Patrice Genevet et al., et al “Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial,” Nature Nanotechnology (2015) DOI: 10.1038/NNANO.2015.137].這些功能考慮到了納米光學(xué)成像的多樣性。針對(duì)這些新材料，還有一個(gè)重要應(yīng)用就是使用納米光源在沒有背景干擾的情況下激發(fā)納米光電效應(yīng)。這對(duì)于研究這些低維度材料及其合成材料在金屬接觸的局部效應(yīng)下的能量級(jí)非常必要。

*后，多探針表征和納米加工的特有結(jié)合也可以通過這個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在*近發(fā)表的一篇文章中，具有Nanonics NanoToolKit^TM**設(shè)計(jì)的納米加工探針用于在納米級(jí)別氧化一個(gè)納米結(jié)構(gòu)，并記錄由于氧化引起的化學(xué)勢(shì)變化[A. Patsha et al, “Localized Charge Transfer Process and Surface Band Bending in Methane Sensing by GaN Nanowires,” J. Phys. Chem. C 2015, 119, 21251?21260]。市面上其他能提供氣體納米加工的系統(tǒng)都結(jié)合了SEM和聚焦離子束技術(shù)，如FEI Inc和Hitachi High-Technology Corporation公司提供的雙束產(chǎn)品。這種設(shè)備的價(jià)格都超過了一百萬美金，并且不能提供實(shí)時(shí)在線測(cè)試以及其他Nanonics平臺(tái)提供的很多優(yōu)勢(shì)。比如上面Patsha用戶發(fā)表的文章中強(qiáng)調(diào)的掃描探針顯象模式中的在線化學(xué)勢(shì)成像是這種雙束系統(tǒng)所不能提供的。

總而言之，**獲獎(jiǎng)的Nanonics探針平臺(tái)可以允許科研人員有效的完成其他廠家的產(chǎn)品所不能達(dá)到的測(cè)試功能。