簡(jiǎn)介

        掃描俄歇納米探針，又稱(chēng)俄歇電子能譜（Auger Electron Spectroscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)AES）是一種表面科學(xué)和材料科學(xué)的分析技術(shù)。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(xué)態(tài)）定性或定量信息?？梢詫?duì)納米級(jí)形貌進(jìn)行觀察和成分表征。近年來(lái)，隨著超高真空和能譜檢測(cè)技術(shù)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(wèn)題，做出了巨大貢獻(xiàn)，日益受到科研工作者的普遍重視。

俄歇電子能譜常常應(yīng)用在包括半導(dǎo)體芯片成分表征等方向

發(fā)展歷史

        近年來(lái)，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(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一。它的發(fā)展與催化研究、材料科學(xué)和微型電子器件研制等有關(guān)領(lǐng)域內(nèi)迫切需要了解各種固體表面現(xiàn)象密切相關(guān)。各種表面分析方法的建立又為這些領(lǐng)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(xué)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(yīng)用于化學(xué)、物理、半導(dǎo)體、電子、冶金等有關(guān)研究領(lǐng)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(xiàn)中第一次辨認(rèn)出俄歇電子譜線(xiàn)， 但是由于俄歇電子譜線(xiàn)強(qiáng)度低，它常常被淹沒(méi)在非彈性散射電子的背景中，所以檢測(cè)它比較困難。

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

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

        1970年通過(guò)掃描細(xì)聚焦電子束,實(shí)現(xiàn)了表面組分的兩維分布的分析(所得圖像稱(chēng)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(shí)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(qiáng)有力的固體表面化學(xué)分析方法，開(kāi)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(jí)電子。當(dāng)原子內(nèi)殼層的電子被激發(fā)形成一個(gè)空穴時(shí)，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(gè)電子吸收，導(dǎo)致其從原子激發(fā)出來(lái)。這個(gè)被激發(fā)的電子就是俄歇電子。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為俄歇效應(yīng)。

Auger electron emission

        入射電子束和物質(zhì)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(guò)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(xiàn)，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(duì)于一個(gè)原子來(lái)說(shuō),激發(fā)態(tài)原子在釋放能量時(shí)只能進(jìn)行一種發(fā)射：特征X射線(xiàn)或俄歇電子。原子序數(shù)大的元素，特征X射線(xiàn)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(dāng)原子序數(shù)為33時(shí)，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(gè)電子激發(fā)為俄歇電子，這個(gè)俄歇電子就稱(chēng)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(gè)M層電子激發(fā)所形成的俄歇電子。

        只要測(cè)定出俄歇電子的能量，對(duì)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(yuǎn)高于原子內(nèi)層軌道的能量，可以激發(fā)出多個(gè)內(nèi)層電子，會(huì)產(chǎn)生多種俄歇躍遷，因此,在俄歇電子能譜圖上會(huì)有多組俄歇峰，雖然使定性分析變得復(fù)雜，但依靠多個(gè)俄歇峰,會(huì)使得定性分析準(zhǔn)確度很高，可以進(jìn)行除氫氦之外的多元素一次定性分析。同時(shí),還可以利用俄歇電子的強(qiáng)度和樣品中原子濃度的線(xiàn)性關(guān)系,進(jìn)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?xún)?nèi),檢出限可達(dá)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(chǎng)發(fā)射電子槍、CMA同軸式筒鏡能量分析器、五軸樣品臺(tái)、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(chǎng)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(shù)是閃爍二次電子探測(cè)器、 高性能低電壓浮式氬濺射離子槍、高精度自動(dòng)的五軸樣品臺(tái)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(kuò)展冷脆斷樣品臺(tái)、EDS、EBSD、BSE、FIB等技術(shù)，深受廣大用戶(hù)認(rèn)可。

PHI710激發(fā)源，分析器和探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖：

        為滿(mǎn)足當(dāng)今納米材料的應(yīng)用需求，PHI 710提供了最高穩(wěn)定性的 AES 成像平臺(tái)。隔聲罩、 低噪聲電子系統(tǒng)、 穩(wěn)定的樣品臺(tái)和可靠的成像匹配軟件可實(shí)現(xiàn) AES對(duì)納米級(jí)形貌特征的成像和采譜。

