扫描探针显微镜（SPM）是一套先进的表面分析方法。金属、聚合物、绝缘和半导体材料 SPM 的最新进展主要归功于原子力显微镜 (AFM) 的发展。

　　AFM是一种用于获取纳米级材料表面结构信息的强大设备。它可用于测量无机材料，包括半导体和金属，以及有机材料和生物材料。

　　AFM 图案化和成像方法被广泛用于开展纳米级器件制造的研究。AFM 涉及使用由锋利尖端和微型悬臂组成的探针扫描样品表面。

　　当使用 AFM 接触模式进行成像时，尖端顶点与表面持续接触，而对于轻敲模式，尖端顶点与表面间歇接触。

　　由于大多数市售尖端的圆锥形几何形状和机械特性，在纳米级计量中使用 AFM 对具有直壁和锐边的高纵横比纳米结构进行成像非常复杂。

　　纳米线改善 AFM 探针功能一维（1D）半导体纳米结构通常被定义为直径小于100 nm的线性结构，例如纳米管和纳米线。由于其独特的化学和物理特性，它们作为下一代电子和光电纳米器件的构建模块具有巨大的潜力。

　　对于高纵横比结构的纳米级计量，将氮化镓 (GaN) 纳米线嵌入探针中以提高 AFM 成像分辨率。

　　这些纳米线还允许将 AFM 与其他工具结合使用，包括近场扫描光学显微镜 (NSOM) 和扫描隧道显微镜 (STM)，以提供通用的多用途探针。这种组合可用于改进显微镜和光刻方法。

　　AFM 光刻技巧：激光扫描加光谱涉及用于半导体图案化的 AFM 探针上的 GaN 纳米线和激光器的突破性研究为记录材料的形貌和荧光信号提供了更重要的机会。

　　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、纳米膜和纳米激光器及其与多功能设备集成的研究。

　　该研究小组的多学科研究包括硅光子学和光伏以及数据科学方法在半导体研究中的应用。

　　该小组研究并制造用于亚纳米在线光刻光谱表面计量的探针和激光器。

　　他们开发了一种由 GaN 纳米线和安装在探针上的激光器组成的 AFM 尖端，以方便传统的激光扫描和光谱学来记录材料的荧光信号。

　　Busani 的研究小组将原子力显微镜与激光尖端相结合来探测物理过程和分子力。

　　当使用 AFM 探针测量表面形貌时，外部激光可以通过集成波导激活纳米线，使尖端成为激光源。这使得它可以用来辐射材料表面。

　　随后，AFM 探针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。

　　所使用的图案化工艺是场发射扫描探针光刻（FE-SPL），这是一种用于纳米加工的高分辨率技术。该过程基于从位于样品附近（距离小于 100 nm）的超锋利尖端发射电子，发射的电子暴露超薄膜。

　　该研究小组进行纳米加工、实时写入图案以及掩模光刻对准。用作光刻尖端的纳米线有助于使用光或电子发射的自对准和双重光刻。

　　隔振在处理纳米结构时，地面振动至关重要。Busani 解释说：“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。在 AFM 上暴露于激光束的样品需要具有光学稳定性。”

　　Busani 的研究小组于 2022 年 1 月推出了负刚度隔振器。这些隔振器由 Minus K Technology 创建，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。

　　这些隔振器占地面积小，不需要压缩空气或电力，因此可以将敏感仪器放置在任何需要的地方。不涉及电机、腔室或泵，因此无需维护，因为没有任何磨损。它们以完全被动的机械模式运行。

　　负刚度隔离器在多个方向上实现了高水平的隔离，并提供定制谐振频率的灵活性，垂直和水平方向可达 0.5 Hz（某些版本的水平方向频率为 1.5 Hz）。

　　考虑到固有频率为 0.5 Hz 的隔振系统，隔振从 0.7 Hz 开始，并随着振动频率的增加而改善。固有频率通常用于描述系统的性能。

　　Minus K Technology 工程副总裁 Erik Runge 解释说：“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。”

　　负刚度隔离器具有高性能，这是使用传递率曲线测量的。振动传递率测量通过隔离器传递的相对于输入振动的振动。

　　当负刚度隔离器调整至 0.5 Hz 时，它们在 2 Hz 时实现约 93% 的隔离效率，在 5 Hz 时实现约 99%，在 10 Hz 时实现 99.7%。

　　“激光装置采用负刚度振动隔离来减少振动和微动，” Busani 解释道。

　　“稳定样品对于降低噪音至关重要。隔离器可以在尖端上提供更好的程序对准，并允许我们减少测试时间。负刚度隔振为探头的精确操作提供了所需的支持，”他总结道。

　　致谢制作的表格材料最初由 Zebra Communications 的 Jim McMahon 创作。