扫描探针显微镜

扫描探针显微镜介绍

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope, SPM）是一类基于探针与样品表面相互作用来获取高分辨率表面形貌及物理化学性质信息的精密仪器。其核心原理是通过扫描样品表面，探测探针与样品间的相互作用力、电流或其他信号，从而实现对纳米甚至原子尺度结构的成像和分析。

由中国工程院院士和法国兰斯大学博士领衔，共同攻克多个扫描探针显微镜项目难关，最终得以推动国产精密仪器在集成电路、材料科学及生物医学等领域的应用。

核心技术突破

1.原子力显微镜（AFM）工作模式优化

接触模式：分辨率高，但易损伤样品。

轻敲模式：减少针尖磨损，提升成像稳定性。

非接触模式：利用原子间吸引力测量，避免直接接触，适用于半导体及生物样品。

2.关键技术创新

纳米压电定位台：通过高刚度柔性铰链和拓扑优化，实现XY轴交叉耦合<0.5%，谐振频率达500Hz，能量损失降低至26.7%。

光路随动技术：解决大尺寸晶圆（12英寸）扫描时的稳定性问题，适配工业级测量需求。

智能数据处理：集成AI算法实现图像超分辨率重建（分辨率提升4倍），并支持自动粗糙度、粒子及电学特性分析。

多物性分析应用

1.形貌表征

原子级分辨率（0.39nm台阶高度检测），适用于钛酸锶单原子层、蛋白质等复杂表面分析。

2.磁力显微镜（MFM）

解析磁性斯格明子自旋分布，成功制备室温斯格明子隧道结，隧穿磁电阻（TMR）效应达1.36%，兼容半导体工艺。

3.压电力显微镜（PFM）  

表征铁电材料电畴翻转（如BiFeO₃薄膜），面外铁电畴写入精度达71°/109°，粗糙度低至0.177nm。

  4.扫描开尔文显微镜（KPFM）

定量测量金属功函数（如钛功函数4.73eV），应用于半导体器件界面研究。  

5.导电原子力显微镜（C-AFM）

C-AFM 结合了原子力显微镜（AFM）和电学测量的功能，使得研究者能够在半导体行业、电子器件、导电薄膜、生物电学等领域中进行高分辨率的表面测量和电学性质的研究。

 6.液下成像与生物力学

最小化环境干扰，实现生物细胞（如卵母细胞）、类脂囊泡的高精度力学分析（杨氏模量检测范围：15.37GPa至395MPa）。 

  7.力曲线功能

单点力谱展示作用力与距离的关系，分析不同作用力与探针间的作用力特性，包含杨氏模量、能量耗散、粘附力、粘附功等。  

8. 力调制&刻蚀/加工

力调制：通常用于对样品局部区域的刚性或弹性成像，非常适用于硬基底上复合材料和软样品成像，可获得不同区域的弹性对比。

刻蚀/加工：利用AFM探针与样品表面的相互作用，在纳米尺度上对样品表面进行精确加工。

具有高精度、高分辨率和高灵活性的优势。

9.横向力显微镜（LPF）

探针在扫描时受到横向力作用，导致悬臂发生扭转，通过激光反射检测扭转角度，进而计算横向力大小。

总结

新一代扫描探针显微镜系列，突破传统AFM局限，实现多功能、高精度、智能化分析，为集成电路制造、新型材料开发及生物医学研究提供可靠工具。未来将进一步拓展其在工业流水线和大规模检测中的应用，助力中国高端仪器自主创新。