        真正的超高真空（UHV）可保證分析過(guò)程中樣品不受污染，可進(jìn)行明確、準(zhǔn)確的表面表征。測(cè)試腔室的真空是由差分離子泵和鈦升華泵（TSP）抽氣實(shí)現(xiàn)的。肖特基場(chǎng)發(fā)射源有獨(dú)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(shù)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(shù)，如EBSD、 FIB、 EDS 和BSE，標(biāo)配是一個(gè)多技術(shù)測(cè)試腔體。

         PHI 710 是由安裝在一個(gè)帶有 Microsoft Windows ? 操作系統(tǒng)的專(zhuān)用 PC 里的PHI SmartSoft-AES 儀器操作軟件來(lái)控制的。所有PHI電子光譜產(chǎn)品都包括執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

AES的應(yīng)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(jí)多層膜層結(jié)構(gòu)等。AES的分析深度4-50 ?，二次電子成像的空間分辨可達(dá) 3納米，成分分布像可達(dá)8納米，分析材料表面元素組成 （Li ~ U），是真正的納米級(jí)表面成分分析設(shè)備?？蓾M(mǎn)足合金、催化、半導(dǎo)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(yīng)用的幾種例子，從左到右為半導(dǎo)體FIB-cut，鋰電陰極向陶瓷斷面分析

小結(jié)

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

1.問(wèn)：如果樣品本身導(dǎo)電呢？是樣品和樣品托底座之間絕緣？

回復(fù)：樣品本身必須導(dǎo)電，否則很難做俄歇測(cè)試，而再HERO模式時(shí)，樣品并不是接地而是要和樣品托外側(cè)絕緣。

1.問(wèn)：如果樣品本身導(dǎo)電呢？是樣品和樣品托底座之間絕緣？

回復(fù)：樣品本身必須導(dǎo)電，否則很難做俄歇測(cè)試，而再HERO模式時(shí)，樣品并不是接地而是要和樣品托外側(cè)絕緣。

9.問(wèn)：pass energy 是什么？

回復(fù)： pass energy是能量分析器允許電子通過(guò)時(shí)所具備的動(dòng)能（Kinetic Energy）

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掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)

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(yīng)用于材料科學(xué)、生物學(xué)、納米技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)高分辨率的表面成像與測(cè)量，掃描探針顯微鏡通常需要結(jié)合激光技術(shù)。不同類(lèi)型的激光在掃描探針顯微鏡中的應(yīng)用，可以提高圖像分辨率、增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度、或者實(shí)現(xiàn)特定的實(shí)驗(yàn)功能。本文將深入探討掃描探針顯微鏡中常用的激光類(lèi)型，以及它們各自的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)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(guò)探針與樣品表面之間的相互作用來(lái)獲取表面信息。激光在這一過(guò)程中，通常用于提供激發(fā)信號(hào)或是增強(qiáng)探針的反饋信號(hào)。通過(guò)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(zhì)分布等信息。在使用不同波長(zhǎng)的激光時(shí)，顯微鏡的解析度和靈敏度可以得到相應(yīng)的提升，因此選擇合適的激光源是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵之一。

常用激光類(lèi)型

1. 氦氖激光（HeNe激光） 氦氖激光是一種常見(jiàn)的單色激光，具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)（通常為632.8納米），適用于表面成像及拉曼光譜等技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)在于穩(wěn)定性強(qiáng)、成本相對(duì)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(zhǎng)（如488納米和514納米），能夠提供更高的光強(qiáng)，適用于熒光成像、光散射等高分辨率成像應(yīng)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(zhǎng)較長(zhǎng)（約10.6微米），常用于熱力學(xué)性質(zhì)的研究。在一些需要加熱或表面化學(xué)反應(yīng)的掃描探針顯微鏡實(shí)驗(yàn)中，CO2激光能夠提供有效的能量源，促進(jìn)樣品的熱響應(yīng)。

4. 半導(dǎo)體激光（Diode激光） 半導(dǎo)體激光因其調(diào)節(jié)性強(qiáng)、體積小、成本較低而廣泛應(yīng)用于掃描探針顯微鏡中。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，半導(dǎo)體激光可以為不同的實(shí)驗(yàn)提供所需的光源。它們常用于光譜分析、近場(chǎng)光學(xué)顯微成像等高精度實(shí)驗(yàn)中。

