浙大學者的這項新研究666,測量納米世界有了新「觸角」!

2021-01-18 浙江大學

觸角是昆蟲重要的感受器，通過感觸外界物體，做出相應反饋。在物質世界中，要更好研究物體接觸時的「力量」離不開原子力顯微鏡，而其核心構件探針，則如同昆蟲的「觸角」，能夠將樣品表面的作用力轉換成微懸臂梁的彎曲，進而通過雷射束探測到。

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」。近日，浙江大學伊利諾伊大學厄巴納香檳校區聯合學院胡歡研究員團隊，聯合美國IBM沃森研究中心以及東華大學機械系彭倚天教授團隊合作發明的一種新型納米球探針技術，可以精準測量納米到微米尺度範圍的界面，填補了該尺度空缺，解決了納米摩擦學領域的重要技術瓶頸。

這項研究刊發在了國際界面研究領域著名期刊《蘭格繆爾》（Langmuir），並作為封面之一重點報導。

第一個利用氦離子注入製造的納米球探針的工藝流程

球形探針的現實困難

原子力顯微鏡一個微懸臂梁和位於自由端的一個納米針尖構成，能夠通過探針將十分微小的的力，通過微懸臂梁反射的雷射信號測量出來，為探究納米尺度的物質世界打開一扇門。

例如，基於對機械部件界面之間摩擦力的研究，能夠指導研發降低摩擦力進而減小能耗的技術；對材料間的吸附力研究，能夠促進超級膠水的研製；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勢，進而有利於後續的科學分析。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係，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，傳統顯微鏡上的球形探針，隨著科研發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不掉下來，成為擺在科學界面前的難題。

無心插柳填補行業空白

胡歡團隊長期從事各種納米製造技術的研究，對高能氦離子束並不陌生。

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，能夠將材料在納米尺度任意切割，但在矽材料襯底中注入高能氦離子束則會形成隆起。「這是工業界非常不願看到的現象，這個隆起可以說是氦離子用於納米製造領域的一個瑕疵中。」胡歡介紹。

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矽片表面在氦離子的注入下隆起來像一個球，正好聯想到原子力顯微鏡球探針一直以來難以製造納米球的結構這一技術瓶頸。」美國太平洋西北國家實驗室陶錦暉博士評價稱：「利用矽材料在高能氦離子束轟擊下表面隆起為球形的效應，胡博士課題組開創性地加工出球形原子力顯微鏡探針。」

單晶矽在不同氦離子劑量注入下逐漸隆起

於是，胡歡研究組進行了第一個利用氦離子隆起效應製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，然後在平臺上精準定位，注入高能氦離子束，使得單晶矽隆起，實現了一種穩定可靠的納米球探針技術納米製造工藝。具有高解析度、高準確性、耐高溫的球形探針由此製造而成了，球針尖的直徑實現了在100納米到1微米之間精確調控，填補了這一領域空白。

哈爾濱工業大學能源化工系主任甘陽教授評價該工作：「不但實現了亞微米/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構確保了高結合強度和針尖表面無汙染。」

胡歡認為，新的探測工具的製造，將有利於促進納米摩擦學、生物材料的測試和研發，以及分子之間力的測量，對材料學、摩擦學、生物醫學都會起到很好的推動作用。

利用氦離子注入在矽片表面精準排列成的IBM和ZJUI標誌

卡爾蔡司公司離子顯微技術研發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範圍，因而拓展了掃描探針技術的檢測、表徵能力。」

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

責編編輯：金云云

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