FPN的影响因素分析及相关应用

钢笔纳米刻蚀技术(Fountain pen nanolithography,FPN)是近年来发展起来的一种新型的基于原子力显微镜(Atomic force microscope,AFM)的扫描探针刻蚀技术,具有加工结构精度高、加工过程操作性强、对加工环境要求低、持续书写等优点。FPN刻蚀过程主要受探针的孔径大小、空气湿度、接触时间、书写速度、墨水的特性等因素影响。在介绍FPN相关原理及影响因素的基础上,综合介绍了包括电化学FPN技术(Electrochemical FPN,EcFPN)和主动控制技术FPN(Active FPN,AFPN)在内的FPN相关技术研究的最新成果及其在生物领域、微电子领域和光学器件方面的相关应用。     

利用典型Si(100)微结构对原子力显微镜探针参数进行表征

利用各向异性化学湿法刻蚀工艺在Si(100)上加工了具有本征侧墙角(54.73°)的典型微机电系统(MEMS)梯形结构.用该微结构作为线宽测试结构,对其进行了原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)线宽和轮廓的比对测量.并对AFM探针和样品耦合效应进行了研究,提出了AFM探针参数动态表征的模型,基于几何模型对线宽和轮廓测量中探针针尖形状和针尖位置参数进行了表征,提出了用曲率半径、安装倾角、扫描倾角和针尖半顶角来对原子力显微镜探针针尖进行表征.该方法是对现有AFM探针表征模型的改进和完善.     

原子力显微镜探针针尖修饰的研究进展

介绍了当前几种AFM探针针尖修饰技术,以及它们在高分子材料、生物材料、微观摩擦学、粘附力、纳米级电化学、碳纳米管及纳米加工方面的研究进展。AFM探针针尖修饰的目的主要是:提高扫描图像分辨率,其分辨率可达纳米或亚纳米级别;用力曲线探究特定基团间的相互作用,定量分析端基与端基之间、分子链与分子链之间及端基与分子链之间的相互作用力,避免针尖对生物样品表面的损坏;对分子材料结构进行修饰,特别是在生物细胞、DNA分子链上及分子识别;避免Si或Si3N4针尖与表面硬度较大的样品直接接触,延长探针针尖的使用寿命。在研究天然橡胶硫化的作用机理时,可以用针尖修饰技术来模拟这个过程,探究天然橡胶分子链与单个硫原子的相互作用方式与作用力。通过电化学接枝聚合把高分子接枝在AFM针尖上,为研究单链的弹性力、引起构象转变的力、相互作用的双分子的分离力及特定的官能团的相互作用提供了许多可能性。分析了影响AFM探针针尖修饰的因素,结合材料领域方面的发展,对针尖修饰技术的发展及应用前景做了分析和预测。     

用SPM纳米刻蚀方法在Ti表面制备纳米结构的研究

本文用导电原子力显微镜 (AFM)针尖诱导局域氧化反应的方法 ,在Ti膜表面制备了TiO2 纳米结构。实验结果表明 ,Ti膜的氧化阈值为 - 7伏 ,制备的TiO2 纳米线的最小线宽达到 10nm ,TiO2 纳米线的高度和宽度随针尖偏压的增大而增大。在优化的氧化刻蚀条件下 ,通过控制针尖偏压和扫描方式制备出了图形化的TiO2 结构 ,本研究表明基于导电AFM的纳米刻蚀技术将成为构筑纳米电子器件的重要工具     

基于AFM氮化硅探针刻蚀方法制作聚碳酸酯纳米光栅

基于原子力显微镜(AFM)探针的纳米机械刻蚀技术以其成本低、分辨率高的优势被广泛应用于各种纳米元器件的制造中.为了得到最优的光栅结构,首先通过单次刻蚀实验定量分析了刻蚀方向、加载力和刻蚀速率等3个主要加工参数对所得纳米沟槽形貌和尺寸的影响,给出了普通氮化硅探针对聚碳酸酯(PC)的加工特性及加工效率.然后通过改变沟槽间距(100~500 nm)得到了不同周期的纳米光栅结构,并确定了这种探针与样品的组合对间距的要求及最佳加工参数:沿垂直于微悬臂长轴向右刻蚀,加载力2.3μN,刻蚀速率2.6μm/s.最后利用该技术对实验室已有原子光刻技术所得周期为213 nm的一维Cr原子光栅结构进行了复制加工,得到了均匀的213 nm一维光栅,证明这种基于AFM探针的纳米机械刻蚀技术可被广泛应用于纳米加工.     