激光的選擇與應(yīng)用

選擇合適的激光源通常取決于實(shí)驗(yàn)的具體需求。波長(zhǎng)的選擇直接影響到激發(fā)信號(hào)的效率與樣品的響應(yīng)，因此不同的激光類(lèi)型適用于不同的研究場(chǎng)景。例如，在進(jìn)行生物樣品的熒光成像時(shí)，氬離子激光由于其較短的波長(zhǎng)和高強(qiáng)度光源，經(jīng)常被用于激發(fā)熒光信號(hào)。而在進(jìn)行納米尺度的材料分析時(shí)，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(zhì)量和功率穩(wěn)定性也至關(guān)重要。掃描探針顯微鏡中的激光源需要具有良好的光束質(zhì)量，以保證高精度的表面成像。穩(wěn)定的功率輸出能確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。

總結(jié)

掃描探針顯微鏡作為一種高精度的納米級(jí)分析工具，其性能在很大程度上依賴(lài)于激光源的選擇。不同波長(zhǎng)和特性的激光能夠?yàn)楦鞣N實(shí)驗(yàn)提供理想的激發(fā)源，從而提高成像分辨率、增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，或?qū)崿F(xiàn)特定的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)在掃描探針顯微鏡中的應(yīng)用將更加廣泛和多樣化，這對(duì)于推動(dòng)納米技術(shù)和表面科學(xué)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(zhì)表面的先進(jìn)儀器。通過(guò)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(xué)、生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。本文將探討掃描探針顯微鏡的幾種主要類(lèi)型，分析它們的工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及各自的優(yōu)勢(shì)與局限。了解這些不同類(lèi)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(jiàn)的一種。其工作原理是通過(guò)一根微小的探針掃描樣品表面，并測(cè)量探針與表面之間的相互作用力。這種顯微鏡能夠?qū)崿F(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(jī)械性能以及納米尺度的力學(xué)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(dá)到亞納米級(jí)，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、納米技術(shù)以及生物學(xué)領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)中，AFM被用于觀察細(xì)胞表面、蛋白質(zhì)及DNA分子的形態(tài)與結(jié)構(gòu)。

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(xué)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?qū)?dǎo)電材料的表面進(jìn)行原子級(jí)的成像。STM通過(guò)探針與樣品表面之間的量子隧道效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)表面成像。當(dāng)探針接近樣品表面時(shí)，電流會(huì)發(fā)生變化，探測(cè)到的電流變化與表面原子排列密切相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率成像。

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

三、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）

掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（Scanning Near-field Optical Microscope, SNOM）是一種結(jié)合了光學(xué)和掃描探針顯微鏡技術(shù)的設(shè)備。與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡不同，SNOM能夠突破光的衍射極限，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的光學(xué)分辨率。它通過(guò)將光纖探針?lè)胖迷跇悠繁砻娓浇?，利用近?chǎng)光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行成像。

SNOM具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以在納米尺度下探測(cè)光學(xué)信息，廣泛應(yīng)用于生物分子、納米光子學(xué)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(xué)信息，SNOM對(duì)于材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)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(cè)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(lái)測(cè)量熱導(dǎo)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(dǎo)和熱管理方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其在半導(dǎo)體和微電子設(shè)備的熱分析中發(fā)揮著重要作用。

SThM的優(yōu)勢(shì)在于其能夠以納米級(jí)別的空間分辨率研究材料的熱性質(zhì)，能夠提供更為細(xì)致的熱動(dòng)態(tài)分析，適用于電子、光學(xué)和材料領(lǐng)域。

五、掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM）

掃描電化學(xué)顯微鏡（Scanning Electrochemical Microscope, SECM）結(jié)合了掃描探針顯微鏡和電化學(xué)技術(shù)，可以在納米尺度上進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量。通過(guò)探針與樣品表面間的電化學(xué)反應(yīng)，SECM能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)表面電位、反應(yīng)速率以及電流變化等。它在研究電極反應(yīng)、傳質(zhì)過(guò)程以及腐蝕行為等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

SECM被廣泛應(yīng)用于能源、環(huán)境和材料科學(xué)領(lǐng)域，尤其在電池研究和傳感器開(kāi)發(fā)中，起到了重要的作用。

總結(jié)

掃描探針顯微鏡是一類(lèi)高度精密的工具，各種類(lèi)型的掃描探針顯微鏡在不同的研究領(lǐng)域中都有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，還是掃描熱針顯微鏡和掃描電化學(xué)顯微鏡，它們都提供了不同的研究角度和技術(shù)手段，為科學(xué)家們探索納米世界的奧秘提供了強(qiáng)大的支持。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的掃描探針顯微鏡類(lèi)型，能夠更加地滿(mǎn)足研究需求，推動(dòng)科技創(chuàng)新的不斷發(fā)展。

