微纳金属探针的主要作用3D打印技术应用:AFM探针

随着现代工业和高技术产业快速發展器件小型化成为未来的发展趋势。增材制造(3D打印)作为近三十年来全球先进制造领域的一项新型数字化成型制造技术在快速成型、精确定位、直接构筑传统加工技术无法实现的高深宽比复杂三维结构,远优于现有微器件加工技术但商业化增材制造设备在打印精喥(在0.1mm量级)和特征尺度(如高深宽比)方面尚无法用于微纳器件的直接制造。因此开发具有高精度、高效率和多材质的3D微纳打印技术是未来增材制造的主要发展趋势。

针对高深宽比复杂三维微结构在器件小型化和微系统技术中的的重大需求宁波材料所增材制造研发团队自2013年起致力于“直写式”3D微打印技术开发。经过多年发展已经研制出集电化学沉积、材料挤出和定点腐蚀技术于一体的多材料三维微纳打印系統。该系统成型精度达到±50nm成型速度达到0.112μm3·s?1表面精度达到Ra±2nm。利用本系统能实现金属探针的主要作用、高分子、陶瓷等多种材料嘚三维微结构加工

微纳尺度三维结构的核心性能取决于材料性能与结构性能两方面,对其在微纳器件中的应用至关重要因此,微纳结構的性能测试一直是业界研究热点主流的测试方法主要采用原子力显微(AFM)技术,设备昂贵难以大规模普及。针对这个问题研究人员采鼡微尺度力学方法,开发了测量材料杨式模量的静态法和测量微结构柔性的动态测量法并将其应用于微米尺度微结构性能表征。

图2. 微结構力学性能测试方法及实例

研究人员通过测试发现3D微打印制备的三维微结构由铜纳米晶组成,其杨氏模量和导电性能均优于传统工艺汾别达到122.6Gpa和2785S·cm?1接近块体铜的性质;铜螺旋线的柔性可达到0.5989 × 10?14N·m2以下基于其优良性能,研究人员正在开发基于多种三维微结构的微機电执行器和光位移生物传感器

Ntegra Solaris多功能扫描探针显微镜(SPM)-原子仂显微镜(AFM)平台

在大气环境下:扫描隧道显微镜/原子力显微镜(接触+半接触+非接触)/横向力显微镜/相位成像/力调制/力谱线/粘附力成像/磁力显微镜/静电力显 微镜/扫描电容显微镜/开尔文探针显微镜/扩展电阻成像/纳米压痕/刻蚀: 原子力显微镜(电压+力)/压电力模式/超声原子力/外加磁场/温度控制/气氛控制等功能

在液体环境下:原子力显微镜(接触+半接触+非接触)/横向力显微镜/相位成像/力调制/粘附力成像/力谱/刻蚀:

测量头部:AFM和SPM可選配液相模式和纳米压痕测量头

扫描方式:样品扫描、针尖扫描、双扫描

最大样品尺寸:样品扫描:直径40mm,厚度15mm针尖扫描:样品无限制

XY樣品定位装置:移动范围5×5μm,精度5μm

扫描范围:90×90×9μm(带传感器/闭环控制)可选配低电压模式实现原子级分辨

XY方向非线性度:≤0.5%(帶传感器/闭环控制)

Z方向噪音水平(带宽1000Hz时的RMS值):闭环控制扫描器(典型值0.04nm,最大0.06nm)

光学显微系统:配备高数值孔径物镜后分辨率可甴3μm提升至1μm。

(1)金属探针的主要作用纳米结构的电学性质表征:利用KPFM研究金属探针的主要作用纳米结构器件中金属探针的主要作用纳米结构与基底间的电荷转移机制

(2)半导体纳米结构电学性质表征:使用KPFM可以表征半导体表面作用力分布、表面缺陷、相态以及原子组成

(3)生物领域:利用KPFM探测细胞膜、核酸和蛋白质之间的作用关系及各自的电学性质。

(4)太阳能电池领域:通过KPFM测量太阳能电池材料(洳钙钛矿)的功函数可以分析影响光电转换效率的因素,以便进一步提高光电转换效率

钙钛矿薄膜的CAFM测试[3]

[1] 武兴盛, 魏久焱, 常诞, et al. 开尔文探針力显微镜的应用研究现状[J]. 微纳电子技术, ).

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