用于微等离子体无掩膜刻蚀的微悬臂梁探针的设计和加工

设计了一种用于微等离子体无掩膜刻蚀加工的微悬臂梁探针结构,即将微等离子体放电器集成在SiO2悬臂梁探针端部的空心针尖上,等离子体从针尖处的纳米孔导出,以实现高精度、高效率的无掩膜扫描刻蚀加工.设计了该悬臂梁探针的加工工艺流程,即对(100)硅片进行各向异性湿法刻蚀得到倒金字塔槽,并双面氧化,然后依次沉积并图形化微放电器的上、下电极和绝缘层,最后背面释放出带空心针尖的SiO2悬臂梁,并加工出针尖尖端的纳米孔.成功制作出质量良好、具有很高成品率的带薄壁空心针尖的SiO2悬臂梁探针阵列及倒金字塔型微放电器.实验结果表明,该微放电器能在3～15 kPa的SF6气体中稳定放电,为悬臂梁探针阵列和微放电器的工艺集成以及Si基材料的无掩膜扫描刻蚀加工奠定基础.     

使用SPM的纳米级加工技术新进展

扫描探针显微镜(SPM)现在不仅用于表面微观形貌的检测，同时也用于纳米超精密加工和原子操纵，该文介绍了用STM和AFM进行纳米级加工的各种最新方法：针尖直接雕刻，针尖光刻加工，局部阳极氧化，原子沉积形成纳米点，原子去除形成沟槽微结构，多针尖加工，原子自组装形成三维结构等．使用SPM的纳米级加工对发展微型机械、纳米电子学和微机电系统具有重要意义．     

AFM扫描图像重构算法的改进

针对原子力显微镜（AFM）纳米成像中存在的失真问题,研究了通过探针建模实现AFM扫描图像重构方法.目前探针盲建模算法在重构AFM图像时存在较大误差,因此提出基于探针模型预估计的AFM扫描图像重构方法.该方法采用分区探针针尖建模,并通过基于该探针模型的反卷积运算实现AFM扫描图像重构,获得比较接近真实形貌的AFM扫描图像.文中介绍了算法的具体步骤,通过仿真和实验结果证明,该方法能够有效降低AFM图像重构时引入的误差,得到的图像更能反映样品表面真实的形貌.     

原子力显微镜在高分子薄膜领域的应用

介绍了原子力显微镜(AFM)在高分子薄膜领域中的最新应用技术。在定位观察薄膜时,可采用碳纳米管定位法以及针尖打孔定位法对所观察的样品进行定位,该方法可实现对样品进行离位处理之后再次精确定位。在测量高分子薄膜厚度时,可采用针尖打孔法和漂膜法通过制备断面台阶利用AFM精确测量薄膜厚度。基于特殊相分离形貌的嵌段共聚物薄膜,可采用AFM针尖对其表面进行锻造纳米加工。这些技术拓展了AFM在聚合物薄膜表征以及纳米加工等领域的应用。     

基于AFM的纳米级表面加工中切屑形成的影响因素

以原子力显微镜（AFM）为加工工具进行了纳米级加工实验,对不同加工条件下的材料去除过程和切屑形态进行了研究．切屑形态通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察,分析了不同垂直载荷、循环次数和针尖加工方向下铝铜被加工表面的切屑形成过程．实验结果表明：低栽下切屑呈细小断屑,散布在加工区域周围;随着垂直载荷的增加,切屑逐渐变成连续的带状切屑．不同循环次数、针尖加工面时切屑形成都有很大影响．在此基础上,对比分析了相同实验条件下,不同力学性能材料的切屑形成过程．最后,通过检测被加工表面得出被加工表面质量与切屑的数量和形态之间的关系,提出了改善被加工表面质量的方法,以帮助人们更好地理解基于AFM的纳米级加工技术．     

