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浙大学者新研究让测量纳米世界有了新“触角”

发布时间:2020-08-05来源:浙大新闻办作者:柯溢能1329

触角是昆虫重要的感受器,通过感触外界物体,做出相应反馈。在物质世界中,要更好研究物体接触时的“力量”离不开原子力显微镜,而其核心构件探针,则如同昆虫的“触角”,能够将样品表面的作用力转换成微悬臂梁的弯曲,进而通过激光束探测到。

然而长久以来,球形原子力显微镜探针(也称胶体探针)在纳米尺度的测量存在“盲区”。近日,浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院胡欢研究员团队,联合美国IBM沃森研究中心以及东华大学机械系彭倚天教授团队合作发明的一种新型纳米球探针技术,可以精准测量纳米到微米尺度范围的界面,填补了该尺度空缺,解决了纳米摩擦学领域的重要技术瓶颈。

这项研究刊发在了国际界面研究领域著名期刊《兰格缪尔》(Langmuir),并作为封面之一重点报道。

第一个利用氦离子注入制造的纳米球探针的工艺流程


球形探针的现实困难

原子力显微镜一个微悬臂梁和位于自由端的一个纳米针尖构成,能够通过探针将十分微小的的力,通过微悬臂梁反射的激光信号测量出来,为探究纳米尺度的物质世界打开一扇门。

例如,基于对机械部件界面之间摩擦力的研究,能够指导研发降低摩擦力进而减小能耗的技术;对材料间的吸附力研究,能够促进超级胶水的研制。对生物样品如癌细胞的硬度进行测量,有可能判断其是否更容易转移,等等。

球形原子力探针是众多类型原子力显微镜探针中的重要成员,球形在形变、硬度、力学属性等方面更具优势,进而有利于后续的科学分析。球形探针,十分适合界面力学的精准测量,因为接触面积是球面,可以精确预测接触面积和力的关系,因此可以精准的测试样品的力学特性,且不容易破坏样品,在生物领域如细胞,细菌和病毒的力学测试,胶体科学领域有广阔的应用前景

但是,传统显微镜上的球形探针,随着科研发展的进程具有明显的不足。这类探针尺寸在1-10微米,测试精度有限,缺乏在纳米尺度的测量。与此同时,球形探针是通过胶水粘贴,本身粘贴位置就很难把控影响精确度,同时遇到高温或液体常常容易脱落。

因此如何做小球形探针,如何让球形探针粘上去

掉下来,成为摆在科学界面前的难题。


无心插柳填补行业空白

胡欢团队长期从事各种纳米制造技术的研究,对高能氦离子束并不陌生。

高能氦离子束可以聚焦成为直径在0.5纳米左右的束斑,像一把超级小的刀,能够将材料在纳米尺度任意切割,但在硅材料衬底中注入高能氦离子束则会形成隆起。“这是工业界非常不愿看到的现象,这个隆起可以说是氦离子用于纳米制造领域的一个瑕疵中。”胡欢介绍。

但是,这个瑕疵在胡欢看来“如获至宝”。“从透射电镜的照片中可以清楚的看到硅片表面在氦离子的注入下隆起来像一个球,正好联想到原子力显微镜球探针一直以来难以制造纳米球的结构这一技术瓶颈。美国太平洋西北国家实验室陶锦晖博士评价称:“利用硅材料在高能氦离子束轰击下表面隆起为球形的效应,胡博士课题组开创性地加工出球形原子力显微镜探针。”

单晶硅在不同氦离子剂量注入下逐渐隆起

于是,胡欢研究组进行了第一个利用氦离子隆起效应制造纳米球探针的实验。通过聚焦离子刻蚀(FIB)在普通原子力显微镜探针上雕刻出一个平台,然后在平台上精准定位,注入高能氦离子束,使得单晶硅隆起,实现了一种稳定可靠的纳米球探针技术纳米制造工艺。具有高分辨率、高准确性、耐高温的球形探针由此制造而成了,球针尖的直径实现了在100纳米到1微米之间精确调控,填补了这一领域空白。

哈尔滨工业大学能源化工系主任甘阳教授评价该工作:“不但实现了亚微米/纳米球的位置、尺寸和形状精准可控,而且亚微米/纳米球与探针的原生一体式结构确保了高结合强度和针尖表面无污染。”

胡欢认为,新的探测工具的制造,将有利于促进纳米摩擦学、生物材料的测试和研发,以及分子之间力的测量,对材料学、摩擦学、生物医学都会起到很好的推动作用。

利用氦离子注入在硅片表面精准排列成的IBM和ZJUI标志

卡尔蔡司公司离子显微技术研发中心的首席科学家尉东光博士认为,“这项研究以非常低的成本,极大地拓宽了探针针尖的材料范围,因而拓展了扫描探针技术的检测、表征能力。”

这项研究得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、ZJUI启动经费和唐仲英基金会的支持。

原文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.0c00923

(文 柯溢能/图片由受访人提供)