快速扫描纳米

上世纪五十年代末期，诺奖得主、物理学鬼才理查德费曼在加州理工学院的物理年会上，作了题为《There' s Plenty of Room at the Bottom》的报告，具前瞻性地提出了他对于纳米尺度操作及控制的框架性想法，并由此开启了无数科研工作者在纳米尺度上探究物质奥秘并通过相关的纳米技术来改变、造福人类的道路。同样是在上世纪五六十年代，采用平面处理工艺批量制备晶体管的策略出现，由此开启了集成电路产业的飞速发展。摩尔博士在六十年代中期提出了著名的摩尔定律“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”。而其中元器件数量的增多，是通过不断缩小元器件的关键尺寸来实现的。不论是在纳米尺度上进行探索，或是与人们生活息息相关的集成电路产业发展，都需要制备各种各样的纳米结构、纳米功能单元或纳米器件。而在制备各类纳米结构的过程中，为重要的操作就是通过光刻来实现在不同的材料上定义图案区域。目前，在工业上，先进的EUV光刻机具备7 nm技术节点的制备工艺中所需的图形加工能力，但其单值高，比一架F-35战斗机的价格还会高出不少。对于科研工作者来说，目前通常采用的基于光学曝光原理的科研光刻设备（科研的无掩模曝光系统、掩模对准式曝光系统等），能够实现的图形加工分辨率一般在微米尺度或亚微米尺度。而随着研究对象尺度的不断减小，对纳米尺度结构构筑的需求，上述基于光学曝光原理的科研光刻系统显然是不能够完全满足的。基于聚焦电子束、离子束的各类图案化加工设备，比如电子束光刻系统、聚焦离子束系统等，能够有效满足科研中对于纳米尺寸的图形加工需求。然而，由于电子束流和离子束流需要聚焦，这类设备通常由较为复杂的电子光学系统构成，因此价格相较于上述科研光学光刻设备要高出很多（即使是科研的电子束曝光系统，其单值也远超科研的光学曝光设备）。另一方面，聚焦电子束、离子束系统的复杂性也对操作人员和设备维护人员提出了较高的要求。 图1 热扫描探针光刻系统诱导材料局部变化的三种机制 在科研领域中，扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography）是另一种颇受关注的图案化工艺方案，能够实现纳米（甚至原子的）图案制备的需求，其核心思路是通过纳米针诱导材料表面局部的改性来实现图案化。纳米针诱导材料表面改性的机制有很多种，包括力学、电学、热学、扩散等等，也由此产生了许多不同的扫描探针光刻技术。在诸多的扫描探针光刻技术中，热扫描探针光刻技术（thermal scanning probe lithography，t-SPL）是近年来发展起来的一种可快速、可靠、高精度地实现纳米图案化工艺，其技术核心是利用加热针的热能来诱导局部材料的改性。通常，热是材料转化中较为普遍的驱动因素，在很多材料中能诱导结晶、蒸发、熔化等改性现象。在纳米尺度上，由于只有很小的体积被加热，所以材料改性的特征时间是以纳秒量来计算的。因此，加热几微秒就足以改变针下的材料。对于刻写速度而言，悬臂梁的机械扫描运动成为图案化工艺速度方面的主要限制。然而，凭借扫描探针领域良好的技术积累，目前可以实现高达20 mm/s的刻写速度，能够满足大多数科研上的图案化制备工艺需求。同时在微纳图案结构的加工精度及分辨率方面，热扫描探针光刻技术可以实现特征线宽在10 nm以下的微纳结构的制备。图2 利用热扫描探针光刻进行热敏抗刻蚀剂的图案化工艺后，结合各类工艺实现的微纳结构及器件案例 作为一种高精度图案化工艺设备，近些年来热扫描探针光刻技术得到飞速发展，然而很多研究人员还比较陌生。着眼于此，洛桑联邦理工的S. T. Howell博士以及瑞士Swisslitho的F. Holzner博士撰写了综述《Thermal scanning probe lithography—a review》（已于2020年4月6日刊载在NPG旗下期刊Microsystems & Nanoengineering，详细信息可参考链接https://doi.org/10.1038/s41378-019-0124-8），Howell等人向大家详细介绍了热扫描探针光刻的历史、原理、图案转移工艺以及在基于新型低维材料的微纳电子器件、自旋电子器件、光子学微纳结构、微纳流控、微纳机电等领域的应用案例。图3 利用热扫描探针光刻进行定域材料转换的应用案例 另一方面，不同于很多新型光刻策略还停留在实验室中，瑞士Swisslitho公司已经成功将热扫描探针光刻技术商品化，名为NanoFrazor。在国内外的诸多用户当中，已有不少基于NanoFrazor制备的结构而开展的研究，相关结果也都发表在了Science、Nature、PRL、等高水平期刊上。图4 热扫描探针诱导的增材工艺的应用案例