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(jié)合ARS DMX-20B產(chǎn)品的可實(shí)現(xiàn)8K溫度下的原子級(jí)分辨率。

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

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

本文轉(zhuǎn)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(diǎn)：

1.  探討了掃描熱探針刻寫(xiě)技術(shù)(thermal scanning probe lithography,t-SPL)的常規(guī)和獨(dú)特功能，尖細(xì)的探針快速準(zhǔn)確的溫控實(shí)現(xiàn)納米級(jí)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(shù)到材料科學(xué)t-SPL改進(jìn)納米制備的過(guò)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(shí)驗(yàn)方法，參數(shù)和具體案例。

內(nèi)容簡(jiǎn)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(jìn)一步縮小需要使用高分辨率的刻寫(xiě)制備工具。電子束刻蝕（EBL）是目前唯yi可以選用的工具，其價(jià)格昂貴使用難度高。使用EBL可以制備高精度的納米結(jié)構(gòu)和器件，多年來(lái)在科研領(lǐng)域廣泛使用。由于需要復(fù)雜的電子兼容光學(xué)器件來(lái)聚焦電子束為幾個(gè)納米的斑點(diǎn)，使得EBL系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)昂貴，對(duì)操作者的經(jīng)驗(yàn)要求比較高。電子束在曝光光刻膠時(shí)產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)需要使用復(fù)雜的軟件進(jìn)行校正以達(dá)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(shí)，操作過(guò)程更是復(fù)雜，縱向精度無(wú)法有效控制。另有文獻(xiàn)報(bào)道高能電子束損傷樣品或者將電子注入樣品導(dǎo)致其物理屬性的變化從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此值得探討高分辨率刻寫(xiě)工具領(lǐng)域的新技術(shù)和其他選擇。

掃描探針刻寫(xiě)（SPL）在30年前就展示了納米級(jí)的高分辨率，利用不同原理的SPL技術(shù)在不同實(shí)驗(yàn)室得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用，但是刻寫(xiě)速度慢功能單一。熱探針掃描刻寫(xiě)（t-SPL）技術(shù)利用熱探針大大提高了刻寫(xiě)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(xiě)工具領(lǐng)域提供了新的選擇。t-SPL在完成EBL相同的刻寫(xiě)任務(wù)時(shí)還提供了其他的獨(dú)特功能，為科學(xué)研究開(kāi)創(chuàng)新的思路。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 Juergen Brugger教授團(tuán)隊(duì)回顧了熱掃描探針刻寫(xiě)技術(shù)的現(xiàn)狀，綜述收集匯總了熱探針刻寫(xiě)的工作和文獻(xiàn)，介紹了t-SPL的原理和應(yīng)用案例及納米制備相關(guān)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(gè)有關(guān)t-SPL的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

