觸角是昆蟲(chóng)重要的感受器，通過(guò)感觸外界物體，做出相應(yīng)反饋。在物質(zhì)世界中，要更好研究物體接觸時(shí)的“力量”離不開(kāi)原子力顯微鏡，而其核心構(gòu)件探針，則如同昆蟲(chóng)的“觸角”，能夠?qū)?/span>樣品表面的作用力轉(zhuǎn)換成微懸臂梁的彎曲，進(jìn)而通過(guò)激光束探測(cè)到。
然而長(zhǎng)久以來(lái)，球形原子力顯微鏡探針（也稱(chēng)膠體探針）在納米尺度的測(cè)量存在“盲區(qū)”。近日，浙江大學(xué)伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳校區(qū)聯(lián)合學(xué)院胡歡研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合美國(guó)IBM沃森研究中心以及東華大學(xué)機(jī)械系彭倚天教授團(tuán)隊(duì)合作發(fā)明的一種新型納米球探針技術(shù)，可以精準(zhǔn)測(cè)量納米到微米尺度范圍的界面，填補(bǔ)了該尺度空缺，解決了納米摩擦學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)瓶頸。
這項(xiàng)研究刊發(fā)在了國(guó)際界面研究領(lǐng)域著名期刊《蘭格繆爾》（Langmuir），并作為封面之一重點(diǎn)報(bào)道。
第一個(gè)利用氦離子注入制造的納米球探針的工藝流程
球形探針的現(xiàn)實(shí)困難
原子力顯微鏡一個(gè)微懸臂梁和位于自由端的一個(gè)納米針尖構(gòu)成，能夠通過(guò)探針將十分微小的的力，通過(guò)微懸臂梁反射的激光信號(hào)測(cè)量出來(lái)，為探究納米尺度的物質(zhì)世界打開(kāi)一扇門(mén)。
例如，基于對(duì)機(jī)械部件界面之間摩擦力的研究，能夠指導(dǎo)研發(fā)降低摩擦力進(jìn)而減小能耗的技術(shù)；對(duì)材料間的吸附力研究，能夠促進(jìn)超級(jí)膠水的研制。對(duì)生物樣品如癌細(xì)胞的硬度進(jìn)行測(cè)量，有可能判斷其是否更容易轉(zhuǎn)移，等等。
球形原子力探針是眾多類(lèi)型原子力顯微鏡探針中的重要成員，球形在形變、硬度、力學(xué)屬性等方面更具優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而有利于后續(xù)的科學(xué)分析。球形探針，十分適合界面力學(xué)的精準(zhǔn)測(cè)量，因?yàn)榻佑|面積是球面，可以精確預(yù)測(cè)接觸面積和力的關(guān)系，因此可以精準(zhǔn)的測(cè)試樣品的力學(xué)特性，且不容易破壞樣品，在生物領(lǐng)域如細(xì)胞，細(xì)菌和病毒的力學(xué)測(cè)試，膠體科學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景
但是，傳統(tǒng)顯微鏡上的球形探針，隨著科研發(fā)展的進(jìn)程具有明顯的不足。這類(lèi)探針尺寸在1-10微米，測(cè)試精度有限，缺乏在納米尺度的測(cè)量。與此同時(shí)，球形探針是通過(guò)膠水粘貼，本身粘貼位置就很難把控影響精確度，同時(shí)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
掉下來(lái)，成為擺在科學(xué)界面前的難題。
無(wú)心插柳填補(bǔ)行業(yè)空白
胡歡團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事各種納米制造技術(shù)的研究，對(duì)高能氦離子束并不陌生。
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(jí)小的刀，能夠?qū)⒉牧显诩{米尺度任意切割，但在硅材料襯底中注入高能氦離子束則會(huì)形成隆起。“這是工業(yè)界非常不愿看到的現(xiàn)象，這個(gè)隆起可以說(shuō)是氦離子用于納米制造領(lǐng)域的一個(gè)瑕疵中?！焙鷼g介紹。
但是，這個(gè)瑕疵在胡歡看來(lái)“如獲至寶”?！皬耐干潆婄R的照片中可以清楚的看到硅片表面在氦離子的注入下隆起來(lái)像一個(gè)球，正好聯(lián)想到原子力顯微鏡球探針一直以來(lái)難以制造納米球的結(jié)構(gòu)這一技術(shù)瓶頸。”美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陶錦暉博士評(píng)價(jià)稱(chēng)：“利用硅材料在高能氦離子束轟擊下表面隆起為球形的效應(yīng)，胡博士課題組開(kāi)創(chuàng)性地加工出球形原子力顯微鏡探針?！?/span>
單晶硅在不同氦離子劑量注入下逐漸隆起
于是，胡歡研究組進(jìn)行了第一個(gè)利用氦離子隆起效應(yīng)制造納米球探針的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)聚焦離子刻蝕(FIB)在普通原子力顯微鏡探針上雕刻出一個(gè)平臺(tái)，然后在平臺(tái)上精準(zhǔn)定位，注入高能氦離子束，使得單晶硅隆起，實(shí)現(xiàn)了一種穩(wěn)定可靠的納米球探針技術(shù)納米制造工藝。具有高分辨率、高準(zhǔn)確性、耐高溫的球形探針由此制造而成了，球針尖的直徑實(shí)現(xiàn)了在100納米到1微米之間精確調(diào)控，填補(bǔ)了這一領(lǐng)域空白。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源化工系主任甘陽(yáng)教授評(píng)價(jià)該工作：“不但實(shí)現(xiàn)了亞微米/納米球的位置、尺寸和形狀精準(zhǔn)可控，而且亞微米/納米球與探針的原生一體式結(jié)構(gòu)確保了高結(jié)合強(qiáng)度和針尖表面無(wú)污染?！?/p>
胡歡認(rèn)為，新的探測(cè)工具的制造，將有利于促進(jìn)納米摩擦學(xué)、生物材料的測(cè)試和研發(fā)，以及分子之間力的測(cè)量，對(duì)材料學(xué)、摩擦學(xué)、生物醫(yī)學(xué)都會(huì)起到很好的推動(dòng)作用。
利用氦離子注入在硅片表面精準(zhǔn)排列成的IBM和ZJUI標(biāo)志
卡爾蔡司公司離子顯微技術(shù)研發(fā)中心的首席科學(xué)家尉東光博士認(rèn)為，“這項(xiàng)研究以非常低的成本，極大地拓寬了探針針尖的材料范圍，因而拓展了掃描探針技術(shù)的檢測(cè)、表征能力。”
這項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、ZJUI啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)和唐仲英基金會(huì)的支持。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.0c00923
（文 柯溢能/圖片由受訪人提供）