扫描电镜是一种通用性和扩展性极强的分析型实验仪器，而纳米操纵手是当前扫描电镜的重要扩展附件之一，可以实现在微观领域的控制、移动和物性测量等功能。苏州特尔纳米技术有限公司独立开发的纳米操纵手已经通过验收，是我国第一台工业级纳米操纵手。2009在JEOL的钨灯丝扫描电镜上成功安装，可以达到与电镜无缝连接，受到中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的认可。我们相信，该装置的研制成功必将大大延长扫描电镜在微观世界的应用极限，为材料分析、制造提供更方便快捷的手段。苏州特尔纳米技术有限公司网站http://www.derltech.com/index.html联系方式：林志伟先生13951806583

p　　能源纳米技术，泛指利用纳米材料和纳米尺度的特征效应构筑能源纳米器件，致力于解决可再生能源转化和存储过程中的瓶颈问题，目前已成为一个重要的学科交叉领域。能源纳米器件显著区别于电子器件和光电子器件，其工作机制决定于器件中电子、空穴和离子等载流子的长程传输过程，其传输过程常与化学转化相耦合，并且不同于传统化学反应中电子被局域在原子核附近。基于原子力显微镜(AFM)发展的扫描力探针显微术(SFM)从最初的形貌扫描工具，逐步发展成了可探测力学、电学、热学、磁学、光学和化学等性质的多模式功能成像技术，同时结合其高空间和时间分辨率，适应于复杂环境的原位工况成像能力等优势，被广泛用于能源纳米器件工作机理的研究。/pp　　中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员陈立桅团队，长期致力于能源纳米器件界面形貌、化学结构和电子过程的扫描力探针研究，目前已在Acc. Chem. Res，Nat. Commun.，JACS，Adv. Mater.，Joule，Nano Lett.，Nano Energy 等期刊上发表了一系列原创性研究成果。近日，受邀在《先进材料》(Advanced Materials)上撰写题为Functional Scanning Force Microscopy for Energy Nanodevices 的综述文章(DOI: 10.1002/adma.201802490)，聚焦近年来能源纳米器件的扫描力探针技术的研究进展。/pp　　该综述首先介绍了扫描探针各种功能成像技术的发展历程，从最基本的形貌成像模式开始(图1)，依次介绍纳米力学模式、化学成像模式、载流子探测模式和时间分辨成像技术等。第二部分介绍了各种扫描力探针功能成像模式在能源转换器件，如有机光伏电池和有机-无机钙钛矿电池中的进展。该部分重点突出了原位工况研究器件内部界面动态演化的重要意义和面临的挑战(图2)。在第三部分中，该综述介绍了以锂离子电池为典型代表的能源储存器件中固态电解质中间相(SEI)的形貌、力学性质、化学组分在电池循环中的演变，及其与电池循环性能的关联(图3)。该类器件区别于能源转换器件的主要特点是器件行为决定于离子的传输，因此推动了一系列探测离子运动的功能成像模式的发展。最后，该综述总结了扫描力探针技术在能源纳米技术发展中起到的积极推动作用，同时指出进一步提高测量分辨率和测量精度对于推动能源纳米技术领域革新具有重要意义。/pp style="text-align: center "　　此综述和相关研究工作得到国内外合作者的大力支持，受到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、江苏省自然科学基金、中科院先导专项和科研装备研制项目、苏州纳米协同创新中心(教育部2011计划)以及苏州纳米所的经费资助与研发条件支持。br/img title="1.jpg" alt="1.jpg" src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/3077aae7-37fa-4433-af33-770f84021604.jpg"//pp style="text-align: center "　　图1.扫描力探针技术原理图，通过针尖扫描过程中是否振动将扫描力探针技术分为非振动模式(a)和振动模式(b)两大类br/img title="2.jpg" alt="2.jpg" src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/611aebf3-4b8d-49b6-9176-fdacae6f7a8e.jpg"//pp style="text-align: center "　　图2.原位工况研究有机光伏器件和有机-无机钙钛矿光伏器件能级结构的演变br/img title="3.jpg" alt="3.jpg" src="https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/b1bdb1ed-c242-4cdc-952b-b2a6033070e1.jpg"//pp style="text-align: center "　　图3.锂离子电池SEI形成原理示意图及其形貌变化的原位表征/ppbr//p