扫描探针显微镜 (SPM) 构成了一系列先进的表面分析技术。当前聚合物、金属、半导体和绝缘材料SPM的进展很大程度上源于原子力显微镜（AFM）的发展。AFM 被认为是获取纳米尺度材料表面结构信息的强大设备。它不仅可用于测量金属和半导体等无机材料，还可用于测量有机材料和生物材料。

　　AFM 图案化和成像技术广泛用于纳米级器件制造的研究。在 AFM 中，使用由微型悬臂和锋利尖端组成的探针扫描样品表面。当在 AFM 接触模式下进行成像时，尖端顶点与表面连续接触，或者在轻敲模式下与样品间歇接触。然而，由于大多数市售尖端的机械性能和圆锥形几何形状，在纳米级计量中通过 AFM 对具有锋利边缘和直壁的高纵横比纳米结构进行成像具有挑战性。

　　纳米线增强 AFM 探针功能

　　一维 (1D) 半导体纳米结构（例如纳米线和纳米管，通常定义为直径小于 100 nm 的线性结构）由于其独特的物理和化学性质，已成为下一代电子和光电纳米器件的构建模块。

　　将氮化镓 (GaN) 纳米线嵌入探针中，用于高纵横比结构的纳米级计量，以提高 AFM 成像的分辨率。它们还允许将 AFM 与扫描隧道显微镜 (STM) 和近场扫描光学显微镜 (NSOM) 等其他工具相结合，以生产通用的多用途探针。这种组合可用于增强光刻和显微镜技术。

　　光刻的 AFM 技巧：激光扫描加光谱

　　利用 GaN 纳米线和 AFM 探针上的激光器进行半导体图案化的开创性研究，不仅可以记录形貌，还可以记录材料的荧光信号。

　　新墨西哥大学（新墨西哥州阿尔伯克基）的 Busani 研究小组正在开展一维纳米结构材料、近场光谱、纳米激光器和纳米膜及其与多功能设备集成的研究。该小组的多学科研究范围从光伏和硅光子学到数据科学技术在半导体研究中的应用。

　　Tito Busani 的团队研究和制造用于亚纳米在线光刻光谱表面计量的激光器和探针。他们开发了一个 AFM 尖端，探针上安装有 GaN 纳米线和激光器，这使得传统的激光扫描能够与记录材料荧光信号的光谱一起进行。

　　Busani 的团队将 AFM 与激光尖端集成在一起，以探测物理过程和分子力。在使用 AFM 探针测量表面形貌的过程中，纳米线可以通过集成波导通过外部激光激活，从而使尖端本身成为激光源。这意味着它可以用来辐射材料表面。然后，AFM 探针本身通过集成在硅探针上的波导收集光，硅探针上附着有纳米线。

　　场发射扫描探针光刻 (FE-SPL) 是一种用于纳米加工的高分辨率方法，其图案化过程基于靠近样品（距离低于 100 nm）的超锋利尖端的电子场发射，并且发射的电子会暴露超薄膜。

　　Busani 的团队进行纳米加工、实时写入图案以及掩模光刻对准。用作光刻尖端的纳米线可以通过光发射或电子发射实现自对准和双重光刻。

　　隔振

　　由于布萨尼的小组研究的是纳米结构，因此地面振动非常重要。“我们需要防振系统有两个原因：用于我们的激光光学器件，以及用于与外部激光源集成的 AFM 系统，”Busani 说。“暴露在 AFM 激光束下的样品需要具有光学稳定性。”

　　2022 年 1 月，Busani 的团队开始使用 Minus K Technology 开发的负刚度隔振器，Minus K Technology 是扫描探针显微镜、显微硬度测试仪和其他振动敏感仪器和设备制造商的 OEM 供应商。

　　这些隔振器结构紧凑，不需要电力或压缩空气，因此可以将敏感仪器放置在任何需要的地方。没有电机、泵或腔室，也无需维护，因为没有任何磨损。它们纯粹以被动机械模式运行。

　　负刚度隔离器在多个方向上实现高水平的隔离，并提供定制谐振频率的灵活性，垂直和水平可达 0.5 Hz（某些版本为水平 1.5 Hz）。对于固有频率为 0.5 Hz 的隔震系统，隔震从 0.7 Hz 开始，并随着振动频率的增加而改善。固有频率更常用来描述系统性能。

　　Minus K Technology 工程副总裁 Erik Runge 表示：“垂直运动隔离是由支撑重量负载的刚性弹簧与负刚度机构相结合提供的。” “净垂直刚度非常低，但不会影响弹簧的静态负载支撑能力。与垂直运动隔离器串联的梁柱提供水平运动隔离，并且梁柱充当与负刚度机构相结合的弹簧。结果是一种紧凑的无源隔离器，能够具有非常低的垂直和水平固有频率以及高的内部结构频率。”

　　根据传递率曲线测量，负刚度隔离器可提供高性能。振动传递率是通过隔振器传递的振动相对于输入振动的量度。负刚度隔离器调整至 0.5 Hz 时，在 2 Hz 时可实现约 93% 的隔离效率，在 5 Hz 时可实现 99%，在 10 Hz 时可实现 99.7%。

　　“负刚度隔振用于激光装置，以减少振动和微动，”Busani 说。“稳定样品对于降低噪声至关重要。隔振器可以在尖端上提供更好的程序对准，使我们能够缩短测试时间。负刚度隔振为探头的精密操作提供所需的支持。”