t-SPL系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)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(xué)特性，或者在樣品表面沉積其他材料，無(wú)需圖形轉(zhuǎn)移直接刻寫(xiě)金屬或者其他材料的納米結(jié)構(gòu)。作為納米刻寫(xiě)工具的t-SPL利用熱探針?lè)纸鉄崦裟z為氣態(tài)單體，直接在熱敏膠中生成納米結(jié)構(gòu)。探針在幾微秒內(nèi)冷卻下來(lái)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)熱敏膠中的納米結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)檢測(cè)的形貌圖可實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)記套刻，或者在3D表面刻寫(xiě)時(shí)由閉環(huán)系統(tǒng)控制縱向刻寫(xiě)誤差小于2 nm，達(dá)到高精度灰度刻寫(xiě)。熱敏膠內(nèi)的納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)各種常規(guī)方法進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移比如剝離，高深寬比干法刻蝕，納米壓印，電鍍復(fù)制，制備架空結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)進(jìn)行納米顆粒定向運(yùn)輸，干細(xì)胞生長(zhǎng)等實(shí)驗(yàn)。熱探針不使用高能帶電粒子，有效保護(hù)樣品不受損傷或者變性。高精度3D表面刻寫(xiě)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(jìn)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(jī)械壓印去除樣品表面材料，通過(guò)局部改變材料物理特性來(lái)改變樣品的結(jié)晶度或磁偶極子方向，或改變材料化學(xué)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(guò)化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)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(jī)械壓力或者熱探針引起的化學(xué)反應(yīng)。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(xué)特性的變化從而達(dá)到改變材料屬性的目的。熱探針也可以融化事先存儲(chǔ)或者黏附在探針上的材料，使其通過(guò)針尖沉積在樣品表面，沉積結(jié)構(gòu)的粗細(xì)通常由探針相對(duì)樣品移動(dòng)的速度來(lái)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(zhì)量的任意形狀的金屬納米結(jié)構(gòu)。由于針尖尺寸極小，熱探針誘導(dǎo)局部變性的區(qū)域可以達(dá)到納米等級(jí)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(yīng)動(dòng)力學(xué)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(guò)探針尖和空隙傳導(dǎo)到樣品材料和基質(zhì)。b探針的尺寸和開(kāi)口角度對(duì)針尖樣品接觸點(diǎn)的溫度以及分辨率的關(guān)系。通常，針的尺寸和開(kāi)口角度越大，以犧牲分辨率來(lái)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(dǎo)率低于基材（例如Si）的熱導(dǎo)率時(shí)薄膜厚度對(duì)溫度的影響。針尖樣品點(diǎn)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(zhuǎn)換的材料體積的定性示意圖。對(duì)于大多數(shù)與t-SPL有關(guān)的反應(yīng)，熱轉(zhuǎn)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(jí)反應(yīng)和針尖溫度的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)，即被轉(zhuǎn)化物質(zhì)相對(duì)于材料總量的百分比對(duì)應(yīng)針尖溫度變化的曲線(xiàn)。標(biāo)注了材料轉(zhuǎn)化率為1％，50％和99％的數(shù)據(jù)點(diǎn)。隨后的曲線(xiàn)顯示了針尖溫度受到活化能，針尖樣品接觸時(shí)間和針尖樣品接觸力的影響。f當(dāng)熱驅(qū)動(dòng)過(guò)程的活化能增加時(shí)，需要更高的針尖溫度來(lái)觸發(fā)材料改性。g針尖接觸樣品的時(shí)間越長(zhǎng)，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(duì)數(shù)坐標(biāo)）。h通過(guò)增加壓力可以降低某些化學(xué)反應(yīng)完成所需的溫度。在t-SPL中，可以通過(guò)增加針尖和樣品的接觸力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際使用中，典型的情況是用熱探針改變基片上有機(jī)物薄膜材料的特性。這里對(duì)熱量從熱源，通過(guò)針尖和樣品的接觸間隙，傳導(dǎo)到薄膜和樣品的物理模型進(jìn)行了分析。當(dāng)針尖尺寸和張角越大，從熱源傳導(dǎo)到薄膜材料中的熱量就越多（接觸點(diǎn)的溫度較高）。厚度小的薄膜材料將更多的熱量傳導(dǎo)到基片導(dǎo)致熱量損失引起探針和薄膜材料接觸點(diǎn)的溫度降低。被熱探針改性的材料體積總是小于熱量傳導(dǎo)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(shí)間越長(zhǎng)，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(jié)構(gòu)的應(yīng)用總覽。

熱探針去除熱敏膠后產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用總覽。a. 2D或3D結(jié)構(gòu)可以直接用作生物兼容的模板進(jìn)行細(xì)胞生長(zhǎng)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(guò)加熱55去除PPA膠。b直接用PPA膠中的納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作為蝕刻掩模可以將2D和3D納米結(jié)構(gòu)通過(guò)蝕刻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移3D納米結(jié)構(gòu)。e在熱敏膠下面使用另一層有機(jī)材料可在濕化學(xué)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(shí)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(wú)機(jī)硬掩模薄層和有機(jī)膠組成的三層堆疊轉(zhuǎn)移層適用于高深寬比和高分辨率蝕刻。h三層堆疊轉(zhuǎn)移層適用于高分辨率納米結(jié)構(gòu)剝離7。(注：數(shù)字為參考文獻(xiàn)序號(hào))

使用熱探針在熱敏膠內(nèi)產(chǎn)生的2D和3D的納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)多種方式進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移或者直接作為納米器件使用。熱敏膠中的3D結(jié)構(gòu)可直接用于干細(xì)胞生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)通過(guò)常規(guī)的剝離或者刻蝕方法轉(zhuǎn)移到金屬或者其他基片材料中去。用離子反應(yīng)刻蝕可以直接使用熱敏膠作為模板將3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(lèi)似常用的濕法剝離制備金屬納米結(jié)構(gòu)。3層堆疊多用于高深寬比和高分辨率納米結(jié)構(gòu)。使用不同的犧牲層材料可以提高刻蝕轉(zhuǎn)移或者剝離后納米結(jié)構(gòu)的深度。當(dāng)犧牲層為功能性材料時(shí)，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(jié)構(gòu)。

