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Nanonics多探針平臺在納米材料表征和加工應(yīng)用中的獨特性

石墨烯的發(fā)現(xiàn)開啟了新一代材料的進化史.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)致了對研究平臺的反思,新的平臺必須適應(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).

對于這種平臺的一個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臺全部整合的能力.在Nanonics Imaging Ltd公司進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)納米操作探針進行納米材料的研究。FEI Inc公司提供的SEM集成納米操作臺正是實例。但是，即使有SEM的指導(dǎo)的納米操作臺也會對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別來反映樣品結(jié)構(gòu)和性能的平臺，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)平臺的獨特之處。

這個多探針平臺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。 同時保證納米探針的超精細(xì)分辨率，又不會引入電子束傷害。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**將多探針AFM探針同時用于結(jié)構(gòu)和性能應(yīng)用測試，并將先進的納米操作臺開放的聯(lián)用起來。這項技術(shù)將掃描探針顯微鏡和探針?biāo)乃袃?yōu)勢結(jié)合了起來。

為了提供這樣的系統(tǒng)，Nanonics不僅在儀器設(shè)計方面取得了突破，而且還開拓了NanoToolKit^TM**探針的設(shè)計用于超精細(xì)的結(jié)構(gòu)和性能成像。這些探針**實現(xiàn)了一個探針能夠真正的碰觸另外一個探針，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AFM探針對另外一個AFM探針或者納米操作探針進行成像。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反饋機制。這種方法采用了音叉反饋。這種反饋機制非常的靈敏，甚至允許用戶用于研究單個光子的作用力。[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行多探針應(yīng)用，這是他的固有限度。并且由于這種反饋機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。

一個主要的局限是這種基于激光束的反饋會在材料上引入電荷，在基本表征測試中引入背景噪音。這些電荷會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試電學(xué)，熱學(xué)和光學(xué)特性是對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)勢以外，不束縛于外部激光反饋干擾的測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。

無光學(xué)干擾的優(yōu)勢對于多探針AFM集成的功能測試也尤其重要，如此探針才能真正物理意義上的接觸彼此。這才能實現(xiàn)在兩個探針納米量級的距離變化情況下進行傳導(dǎo)機制的測試。

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

Nanonics平臺還在多個方面繼續(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平臺是可以實現(xiàn)的。這一需求還需要搭配改進后的常規(guī)納米操作臺用于樣品的精確操縱，這也可以通過Nanonics的系統(tǒng)來實現(xiàn)。

而且，這些系統(tǒng)的設(shè)計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現(xiàn)。為了實現(xiàn)這一目的，SPM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和探針的設(shè)計都必須保證沒有任何光學(xué)吸收，這對于器件研究尤為重要。傳統(tǒng)任何一臺AFM系統(tǒng)中都無法實現(xiàn)這樣沿著光軸上下觀察的設(shè)計。

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于上述提到的未來升級非常必要，而且利用研究級高放大倍數(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。當(dāng)然，所有的功能都同時保證AFM掃描的極限噪音在0.2nm級別伸直更低。

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)光和振動光譜的研究也很必要。Nanonics是世界上**在1990年度就將振動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**臺探針和樣品都可以掃描的系統(tǒng)。樣品掃描對于振動光譜是必要的，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，實現(xiàn)了基于上述所有掃描探針，探針臺，和真空功能的化學(xué)表征，用于研究材料在電運載過程中的化學(xué)性質(zhì)改變。

自從開發(fā)了**套集成掃描探針和振動光譜聯(lián)用系統(tǒng)，Nanonics多年來也一直努力創(chuàng)新于近場掃描成像領(lǐng)域，將獨特的等離子探針引入振動光譜測試，實現(xiàn)納米級別的振動光譜聯(lián)用，如TERs（針尖增強拉曼測試）。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。針對這些新材料，還有一個重要應(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)合也可以通過這個平臺實現(xiàn)。在*近發(fā)表的一篇文章中，具有Nanonics NanoToolKit^TM**設(shè)計的納米加工探針用于在納米級別氧化一個納米結(jié)構(gòu)，并記錄由于氧化引起的化學(xué)勢變化[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)備的價格都超過了一百萬美金，并且不能提供實時在線測試以及其他Nanonics平臺提供的很多優(yōu)勢。比如上面Patsha用戶發(fā)表的文章中強調(diào)的掃描探針顯象模式中的在線化學(xué)勢成像是這種雙束系統(tǒng)所不能提供的。

總而言之，**獲獎的Nanonics探針平臺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)到的測試功能。