AFM扫描过程的模拟及针尖形状反求

纳米栅格和台阶等结构的线宽准确测量,是国内外计量领域的研究热点与难点。采用原子力显微镜(AFM)能获得上述结构的三维形貌信息,但其扫描图像却是探针针尖的形貌和被测样品表面的形貌共同作用的结果,这种作用往往导致线宽边缘测量失真。为了更加精确地获得样品的表面形貌特征,首先需要重建探针针尖形貌,进而从得到的扫描图像中尽可能地消除由探针形貌带来的失真影响。基于数学形态学的盲重建理论,利用Matlab对不同形状参数的探针针尖扫描台阶样品表面进行了仿真,评价了探针形状对扫描结果的影响,初步实现了基于真实粗糙测量表面的探针针尖形状重建。     

双探针原子力显微镜针尖对准方法研究

双探针对顶测量可以有效地消除传统原子力显微镜（AFM）的探针形状对关键尺寸（CD）测量的影响。测量前需要将两个探针针尖（A和B）接触到一起作为测量零点,为实现双探针纳米级对准,提出一种渐进式平面扫描方法。首先,通过视觉图像引导两个探针对准到1μm以内。然后,两个探针继续接近,同时探针A在YOZ平面内对探针B扫描成像,并逐步缩小扫描范围和扫描步进,得到其针尖的纳米级坐标（Y_B,Z_B）。最后,将探针A在Y和Z方向分别移动至Y_B和Z_B,在X方向继续接近探针B直至两探针接触。实验证明,该方法可有效地实现双探针对准,且对准精度为10 nm。     

安捷伦科技有限公司

安捷伦科技致力于为您提供最先进的、适用于多种学科,且可以进行交互平台操作的测量技术和仪器,特别是高精度、模块化的扫描探针显微镜（SPM）和原子力显微镜（AFM）,用于高精度表征纳米力学表征的纳米压痕仪或纳米力学试验机（UTM）,以及最新推出的功能强大、体积小巧的低电压场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）。     

用SPM纳米刻蚀方法在Ti表面制备纳米结构的研究

本文用导电原子力显微镜（AFM）针尘诱导局域氧化反应的方法，在Ti膜表面制备了TiO2纳米结构。实验结果表明，Ti膜的氧化阈值为-7伏，制备的TiO2纳米线的最小线宽达到10nm，TiO2纳米线的高度和宽度随针尘偏压的增大而增大。在优化的氧化刻蚀条件下，通过控制针尘偏压和扫描方式制备出了图形化的TiO2结构，本研究表明基于导电AFM的纳米刻蚀技术将成为构筑纳米电子器件的重要工具。     

基于AFM硅表面局域阳极氧化的特性研究及纳米计量标准样板的制作

基于原子力显微镜(AFM)在硅(Si)表面进行局域阳极氧化的技术,以其成本低、易加工等优势被广泛应用于各种纳米元器件的制造.本文基于AFM在Si表面进行局域阳极氧化来制作纳米计量标准样板,首先分别在接触模式和轻敲模式下进行实验,定量分析了偏置电压、移动速率和刻蚀方向等主要参数对所得纳米线尺寸的影响,从而得到标准样板制作的最佳加工参数:在探针针尖电压为-7 V、移动速率为0.3μm/s、Z Distance值为-45 nm时,可以产生稳定的标准样板结构;同时两种模式下对纳米氧化线的影响趋势相同.最后在此最佳参数下,利用AFM在Si表面进行局域阳极氧化,加工得到了一维线光栅、二维光栅和圆形光栅结构.     

