扫描声学显微镜

什么是扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope--SPM)? SPM是一个大的种类，目前，SPM家族中已经产生了二三十种显微镜，如扫描隧道显微镜STM）、原子 （力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、近场光学显微镜（SNOM）等等。 SPM的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，通过原子线度的极细探针在被研 究物质的表 面上方扫描时检测探针&mdash 样品两者之间的相互作用,以得到被研究物质的表面特性，不同类型的SPM之间 的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖----样品相互作用方式的不同。 　 扫描隧道显微镜模块： 　 STM（Scanning Tunneling Microscope的简称）的工作原理来源于量子力学中的隧道效应原理。 当金属探针在与导电样品非常接近时（小于1nm），控制探针在样品表面进行逐行扫描，检测探针与样 品间隧道电流的变化来获取样品表面形貌、I-Z、I-V曲线等其它特性。 由于要在探针和样品间产生并传输隧道电流，所以只能检测导电 样品。 　 什么是原子力显微镜（Atomic Force Microscope -- AFM）? AFM是SPM最重要的发展。它控制一个微悬臂探针在样品表面进行逐行扫描，当探针在与样品非 常接近时（小于1nm），由于两者间原子的相互作用力，使对微弱力极敏感的微悬臂发生偏转，再 通过光杠杆作用将微小偏转放大，用四象限光电探测器检测，以获取样品表面形貌和其它物理、化 学特性。AFM按照其成像模式和检测信号的不同，有多种不同的工作模式，适用于不同性质的材料. 样品。 由于AFM对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛，弥补了STM只能观察导电样品的不足。 　 原子力显微镜基础模块： 　 该模块包含原子力显微镜接触模式和横向力模式。 模式 接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，扫描过程中与样品保持接触。该 时探 模式分辨率较高，但成像针对样品作用力较大，容易对样品表面形 测表 成划痕，或将样品碎片吸附在针尖上，适合 检测强度较高、结构 稳定的样品。 横向力模式：是接触模式的扩展技术，针尖压在样品表面扫描时，与起 伏力方向垂直的横向力使微悬臂探针左右扭曲，通过检测这种扭 曲，获得样品纳米尺度局域上探针的横向作用力分布图。 原子力显微镜专业模块： 　 该模块包含原子力显微镜轻敲模式和相移模式。 轻敲模式：在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，样 品表面的起伏使微悬臂探 针的振幅产生相应变化，从而得到样品 的表面形貌。 由于该模式下，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地对样品进行&ldquo 敲 击&rdquo ，因此横向力引起的对样品的破坏几乎完全消失，适合检测粉体颗 粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率接触模式低。 相移模式：是轻敲模式的扩展技术，通过检测微悬臂实际 振动与其驱动信 号源的相位差的变化来成像。引起相移的因素很多，如样品的组分、 硬度、粘弹性、环境阻尼等。因此利用相移模式，可以在纳米尺度上 获得样品表面局域性质的丰富信息。 液相模式：（选配）配有液体池，工作时探针和样品都在液体环境中， 适用于生物样品 摩擦力显微镜模块： 　 原子力显微镜基础模块中的横向力模式可以获得样品与探针的横向作用力分布图。由于影响 横向力的因素很多，主要包括样品移动方向与针尖悬臂角度、样品晶格排列角度、摩擦力、台阶扭动、 粘弹性等，因此，如果能够基本确定其它因素，利用横向力模式可以对样品纳米级摩擦系数进行间接测 量，进行表面裂缝及粘弹性分析等。 摩擦力显微镜是用于定量评价极轻载荷下（10^-7&mdash 10^-9N）薄膜材料的摩擦学特性，通过对针 悬臂 尖及悬臂的力学特性准确标定，能够获取微观摩擦系数，为纳米摩擦学研究提供依据。利用我们独创的 对分模式扫描，可以准确标定针尖悬臂与扫描方向的90度角，以消除针尖放置角度的不准确和扫描器 误安装位置的差；通过设定正压力的变化范围，可以连续改变正压力， 几分钟内就可完成几小时才能 完成的测量过程，而且系统状态变化很小， 使得测量更准确；由于有4通道同步采集，在所有的力测量过程中，我们 可以同时采集到样品的起伏、针尖所受到的起伏力、横向力，可以准确 分析针尖的状态，为精确分析摩擦力提供了更为详实的数据。 　 磁力/静电力显微镜模块： 　 抬起模式：该工作模式分两个阶段,第一阶段与普通原子力显微镜形貌成像一样，在探针与样品间 距1nm以内成像，然后，将探针抬起并一直保持相同距离，进行第二次扫描，该扫描过程可以对一些 相对微弱但作用程较长的作用力进行检测，如磁力或静电力。 磁力显微镜（Magnetic Force Microscope -- MFM）：控制磁性 探针在磁性样品表面进行逐行扫描,利用抬起模式进行二次成像，获得样 品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。 