浙大學(xué)者與美國IBM沃森研究中心合作，測量納米世界有了新“觸角”
第一個利用氦離子注入制造的納米球探針的工藝流程。
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觸角是昆蟲重要的感受器，通過感觸外界物體，做出相應(yīng)反饋。在物質(zhì)世界中，要更好研究物體接觸時的“力量”離不開原子力顯微鏡，而其核心構(gòu)件探針，則如同昆蟲的“觸角”，能夠?qū)悠繁砻娴淖饔昧D(zhuǎn)換成微懸臂梁的彎曲，進(jìn)而通過激光束探測到。
然而長久以來，球形原子力顯微鏡探針（也稱膠體探針）在納米尺度的測量存在“盲區(qū)”。近日，浙江大學(xué)伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳校區(qū)聯(lián)合學(xué)院胡歡研究員團(tuán)隊，聯(lián)合美國IBM沃森研究中心以及東華大學(xué)機(jī)械系彭倚天教授團(tuán)隊合作發(fā)明的一種新型納米球探針技術(shù)，可以精準(zhǔn)測量納米到微米尺度范圍的界面，填補(bǔ)了該尺度空缺，解決了納米摩擦學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)瓶頸。
這項研究刊發(fā)在了國際界面研究領(lǐng)域著名期刊《蘭格繆爾》（Langmuir），并作為封面之一重點報道。
球形探針的現(xiàn)實困難
原子力顯微鏡一個微懸臂梁和位于自由端的一個納米針尖構(gòu)成，能夠通過探針將十分微小的的力，通過微懸臂梁反射的激光信號測量出來，為探究納米尺度的物質(zhì)世界打開一扇門。
例如，基于對機(jī)械部件界面之間摩擦力的研究，能夠指導(dǎo)研發(fā)降低摩擦力進(jìn)而減小能耗的技術(shù)；對材料間的吸附力研究，能夠促進(jìn)超級膠水的研制；對生物樣品如癌細(xì)胞的硬度進(jìn)行測量，有可能判斷其是否更容易轉(zhuǎn)移，等等。
球形原子力探針是眾多類型原子力顯微鏡探針中的重要成員，球形在形變、硬度、力學(xué)屬性等方面更具優(yōu)勢，進(jìn)而有利于后續(xù)的科學(xué)分析。球形探針十分適合界面力學(xué)的精準(zhǔn)測量，因為接觸面積是球面，可以精確預(yù)測接觸面積和力的關(guān)系，因此可以精準(zhǔn)的測試樣品的力學(xué)特性，且不容易破壞樣品，在生物領(lǐng)域如細(xì)胞，細(xì)菌和病毒的力學(xué)測試，膠體科學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
但是，傳統(tǒng)顯微鏡上的球形探針，隨著科研發(fā)展的進(jìn)程具有明顯的不足。這類探針尺寸在1-10微米，測試精度有限，缺乏在納米尺度的測量。與此同時，球形探針是通過膠水粘貼，本身粘貼位置就很難把控影響精確度，同時遇到高溫或液體常常容易脫落。
因此如何做小球形探針，如何讓球形探針粘上去不掉下來，成為擺在科學(xué)界面前的難題。
無心插柳填補(bǔ)行業(yè)空白
胡歡團(tuán)隊長期從事各種納米制造技術(shù)的研究，對高能氦離子束并不陌生。
高能氦離子束可以聚焦成為直徑在0.5納米左右的束斑，像一把超級小的刀，能夠?qū)⒉牧显诩{米尺度任意切割，但在硅材料襯底中注入高能氦離子束則會形成隆起?！斑@是工業(yè)界非常不愿看到的現(xiàn)象，這個隆起可以說是氦離子用于納米制造領(lǐng)域的一個瑕疵中?！焙鷼g介紹。
但是，這個瑕疵在胡歡看來“如獲至寶”。“從透射電鏡的照片中可以清楚的看到硅片表面在氦離子的注入下隆起來像一個球，正好聯(lián)想到原子力顯微鏡球探針一直以來難以制造納米球的結(jié)構(gòu)這一技術(shù)瓶頸?！泵绹窖笪鞅眹覍嶒炇姨斟\暉博士評價稱：“利用硅材料在高能氦離子束轟擊下表面隆起為球形的效應(yīng)，胡博士課題組開創(chuàng)性地加工出球形原子力顯微鏡探針?！?/span>
單晶硅在不同氦離子劑量注入下逐漸隆起
于是，胡歡研究組進(jìn)行了第一個利用氦離子隆起效應(yīng)制造納米球探針的實驗。通過聚焦離子刻蝕（FIB）在普通原子力顯微鏡探針上雕刻出一個平臺，然后在平臺上精準(zhǔn)定位，注入高能氦離子束，使得單晶硅隆起，實現(xiàn)了一種穩(wěn)定可靠的納米球探針技術(shù)納米制造工藝。具有高分辨率、高準(zhǔn)確性、耐高溫的球形探針由此制造而成了，球針尖的直徑實現(xiàn)了在100納米到1微米之間精確調(diào)控，填補(bǔ)了這一領(lǐng)域空白。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源化工系主任甘陽教授評價該工作：“不但實現(xiàn)了亞微米/納米球的位置、尺寸和形狀精準(zhǔn)可控，而且亞微米/納米球與探針的原生一體式結(jié)構(gòu)確保了高結(jié)合強(qiáng)度和針尖表面無污染?！?/span>
胡歡認(rèn)為，新的探測工具的制造，將有利于促進(jìn)納米摩擦學(xué)、生物材料的測試和研發(fā)，以及分子之間力的測量，對材料學(xué)、摩擦學(xué)、生物醫(yī)學(xué)都會起到很好的推動作用。
利用氦離子注入在硅片表面精準(zhǔn)排列成的IBM和ZJUI標(biāo)志
卡爾蔡司公司離子顯微技術(shù)研發(fā)中心的首席科學(xué)家尉東光博士認(rèn)為，“這項研究以非常低的成本，極大地拓寬了探針針尖的材料范圍，因而拓展了掃描探針技術(shù)的檢測、表征能力。”
這項研究得到了國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、ZJUI啟動經(jīng)費和唐仲英基金會的支持。
文字記者：柯溢能 圖片來源：由受訪者提供
今日編輯：佳樂 責(zé)編編輯：金云云
注：本文轉(zhuǎn)載自浙江大學(xué)。
