SPM探针制造技术的研究和发展

　　扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)具有高至原子分子分辨能力,其工作原理是利用尖锐针尖与表面原子分子的相互作用,即当针尖与试样表面接近至纳米尺度时形成各种相互作用物理局域场,通过检测该场物理量而获得样品表面形貌。SPM已成为表面微观结构、性能、状态观察分析以及相应操控的重要手段,其性能发挥很大程度上取决于探针的性质和结构、操作对象和环境等。探针技术进展,成为人们关注的一个热点。

　　SPM探针通常要求:(1)足够尖锐,即针尖尖端圆弧半径小,有时甚至希望达到原子、分子量级以适应高分辨成像要求;(2)探针材料、结构、形状等符合一定的机械、物理和化学性能要求,有良好的适应性;(3)稳定性、可靠性高,适合长时间工作,检测结果具有可重复性、再现性;(4)探针制备应尽可能简单、可靠,容易形成有效的生产工艺,其结构、性能希望能检测或控制;(5)探针能进行功能组合,以适合不同测试目的或原位多种信息检测需要。

　　探针制备有多种方法,如化学的或电化学的腐蚀、研磨、抛光,机械式的剪切,光学蚀刻方式以及受控爆裂、阴极溅射、离子铣削、火焰磨削、蚀刻沉积方式等[1],但随着SPM应用的深入、拓展以及被探测对象的多样化,对探针提出了不同要求,导致探针制备新方法源源不断产生。本文从探针性能、结构、功能及作用因素等几个方面探讨探针及相关制备技术最新发展和趋势。

　　1　针尖与表面相互作用及影响

　　扫描探针显微镜是基于量子力学原理,利用近场的量子效应如隧道电流、原子间相互作用力或其它近场效应达到微观检测目的。检测分辨率很高,主要因为各种近场物理量强烈依赖于针尖与表面之间的距离。人们利用这一特点,采用类似表面轮廓仪扫描的检测方式实现微观观测,即通过针尖不断扫描试样各截面,然后再重建表面轮廓形貌。所不同的是,SPM扫描过程需要控制针尖-试样维持恒定高度或使被检测物理量恒定,或在扫描过程中激励针尖形成轻拍模式,以及通过信息调制处理等技术,提取随表面各点变化的物理信息,如各种谱、相位、幅值变化等。从而人们从机械、物理、化学等角度解释所获得的物理图像。

　　机械扫描的观点比较直观地解释所获得的表面形貌,并直接表明针尖尖锐程度影响真实几何表面的形貌检测,同时针尖的结构、形貌也产生相应影响。图1是针尖几何形貌影响检测的例子。具有一定结构的针尖,当扫描表面有微观突起时,扫描后重建的图像如图1b所示。即试样表面微观突起可能反过来对针尖表面成像,如图中虚点线所示,并迭加到重建表面图像上,从而影响真实表面的判断。几何上,只有充分尖锐的针尖能正确反映表面轮廓,而