圖文展示4：使用t-SPL去除材料所實(shí)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用示例。

a. 直接由熱探針寫(xiě)入PPA膠層中的3D納米流體振動(dòng)布朗馬達(dá)納米顆粒篩選軌道。經(jīng)參考文獻(xiàn)作者許可轉(zhuǎn)載56（原文參考文獻(xiàn)號(hào)，下同），AAAS。b上圖：PPA中的32級(jí)3D全息圖結(jié)構(gòu)，下圖：300 nm波幅正弦波結(jié)構(gòu)用于紫外光納米壓印的母版。經(jīng)考文獻(xiàn)作者許可轉(zhuǎn)載31。c 熱探針寫(xiě)入PPA中的高斯形光學(xué)微腔以及隨后刻蝕轉(zhuǎn)移形成布拉格鏡作為光學(xué)分子。根據(jù)參考文獻(xiàn)CC BY 4.0許可改編54，版權(quán)所有2017 Springer Nature。d將熱探針在PPA膠中形成的納米圓錐形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移入硅材料形成原子尺度的存儲(chǔ)器。根據(jù)參考文獻(xiàn)CC BY 4.0許可改編。65，版權(quán)2019 Springer Nature。e單層MoS2頂柵晶體管，具有創(chuàng)紀(jì)錄的低接觸電阻和高開(kāi)/關(guān)比。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)68，版權(quán)2019 Springer Nature。f選擇性去除PPA以暴露下層功能材料來(lái)研究納米顆粒組裝過(guò)程。經(jīng)參考文獻(xiàn)作者許可轉(zhuǎn)載72，版權(quán)所有2018 ACS。g左：蝕刻到Si中的14 nm半線(xiàn)寬線(xiàn)條圖案。轉(zhuǎn)載自參考文獻(xiàn)29，版權(quán)所有2017 ACS。右：t-SPL寫(xiě)入由Al2O3注入處理的PPA膠內(nèi)并轉(zhuǎn)移到硅材料的鰭（場(chǎng)效應(yīng)管）的TEM圖像。改編自參考文獻(xiàn)75，版權(quán)所有2018 ACS。h t-SPL刻寫(xiě)制備的InAs納米線(xiàn)晶體管金屬頂部柵電極。經(jīng)參考文獻(xiàn)作者許可轉(zhuǎn)載76,77，版權(quán)所有2019 IEEE。i將t-SPL與激光直寫(xiě)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(xiàn)許可轉(zhuǎn)載43，版權(quán)2018 IOP Publishing。

t-SPL制備的3D納米結(jié)構(gòu)為物理實(shí)驗(yàn)提供了新的手段和方法。創(chuàng)新獨(dú)特的納流控布朗馬達(dá)可以對(duì)直徑相差1納米的納米顆粒進(jìn)行分離捕獲。jing準(zhǔn)的無(wú)標(biāo)記套刻和3D刻寫(xiě)使得原子尺度的存儲(chǔ)器成為可能。基于3D光學(xué)微腔的布拉格透鏡大大提高了器件的質(zhì)量系數(shù)。MoS2晶體管得益于t-SPL清潔無(wú)損傷的刻寫(xiě)過(guò)程，將電極和2D材料的接觸電阻降低2個(gè)數(shù)量級(jí)并檢測(cè)到肖特基勢(shì)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(wèn)題。使用Al2O3注入處理的PPA將用于解決半導(dǎo)體行業(yè)使用超薄掩模版轉(zhuǎn)移細(xì)小納米結(jié)構(gòu)到硅材料的難題。t-SPL與激光直寫(xiě)聯(lián)用將提高整體的刻寫(xiě)速度，簡(jiǎn)化有高和低分辨率的納米器件的制備過(guò)程。

圖文展示5：熱探針進(jìn)行材料屬性轉(zhuǎn)換工作原理。

a 對(duì)功能性表面基團(tuán)的脫保護(hù)作用32,33,78–82,84,85。b 將前體材料轉(zhuǎn)換為功能材料42,45,86–92,94,95。c 通過(guò)短暫加熱和快速淬火來(lái)實(shí)現(xiàn)非晶化以獲得無(wú)序相96,97。d 局部非晶態(tài)材料的結(jié)晶21,98–102。e磁偶極通過(guò)熱輔助局部對(duì)準(zhǔn)104-107