PDDA／Au NPs复合分子沉积膜的制备、表征和摩擦学行为

采用小分子柠檬酸钠对金纳米粒子进行包覆改性,紫外光谱分析经改性的金纳米粒子表面共振吸收峰为526iun,激光纳米粒度仪分析表明其平均粒径为8．4nm．改性后的金纳米粒子通过分子沉积技术,与聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐（PDDA）组装,制得单层和多层PDDA／Au NPs复合纳米粒子分子沉积（MD）膜（简称PDDA／Au NPs复合MD膜）．采用原子力显微镜（AFM）研究了PDDA／Au NPs复合MD膜的表面形貌以及摩擦、磨损行为．研究结果表明：该复合膜能降低基底的摩擦力,其中以3层膜降低摩擦力的效果最显著．在氮化硅探针扫描行程达到30次后,膜表面才开始出现磨损痕迹．随着扫描次数的增多,膜表面在探针剪切力的作用下逐渐由致密变得疏松,形成颗粒堆积,使表面粗糙度增大,摩擦力、磨损深度也随之增加．通过实验还发现这种复合膜存在两种非正常磨损现象,即磨损负增长和膜的脱落现象.     

二氧化硅纳米颗粒的反应离子刻蚀及其在硅纳米针尖制备中的应用

系统地研究了硅衬底上二氧化硅纳米颗粒的反应离子刻蚀（R IE）过程,并在此基础上制备了可用于场发射的硅纳米针尖阵列.首先,采用改进的蒸发法在硅衬底上实现二氧化硅纳米颗粒的单层密排结构,再采用典型的刻蚀二氧化硅的RIE技术同时刻蚀硅衬底和二氧化硅纳米颗粒,在对纳米颗粒尺寸随刻蚀进行而改变的电镜照片分析的基础上,获得了相应的二氧化硅纳米颗粒刻蚀模型,计算得到横向和纵向的刻蚀速率;当刻蚀后的二氧化硅纳米颗粒从衬底上脱落后,进一步对硅衬底的刻蚀可以得到锐利的硅纳米针尖阵列,初步的实验结果表明,所制备的硅纳米针尖具有较好的场发射特性.     

表面增强拉曼散射基底制造方法的研究现状

本文回顾了近年来表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)基底制造方法的研究发展现状.重点就基于新型微纳加工技术发展起来的SERS基底制备方法,包括能量束刻蚀技术、自组装及纳米球刻蚀技术等展开介绍.阐述了SERS技术在机理研究、痕量检测、传感器等方面的应用.最后,对SERS基底研究进行了展望.     

FIB／SEM双束系统在微纳加工与表征中的应用

简要回顾了聚焦离子束／扫描电子显微镜双束系统在国家纳米科学中心的应用。围绕透射电镜样品制备、扫描电子显微镜与扫描离子显微镜、纳米材料的二维与三维表征等材料表征,以及离子束直接刻蚀加工如光子晶体阵列器件原型加下、材料沉积加工如用于电学性能测试的四电极制作、指定点加工如原子力显微镜针尖修饰、三维加工、电子束曝光及其与聚焦离子束联合加工等纳米结构加工两方面,以一些具体实例分类进行了介绍。针对限制其应用的一些不利因素,如加工效率低、面积小、精度不足、加工损伤等问题,一些新技术如新型离子源Plasma、He^＋／Ne^＋离子等与现有Ga^＋聚焦离子束系统配合将成为未来发展方向。     

音叉式AFM探针针尖与表面接近特性的研究

原子力显微镜（AFM）对样品进行测量时,探针针尖与样品表面接近过程中的微观作用力探测是实现样品形貌准确测量的基础。本文基于音叉式探针的特性建立探针针尖与样品表面接近过程中的动力学方程,并利用simulink软件模拟了上述过程中探针悬臂振幅响应情况。自主搭建了基于音叉探针的接近曲线检测装置,编写位移系统控制程序和锁相放大器数据采集程序,在调幅模式下获得探针在不同激励电压下的接近曲线,其形式与仿真相符。研究结果将为音叉式原子力显微系统的搭建及优化反馈控制的设计提供扫描基准参考。