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第一個利用氦離子注入制造的納米球探針的工藝流程

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，基于對機械部件界面之間摩擦力的研究，能夠指導研發(fā)降低摩擦力進而減小能耗的技術(shù)；對材料間的吸附力研究，能夠促進超級膠水的研制。對生物樣品如癌細胞的硬度進行測量，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、力學屬性等方面更具優(yōu)勢，進而有利于后續(xù)的科學分析。球形探針，十分適合界面力學的精準測量，因為接觸面積是球面，可以精確預測接觸面積和力的關系，因此可以精準的測試樣品的力學特性，且不容易破壞樣品，在生物領域如細胞，細菌和病毒的力學測試，膠體科學領域有廣闊的應用前景

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

掉下來，成為擺在科學界面前的難題。

無心插柳填補行業(yè)空白

胡歡團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。“這是工業(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。”美國太平洋西北國家實驗室陶錦暉博士評價稱：“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，胡博士課題組開創(chuàng)性地加工出球形原子力顯微鏡探針?！?/p>

單晶硅在不同氦離子劑量注入下逐漸隆起

于是，胡歡研究組進行了第一個利用氦離子隆起效應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，填補了這一領域空白。

哈爾濱工業(yè)大學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)合強度和針尖表面無污染?！?/p>

胡歡認為，新的探測工具的制造，將有利于促進納米摩擦學、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、摩擦學、生物醫(yī)學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排列成的IBM和ZJUI標志

卡爾蔡司公司離子顯微技術(shù)研發(fā)中心的首席科學家尉東光博士認為，“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?！?/p>

這項研究得到了國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、ZJUI啟動經(jīng)費和唐仲英基金會的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.0c00923