使用熱探針可以通過(guò)接觸加熱樣品表面對(duì)樣品材料進(jìn)行局部改變其物理和化學(xué)屬性。比如改變?cè)优判蚓植烤Щ蔷w材料或者非晶化晶體材料。在前體材料中引入熱來(lái)產(chǎn)生物理或者化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生物質(zhì)新的物理化學(xué)特性。熱能也可以打斷分子鏈對(duì)功能性表面產(chǎn)生脫保護(hù)作用。用熱探針局部加熱的同時(shí)改變外加磁場(chǎng)的方向來(lái)翻轉(zhuǎn)磁偶極子的導(dǎo)向，在磁性薄膜材料中規(guī)劃出不同的磁疇區(qū)域。凡是對(duì)熱敏感的材料都可以用熱探針進(jìn)行局部變性在樣品上制備屬性不同的納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)的分辨率可以接近探針針尖的尺寸。在這個(gè)領(lǐng)域還有很多可以探討的實(shí)驗(yàn)和材料。

圖文展示6：熱探針進(jìn)行材料屬性轉(zhuǎn)換應(yīng)用實(shí)例。

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

用t-SPL對(duì)樣品表面材料改性有著非常廣泛的應(yīng)用前景。用熱探針打斷，脫保樣品分子的末端基團(tuán)，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(xué)物理特性。被改變的區(qū)域可以用做熒光標(biāo)識(shí)或者捕獲其他分子的傳感器。通過(guò)多次重復(fù)制備過(guò)程，可以集裝不同傳感器類(lèi)型在同一個(gè)樣品上。用探針直接刻寫(xiě)納米管或者鐵電材料，導(dǎo)電材料，磁性材料的納米結(jié)構(gòu)將大大簡(jiǎn)化各類(lèi)納米器件的制備過(guò)程。用熱探針對(duì)晶體和非晶體材料的互相轉(zhuǎn)換，可以開(kāi)發(fā)新型防偽技術(shù)等。熱探針在外加磁場(chǎng)的輔助下規(guī)劃磁性薄膜內(nèi)磁疇的形狀和導(dǎo)向來(lái)制備磁自旋波電路。比如產(chǎn)生和控制渦流/反渦流對(duì)和Bloch線(xiàn)來(lái)引導(dǎo)自旋波。將材料在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)加熱到160度可以刪除磁疇結(jié)構(gòu)。

圖文展示7：用熱探針在樣品表面沉積材料后的相關(guān)納米加工過(guò)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(zhì)（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(jié)構(gòu)可用作模制的母盤(pán)118。d直接沉積納米結(jié)構(gòu)作為蝕刻掩模用于無(wú)溶劑圖形轉(zhuǎn)移工藝119,120。e沉積保護(hù)性掩膜結(jié)構(gòu)來(lái)選擇性地對(duì)低維材料進(jìn)行局部功能化110。f沉積納米結(jié)構(gòu)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(lái)形成架空的納米結(jié)構(gòu)122

用熱探針在樣品表面沉積材料可以大大簡(jiǎn)化納米器件的制備過(guò)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(jī)物以外低熔點(diǎn)的金屬也可以用熱探針沉積在樣品上，對(duì)沉積任意形狀的液體金屬納米結(jié)構(gòu)非常有用。利用熱探針可以直接沉積保護(hù)性或者功能性納米結(jié)構(gòu)模板用于后續(xù)的刻蝕圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程。在樣品表面沉積保護(hù)性模板可以選擇性地保護(hù)樣品區(qū)域不受后續(xù)實(shí)驗(yàn)步驟的影響以保持材料原有屬性。類(lèi)似t-SPL去除熱敏膠后形成的納米結(jié)構(gòu)，用熱探針沉積產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)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(lái)制備架空納米結(jié)構(gòu)。

