在材料學(xué)和微納器件等領(lǐng)域，微觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能起到關(guān)鍵作用。然而，在研究過程中，要對關(guān)鍵性微觀區(qū)域的原位性能研究卻困難重重。常遇到的情況是：在SEM上找到了感興趣的微區(qū)域，當把樣品轉(zhuǎn)移到AFM等設(shè)備上時，又需要很長的時間再找回相應(yīng)的微區(qū)域進行表征。對于一些納米級的微區(qū)域，后續(xù)表征時定位起來更加困難，甚至?xí)e過相關(guān)微區(qū)域的表征。對于具有一定高度的微結(jié)構(gòu)，即3D微結(jié)構(gòu)，主流的表征手段僅僅能通過SEM對其形貌進行觀察，而相關(guān)的三維形貌表征一般很難進行，為相關(guān)研究帶來了不便。

        針對上述難點，Quantum Design公司研發(fā)推出了聯(lián)合共坐標AFM/SEM二合一顯微鏡-FusionScope。在FusionScope中，SEM和AFM通過其內(nèi)置的共坐標系統(tǒng)進行結(jié)合。在使用過程中，只需要在SEM成像結(jié)果中點擊相關(guān)位置，F(xiàn)usionScope就可以自動引導(dǎo)AFM探針到相關(guān)位置，然后進行AFM表征。為了滿足不同的研究需要，F(xiàn)usionScope不僅可對微結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)進行成像，還可以對區(qū)域的電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)等性能進行表征。隨著FusionScope設(shè)備的推出，已有多個課題組利用FusionScope在一些高水平的國際期刊發(fā)表了相關(guān)的研究成果。

FusionScope設(shè)備圖片以及可以提供的微觀表征手段

BaTiO₃陶瓷的晶界勢壘研究

        奧地利TDK公司與格拉茨技術(shù)大學(xué)（Graz University of Technology）合作，利用Quantum Design公司推出的AFM/SEM二合一顯微鏡-FusionScope對BaTiO₃陶瓷的晶界勢壘進行了直接的測量，明確了晶界勢壘能量變化的相關(guān)微觀機理。相關(guān)成果發(fā)表在SCI期刊《Scripta Materialia》。

        在3V的電壓下FusionScope的a)原子自理顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）對樣品形貌的成像效果和b) 靜電力顯微鏡（Electrostatic Force Microscopy, EFM）下相同電壓且同一區(qū)域的成像結(jié)果

通過FusionScope獲得的（a）SiO₂含量為0%和（c）SiO₂含量為5%的BaTiO₃陶瓷樣品的EFM結(jié)果。（b）和（d）為（a）和（c）同一微區(qū)的背散射電子成像結(jié)果

通過FusionScope獲得的（a）EFM成像結(jié)果，（b）同一區(qū)域的背散射衍射（EBSD）結(jié)果和（c）該區(qū)域的背散射電子成像結(jié)果

3D等離子體納米結(jié)構(gòu)研究

        格拉茨技術(shù)大學(xué)相關(guān)團隊提出基于聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（Focused Electron Beam Induced Deposition，F(xiàn)EBID）方法制備具有精確納米尺度3D幾何結(jié)構(gòu)的等離子體納米結(jié)構(gòu)。在完成3D納米結(jié)構(gòu)的制備后，通過FusionScope對相應(yīng)的3D納米結(jié)構(gòu)進行了原位幾何尺寸的表征。根據(jù)FusionScope測量所獲得的數(shù)據(jù)，對微結(jié)構(gòu)的等離子性能進行模擬計算。通過對比發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)的計算等離子表現(xiàn)與實驗測量結(jié)果一致。相關(guān)結(jié)果在SCI期刊《Advanced Functional Materials》上發(fā)表。

         制備、清除和3D加工能力展示。（a）氣體注入系統(tǒng)（GIS）將金屬氣體前驅(qū)物分子（Me₂(acac)Au(III)）注入到基底附近，利用聚焦電子束形成在基底上形成沉積。（b-g）展示了FEBID制備復(fù)雜構(gòu)型的3D納米結(jié)構(gòu)的能力。（h）為運用聚焦電子束去除碳的過程

        不同平面結(jié)構(gòu)的等離子體測量結(jié)果。（a）為利用FusionScopeTM的原位AFM測量的在制備后和清除后的微納結(jié)構(gòu)變化區(qū)別。（b）為通過原位AFM測量的在去除前后所制備納米結(jié)構(gòu)的體積變化。（c）為部分去除樣品的STEM-EELS能譜。（d-l）為不同設(shè)計下的等離子體測量結(jié)果

        利用FusionScopeTM獲取用于模擬的數(shù)據(jù)。（a-b）在FusionScopeTM中利用SEM對AFM進行引導(dǎo)，在放置在TEM網(wǎng)格上的Au納米線進行測量。（c）對FusionScopeTM所獲得的數(shù)據(jù)和TEM所獲得的數(shù)據(jù)進行相互驗證。（d）FusionScopeTM測量Au納米線的高度為24 nm，半峰寬為51 nm

人工骨骼樣品微觀表征研究

人工骨骼樣品放置在FusionScope的樣品臺上。右方為FusionScope對人工骨骼的特定區(qū)域進行三維表征

FusionScope對樣品的微結(jié)構(gòu)三維形貌進行表征