静电力显微镜（Electrostatic Force Microscope -- EFM）： 控制导电探针在样品表面进行逐行扫描，利用抬起模式二次成像，获得 样品纳米尺度局域上静电场分布图。 　 扫描探针声学显微镜模块： 扫描探针声学显微镜（SPAM，Scanning Probe Acoustic Microscope）是将原子力显微镜与电声成 像技术相结合，采用声学成像模式，借用声波记录下物质的内部模样，建立了低频（30kHz）高分 辨率（~10nm）扫描探针声学显微成像技术。其特点是能够获得反映材料亚表面纳米尺度结构的声 学像和性能的原位检测，克服了现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足。迄今为止，反映材 料亚表面纳米尺度结构及有关物性的声学功能模式的SPM在国内外报道甚少。 　 样品定位辅助模块： 　 该模块包含高分辨CCD光学显微系统和高精度电控样品移动平台。 高分辨CCD光学显微系统：在计算机上成像，用于观察探针和样 品，放大80&mdash 600倍。 高精度电控样品移动平台：计算机自动控制，配合 光学显微系统 进行精确样品移动和定位的装置。移动范围5mm*5mm，单步移动步长最小 85nm。 　 纳米加工模块： 　 SPM的纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一，常用的加工方法包括机械刻蚀、电致/场致刻 润笔 蚀、浸润笔(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等。其基本原理是利用SPM针尖在样品表面准确移动， 与样 同时控制针尖-样品间的相互作用，就可完成所需的加工过程。 常用的移动方法包括矢量和点阵。矢量法通过矢量产生插件建立矢量数据文件，然后进行刻蚀。 使用这种方法，线条连续，刻蚀速度快，但矢量编辑较为麻烦。点阵法通过插件自动分析需要刻蚀的图 象，在样品上边扫描边刻蚀。这种方法不用编辑矢量，与原图像几乎不失真，但刻蚀速度慢，线条不连 续。可以根据需要选择不同的方法。 　 SPM通用平台开放式开发系统模块： 　 SPM通用平台开放式开发系统是一套完整的SPM模块化开发平台，简称&ldquo 开发系统&rdquo 。包括软件 板和 开发模硬件开发套件。如果您需要在已有的SPM功能上开发特殊要求的功能模块，就需要购买开发系 统。目前，离线软件开发模板我们都免费赠送，鼓励用户亲自开发，或者提出详细要求和算法，委托我 们为SPM定制1-2个特殊功能的处理插件，这都是免费的服务。 软硬件结合的特殊功能的SPM开发就要使用&ldquo 开发系统&rdquo 了。这套系统具体包括软件开发模板、硬件 扩展接口测试箱(硬件扩展实验板组)、硬件接口插件模板、开发手册。该系统的设计充分考虑了用户级 二次开发的方便性、可行性和可靠性。当然，您也可以购&ldquo 开发系统&rdquo ，然后提出IDEA，由我们来帮您 合作完成。 在您了解了各个功能模块后，您可以选型了，我们为了您搭建了四种机型，它们的外形都基本 一样，那是因为这样便于您今后无障碍模块化升级。 模块/型号 ZL STM-II 型 扫描隧道显微镜 ZLAFM-II型 原子力显微镜 ZLAFM-III型 扫描探针显微镜 ZL3000型扫 描探针显微镜 扫描隧道 显微镜模块 　 　 　 　 原子力显微镜 基础模块 　 　 　 　 原子力 显微镜 专业模块 　 　 　 　 摩擦力 显微镜模块 　 　 可选配　 　 磁力/静电力 显微镜模块 　 　 　 　 样品定位 铺助模块 　 可选配 　 　 纳米 加工 模块 　 可选配 可选配 可选配 SPM通用平台 开发系统 　 　 可选配 可选配 扫描探针 声学模块 　 　 可选配 可选配 各功能模块介绍摘要： 1．扫描隧道显微镜只能检测 导电样品，因其有样品的局限性，所以通常作为教学仪器。 2．原子力显微镜对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛。AFM基础模块包括接触模式和横 向模式；AFM专业模块包括轻巧和相移模式。 3．接触模式AFM适合检测表面强度较高、结构稳定的样品。 4．横向力模式AFM可以获得样品纳米尺度局限上探针的横向作用力分布图。 5．轻敲模式AFM适合检测粉体颗粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率比接 触模式较低。 6．相移模式AFM对不同组分材料的组分变化比较敏感。 7．磁力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。 8．静电力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上静电场分布图。 9．样品定位辅助模块用于实现样品在毫米量级范围内以纳米精度搜寻定位。 10．纳米加工模块用于实现矢量刻蚀和图形刻蚀方法的纳米加工。 11．如需开发特殊功能SPM，需要购买SPM通用平台开放式开发系统。 