Nanonics多探针平台在纳米材料表征和加工应用中的独特性

石墨烯的发现开启了新一代材料的进化史.这**了低维度纳米材料和混合材料的多样发展.这些材料的发现也导致了对研究平台的反思,新的平台必须适应这些下一代基础材料的纳米表征和加工,以及相应的应用和新器件开发.

对于这种平台的一个基本的要求就是具有能将纳米成像和纳米操作以及其他探测台全部整合的能力.在Nanonics Imaging Ltd公司进行这一无法被其他制造商复制的开拓之前,这种联用通常需要在线的扫描电镜（SEM）来有效的指导纳米操作探针进行纳米材料的研究。FEI Inc公司提供的SEM集成纳米操作台正是实例。但是，即使有SEM的指导的纳米操作台也会对这种纳米材料造成物理损伤或者引入有害的电荷。用户真正需要的是能够在原子级别来反映样品结构和性能的平台，这涵盖了**灵敏度的电学，热学，光学甚至化学的纳米表征。

这正是Nanonics Imaging Ltd. MultiProbeMultiView 4000 (MV 4000)平台的独特之处。

这个多探针平台可以充分的集成所有扫描探针显微镜的功能，包括结构和性能的纳米成像。 同时保证纳米探针的超精细分辨率，又不会引入电子束伤害。并可以有效地使用常规的纳米探针用于纳米操作应用。因此，Nanonics多探针平台**将多探针AFM探针同时用于结构和性能应用测试，并将先进的纳米操作台开放的联用起来。这项技术将扫描探针显微镜和探针塔的所有优势结合了起来。

为了提供这样的系统，Nanonics不仅在仪器设计方面取得了突破，而且还开拓了NanoToolKit^TM**探针的设计用于超精细的结构和性能成像。这些探针**实现了一个探针能够真正的碰触另外一个探针，可参考文献[Klein AE, Janunts N, Tünnermann A, Pertsch T. Investigation of mechanical interactions between the tips of two scanning near-field optical microscopes. Appl Phys B 2012;108:737–41]. 

这甚至可以允许一个AFM探针对另外一个AFM探针或者纳米操作探针进行成像。纳米操作探针和AFM探针的区别是不具有反馈和成像功能。

为了开启这一新领域，Nanonics在建立之后的20年中一直致力于研究现有单探针或多探针AFM设备中*灵敏的AFM反馈机制。这种方法采用了音叉反馈。这种反馈机制非常的灵敏，甚至允许用户用于研究单个光子的作用力。[D. C. Kohlgraf-Owens, S. Sukhov, and A. Dogariu* “Mapping the mechanical action of light,” Phys. Rev. A 84, 011807R (20111)]. 这个作用力为1.6pN，与市面上任何AFM设备相比都能达到10到25倍的灵敏度。

除了使用这种特有的成像模式，Nanonics平台也可以使用常规的AFM激光反馈模式和AFM硅悬臂达到**的AFM扫描效果。这种悬臂探针需要反射的激光用于反馈调节。另外，这些探针无法相互之间接触因此无法进行多探针应用，这是他的固有限度。并且由于这种反馈机制明显很低的力灵敏度，纳米材料和元器件的研究并不想采用。

一个主要的局限是这种基于激光束的反馈会在材料上引入电荷，在基本表征测试中引入背景噪音。这些电荷会掩盖这些材料与众不同的物理现象。因此，能够在没有干扰的情况下测试电学，热学和光学特性是对于理解材料基本物理和器件功能必不可少的要求。除却多探针的优势以外，不束缚于外部激光反馈干扰的测试这些功能特性与传统的AFM技术相比具有更大的优势。

无光学干扰的优势对于多探针AFM集成的功能测试也尤其重要，如此探针才能真正物理意义上的接触彼此。这才能实现在两个探针纳米量级的距离变化情况下进行传导机制的测试。

因此，Nanonics多探针集成SPM平台实现了多种以往不可能的测试功能。这是**也是目前**一个被引入国家科学基金会支持的报告的系统。Roco MC, Mirkin CA, Hersam MC. 的“Nanotechnology Research Directions for Societal Needs in 2020”（ Springer- Verlag, NY, USA, 2010, 610）报告由美国弗吉尼亚州阿林顿的世界技术评估中心和美国国家科学基金会支持编写。在这边报告中注明了未来用于科技进步的所有纳米技术表征工具中，多探针SPM会是*重要的技术之一。

