开放式多功能扫描探针显微镜系统

　　1　前　言

　　扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes,SPM)的技术核心在于它具有极高的可控空间定位精度(优于0.1nm量级),因而使得它不但具有极高的分辨率(可达原子级分辨),而且具有极高的操纵和加工精度(可实现单原子操纵)。

　　虽然纳米科技的历史可以追溯到1959年著名物理学家费曼在美国物理年会上的一次富有远见的报告,但一般认为,直到1990年7月,第一届国际纳米科技会议和第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔的摩同时举行,纳米科学技术这一崭新的学科才正式诞生[1]。事实上,在今天和可以预见的将来,SPM不但是纳米科技的锐利眼睛,而且是纳米科技的灵巧手指,是纳米科技的核心技术支撑之一。同时,SPM技术也是最重要的纳米尺度检测和表征技术。

　　2　扫描探针显微镜的发展及应用

　　1982年,G.Binnig和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopes, STM)[2],并因此获得1986年诺贝尔物理奖。此后,Binnig等人又研制成功原子力显微镜(AFM)[3]。1988年,国外开始利用激光技术改进AFM,研制出激光检测的原子力显微镜(Laser-AFM,是目前应用最为广泛的原子力显微镜,也称AFM)并于次年达到原子级分辨率[4~6]。

　　此后,类似原理的仪器相继问世,由于它们都有一个共同的特点:利用探针对被测样品进行扫描,同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用(如样品-探针间的隧道电流或相互作用力等),得到样品相关性质(如电子态密度、形貌、摩擦力、磁畴结构等),因而统称为扫描探针显微镜(SPM)。

　　我国在该领域的研究和开发工作起步很早,中国科学院化学研究所自1987年起先后研制成功了我国的第一台STM、AFM,Laser-AFM等SPM仪器[7~10],并广泛和深入地开展相关应用研究,先后获得国家科技进步二、三等奖,中科院科技进步一、二等奖等和国家发明专利多项。自1989年起,中科院化学所本原纳米仪器公司批量生产相关仪器,其CSTM/CSPM系列SPM累计产销百余台,装备了我国(包括港、台地区)和美国、日本、新加坡等一批高水准的实验室并取得了大量高水平的应用成果。经过20年的发展,迄今SPM家族已经包括了20多种仪器,并且一直还在发展之中。表1为目前国际上应用较广、也相对比较成熟的几种SPM仪器[11~12]。

　　以中国科学院化学所SPM为代表的国产仪器,在主要技术指标和仪器性能等方面均达到国际先进水平。以CSPM-2000型SPM为例,该机集成了STM、AFM和LFM,分辨率达到0.1nm,最大扫描范围为100μm,自带I-V和力曲线等谱学功能和多种纳米加工功能,具有接触和轻敲多种工作模式,同时具有振幅和相差成像技术,系统实现了基于DSP的全数字反馈控制,在线控制软件和后分析软件可运行于Win9X/Me/2000/XP等操作系统[13]。图1~3为CSPM-2000we型SPM得到的结果[14~15]。