扫描探针显微镜纳米加工系统

       基于原子力显微镜（AFM）或扫描探针显微镜（SPM）的纳米加工功能，充分发挥纳米尺度的探针针尖对样品可控作用，实施纳米尺度的加工。有别于通常概念，基于扫描探针显微镜的纳米加工，其”加工“实际上是广义的，不只指对样品表面的机械刻画，还包括通过针尖可控吸附对样品表面的改性或移动、操纵、搬运（如在样品表面移动纳米颗粒等），甚至包括通过在针尖施加在纳米尺度上高度局域的电场诱导样品表面可控的物理化学变化（如氧化、极化等）。

       本原纳米仪器的扫描探针显微镜纳米加工系统具有以下特点：

• 精确的路径位移定位
• 自定义图形加载功能
• 可以在纳米级尺度上加工任意需要的复杂结构
• 图形刻蚀模式    　

       在扫描探针显微镜中，纳米加工和操纵是与扫描成像交替进行的，全过程持续时间长，对仪器的控制精度和线性度（决定探针的真实运动轨迹）、仪器稳定性和重复性（决定能否在加工或操纵完成后对其结果进行原位检测）要求很高，换言之，仪器是否具备纳米加工功能，不仅是单纯的功能差别，也从另一个方面反映了性能的高低，具备纳米加工功能的仪器，无论是精度还是稳定性，都具有较高的水平。

       以下就基于本原扫描探针显微镜（SPM）/原子力显微镜（AFM）的常用的纳米加工技术（模式）加以说明：

图形化刻蚀模式

       利用用电致刻蚀技术，可以在纳米级尺度上加工任意需要的复杂结构。   
       电致刻蚀主要由一个施加在样品与表面间的脉冲电压引起，当所加电压超过阈值时，暴露在电场下的样品表面会发生化学或物理变化。这些变化或者可逆或者不可逆，其机理可以直接归因于电场效应，高度局域化的强电场可以诱导原子的场蒸发，也可以由电流焦耳热或原子电迁移引起样品表面的变化。通过控制脉冲宽度和脉幅可以限制刻蚀表面的横向分辨率，这些变化通常不仅表现在表面形貌上，通过检测其导电性、dI/dS、dI/dV、摩擦力还可以分辨出衬底的修饰情况。

       下图为研究人员在本原的原子力显微镜上采用该技术在Si表面进行纳米加工得到的结果：

压痕/机械刻画

       操纵微探针以可控的作用力对样品表面进行局域施压,使样品发生弹性/塑性形变；也可在施压的同时，控制探针以一定的路径和速度在样品运动，对样品进行机械刻画。

       基于扫描探针显微镜(SPM)系统的压痕/机械刻画功能，为在纳米尺度上评价材料的机械和运动性能，或在样品表面构建特定的纳米结构提供了一种方便实用的研究手段。

       下图为研究人员在本原的原子力显微镜上采用该技术在聚碳酸酯表面进行纳米加工得到的结果：

DPN浸润笔模式

       浸润笔（Dip-Pen Nanolithography，DPN）利用已作过分子修饰的探针，通过控制探针与样品间的相互作用条件，来实现探针针尖到样品表面的分子传输。DPN的原理如下图所示：

       DPN实际上是一种简便的从探针针尖到样品表面的输运分子的方法，其分辨率可媲美电子束刻蚀等方法，对纳米器件的功能化更为有用矢量扫描模式。

       下图为研究人员在本原的原子力显微镜上采用该技术在云母表面进行纳米加工得到的结果：

矢量扫描模式

       系统提供一个向量脚本编译器，允许用户任意指定扫描方向、距离、速度及加工参数（如作用力、电流、电压等），直接操纵探针运动，同时灵活测定各种信号和数据。矢量扫描模式的原理如下图所示：