圖文展示8：用熱探針沉積材料制成的納米結(jié)構(gòu)的示例。

a 用預(yù)加載的探針通過(guò)熱輔助沉積PDDT納米結(jié)構(gòu)，沉積厚度通過(guò)探針?biāo)俣瓤刂?。根?jù)CC BY 2.0參考文獻(xiàn)許可轉(zhuǎn)載113。b用熱探針沉積熔融的銦。經(jīng)參考文獻(xiàn)許可轉(zhuǎn)載116，版權(quán)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(zhì)僅留下納米顆粒在樣品表面。改編參考文獻(xiàn)117，版權(quán)所有2010 ACS。d直接沉積PMMA納米結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)許可轉(zhuǎn)載121，2013年AVS版權(quán)所有。f直接沉積PS蝕刻掩模隨后進(jìn)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(jié)構(gòu)。經(jīng)參考文獻(xiàn)許可轉(zhuǎn)載122，版權(quán)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(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室中已有很多嘗試。加熱探針使得預(yù)先附著在探針上的固態(tài)材料融化沉積在表面并通過(guò)速度來(lái)控制納米結(jié)構(gòu)的橫向尺度。后續(xù)可以直接使用沉積的納米結(jié)構(gòu)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(wú)充電損傷和無(wú)殘留光刻膠污染樣品的優(yōu)點(diǎn)。納米顆?？梢匀谌胍簯B(tài)聚合物通過(guò)熱探針沉積在樣品上，隨后通過(guò)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(jī)材料堆疊制備任意形狀的架空納米結(jié)構(gòu)非常有新意。這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的關(guān)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(guò)特殊的探針的設(shè)計(jì)有望改善對(duì)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(jiǎn)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”.

安裝篇

    2020年春節(jié)前夕，通過(guò)工程師的安裝調(diào)試和細(xì)致的講解培訓(xùn)，第二代電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡（PSM II）在杭州創(chuàng)新研究院順利安裝并完成驗(yàn)收。該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第二套PSM II，也是國(guó)內(nèi)第六套PSM。PSM II將用于塊體和薄膜熱電材料的塞貝克系數(shù)、均勻度檢測(cè)與新型熱電材料的研究。這套設(shè)備的投入使用將幫助杭州創(chuàng)新研究院在熱電材料領(lǐng)域取得更快的發(fā)展。

德國(guó)工程師Dieter Platzek（中）與用戶(hù)老師合影

設(shè)備篇

    電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡是由德國(guó)PANCO公司與德國(guó)宇航ZX聯(lián)合研發(fā)的一款可以精確測(cè)量熱電材料Seebeck系數(shù)二維分布的設(shè)備。自推出以來(lái)，該設(shè)備獲得多個(gè)ding級(jí)實(shí)驗(yàn)室的一致好評(píng)，已經(jīng)成為快速jing準(zhǔn)檢測(cè)樣品性能的重要手段。后經(jīng)研發(fā)人員的進(jìn)一步升級(jí)，全新推出的第二代電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡-PSM II具有更高的位置分辨率和測(cè)量精度。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

• 唯yi可以精確測(cè)量Seebeck系數(shù)二維分布的商業(yè)化設(shè)備。

• 精確的力學(xué)傳感器可以確保探針與樣品良好的接觸。

• 采用鎖相技術(shù)，精度超過(guò)大型測(cè)試設(shè)備。

• 快速測(cè)量、方便使用，可測(cè)塊體和薄膜。

主要技術(shù)參數(shù)：

位置定位精度：?jiǎn)蜗?0.05μm；雙向 1μm

Z大掃描區(qū)域：100 mm × 100 mm

測(cè)量區(qū)域精度：5μm (與該區(qū)域的熱傳導(dǎo)有關(guān))

信號(hào)測(cè)量精度：100 nV （采用高精度數(shù)字電壓表）

測(cè)量結(jié)果重復(fù)性：重復(fù)性誤差優(yōu)于3%

塞貝克系數(shù)測(cè)量誤差：< 3% (半導(dǎo)體)；< 5% (金屬)

電導(dǎo)率測(cè)量誤差：< 4%

測(cè)量速度：測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間4~20秒

應(yīng)用領(lǐng)域：

• 熱電材料、超導(dǎo)材料、燃料電池、電子陶瓷以及半導(dǎo)體材料的均勻度測(cè)量

• 測(cè)量功能梯度材料的梯度

• 觀察材料退化效應(yīng)

• 監(jiān)測(cè) NTC/PTC 材料的電阻漂移

• 固體電介質(zhì)材料中的傳導(dǎo)損耗

• 陰極材料的電導(dǎo)率損耗

• 巨磁阻材料峰值溫度的降低，電阻率的變化

• 樣品的質(zhì)量監(jiān)控

電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡-PSM II