Nanonics平台还在多个方面继续创新。首先，在这些研究中真空环境搭配加热/制冷的环境控制具有重要意义。Nanonics平台可将环境控制与扫描探针显微镜领域所有的成像功能结合。在我们的研究中需要将温度升至**350摄氏度，这通过Nanonics平台是可以实现的。这一需求还需要搭配改进后的常规纳米操作台用于样品的精确操纵，这也可以通过Nanonics的系统来实现。

而且，这些系统的设计都保证了完全开放自由的光学轴。这使标准的研究级光学显微镜可以与系统**集成，用于从高真空系统的上方和下方观察样品。这种光学的灵活性在以往从未被实现。为了实现这一目的，SPM系统的结构和探针的设计都必须保证没有任何光学吸收，这对于器件研究尤为重要。传统任何一台AFM系统中都无法实现这样沿着光轴上下观察的设计。

就像Nanonics客户在文章内写到的“. . . .the tip apex is not shadowed, as the laser beam is a focused beam with a converging angle of 26.7°, while the half angle of the tip is only about 4°. In addition, the tip is not perpendicular to sample surface where the angle between the tip axis and sample surface is about 60°”Nanonics系统提供的全视野不仅对于上述提到的未来升级非常必要，而且利用研究级高放大倍数的光学显微镜用户可以快速的将探针之间的距离缩短到微米量级。当然，所有的功能都同时保证AFM扫描的极限噪音在0.2nm级别伸直更低。

新一代材料研究的中心还在于在线光谱表征。这些材料都具有很多重要的光谱特性，是非常必要的表征手段。除此之外，光致发光和振动光谱的研究也很必要。Nanonics是世界上**在1990年度就将振动光谱和扫描探针显微镜联用起来的公司。为了这一联用，Nanonics研发了**台探针和样品都可以扫描的系统。样品扫描对于振动光谱是必要的，而Nanonics这种联用系统的首篇文章在1999年就发表了。这种联用功能现在可以复制到多探针系统上，实现了基于上述所有扫描探针，探针台，和真空功能的化学表征，用于研究材料在电运载过程中的化学性质改变。

自从开发了**套集成扫描探针和振动光谱联用系统，Nanonics多年来也一直努力创新于近场扫描成像领域，将独特的等离子探针引入振动光谱测试，实现纳米级别的振动光谱联用，如TERs（针尖增强拉曼测试）。此应用也已经有很多篇文章发表，如单分子成像的Carrier et al [S. L. Carrier et al,”Protein–ligand binding investigated by a single nanoparticle TERS approach,”” Chem. Comm. DOI: 10.1039/c0cc05059h (2011)].

Nanonics在近场光学成像领域的专业性早已获得世界范围内的认可，使用多探针系统的成果也很广泛的用于**文章的发表。比如，新加坡数据储存研究所发表的[Miroshnichenko, A. E. “Nonradiatinganapole modes in dielectric nanoparticles,” NATURE COMMUNICATIONS | 6:8069 (2015); DOI: 10.1038/ncomms9069 ]和哈佛大学发表的Patrice Genevet et al., et al “Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial,” Nature Nanotechnology (2015) DOI: 10.1038/NNANO.2015.137].这些功能考虑到了纳米光学成像的多样性。针对这些新材料，还有一个重要应用就是使用纳米光源在没有背景干扰的情况下激发纳米光电效应。这对于研究这些低维度材料及其合成材料在金属接触的局部效应下的能量级非常必要。

*后，多探针表征和纳米加工的特有结合也可以通过这个平台实现。在*近发表的一篇文章中，具有Nanonics NanoToolKit^TM**设计的纳米加工探针用于在纳米级别氧化一个纳米结构，并记录由于氧化引起的化学势变化[A. Patsha et al, “Localized Charge Transfer Process and Surface Band Bending in Methane Sensing by GaN Nanowires,” J. Phys. Chem. C 2015, 119, 21251?21260]。市面上其他能提供气体纳米加工的系统都结合了SEM和聚焦离子束技术，如FEI Inc和Hitachi High-Technology Corporation公司提供的双束产品。这种设备的价格都超过了一百万美金，并且不能提供实时在线测试以及其他Nanonics平台提供的很多优势。比如上面Patsha用户发表的文章中强调的扫描探针显象模式中的在线化学势成像是这种双束系统所不能提供的。

总而言之，**获奖的Nanonics探针平台可以允许科研人员有效的完成其他厂家的产品所不能达到的测试功能。