配置/型号 ZL STM-II ZL AFM-I ZL AFM-II ZL AFM-III ZL 3000 主机 可扩展式电子学控制机箱 多模式扫描探针显微镜组合式探头 扫描隧道显微镜 原子力显微镜 接触/横向力 模式 原子力显微镜 轻敲/相移 模式 摩擦力显微镜 磁力/静电力显微镜 针尖粗调/自动趋近机构 扫描器(单一多量程自适应扫描器不更换技术) 针尖架 扫描隧道模式针尖架 原子力基础模式针尖架 原子力专业模式针尖架 磁力模式针尖架 静电力模式针尖架 组合式纳米级减振系统 1个 包含 包含 包含 包含 包含 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 1套 6&mu m 6&mu m 50&mu m 50&mu m 100&mu m 1个 2个 3个 5个 1个 　 　 　 1套 软件 系统 　 在线控制软件 1套 离线图像处理/分析软件 离线软件开发模板 摩擦力分析软件 　 　 　 　 网络实验室远程控制软件 　 　 　 培训课件/实验教材/科普教材/说明书光盘 　 附件 标准样品 1套 样品载片 5片 5片 10片 10片 15片 STM探针 Pt-Ir 20 20cm 　 20cm AFM接触/横向力/摩擦力模式探针（进口） 　 10枚 AFM轻敲/相移模式探针（进口） 　 　 　 10枚 MFM磁力探针（进口） 　 　 　 　 5枚 EFM导电探针（进口） 5枚 专用工具（镊子、针尖剪刀、玻璃皿 等） 1套 样品 定位 模块 高分辨CCD光学显微系统 可选配 高精度电控样品移动平台 　 　 纳米加工模块 SPM通用平台开放式开发系统 　 　 　 什么是扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope--SPM)? SPM是一个大的种类，目前，SPM家族中已经产生了二三十种显微镜，如扫描隧道显微镜STM）、原子 （力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、近场光学显微镜（SNOM）等等。 SPM的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，通过原子线度的极细探针在被研 究物质的表 面上方扫描时检测探针&mdash 样品两者之间的相互作用,以得到被研究物质的表面特性，不同类型的SPM之间 的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖----样品相互作用方式的不同。 　 扫描隧道显微镜模块： 　 STM（Scanning Tunneling Microscope的简称）的工作原理来源于量子力学中的隧道效应原理。 当金属探针在与导电样品非常接近时（小于1nm），控制探针在样品表面进行逐行扫描，检测探针与样 品间隧道电流的变化来获取样品表面形貌、I-Z、I-V曲线等其它特性。 由于要在探针和样品间产生并传输隧道电流，所以只能检测导电 样品。 　 什么是原子力显微镜（Atomic Force Microscope -- AFM）? AFM是SPM最重要的发展。它控制一个微悬臂探针在样品表面进行逐行扫描，当探针在与样品非 常接近时（小于1nm），由于两者间原子的相互作用力，使对微弱力极敏感的微悬臂发生偏转，再 通过光杠杆作用将微小偏转放大，用四象限光电探测器检测，以获取样品表面形貌和其它物理、化 学特性。AFM按照其成像模式和检测信号的不同，有多种不同的工作模式，适用于不同性质的材料. 样品。 由于AFM对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛，弥补了STM只能观察导电样品的不足。 　 原子力显微镜基础模块： 　 该模块包含原子力显微镜接触模式和横向力模式。 模式 接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，扫描过程中与样品保持接触。该 时探 模式分辨率较高，但成像针对样品作用力较大，容易对样品表面形 测表 成划痕，或将样品碎片吸附在针尖上，适合 检测强度较高、结构 稳定的样品。 横向力模式：是接触模式的扩展技术，针尖压在样品表面扫描时，与起 伏力方向垂直的横向力使微悬臂探针左右扭曲，通过检测这种扭 曲，获得样品纳米尺度局域上探针的横向作用力分布图。 原子力显微镜专业模块： 　 该模块包含原子力显微镜轻敲模式和相移模式。 轻敲模式：在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，样 品表面的起伏使微悬臂探 针的振幅产生相应变化，从而得到样品 的表面形貌。 由于该模式下，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地对样品进行&ldquo 敲 击&rdquo ，因此横向力引起的对样品的破坏几乎完全消失，适合检测粉体颗 粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率接触模式低。 相移模式：是轻敲模式的扩展技术，通过检测微悬臂实际 振动与其驱动信 号源的相位差的变化来成像。引起相移的因素很多，如样品的组分、 硬度、粘弹性、环境阻尼等。因此利用相移模式，可以在纳米尺度上 获得样品表面局域性质的丰富信息。 液相模式：（选配）配有液体池，工作时探针和样品都在液体环境中， 适用于生物样品 摩擦力显微镜模块： 　 原子力显微镜基础模块中的横向力模式可以获得样品与探针的横向作用力分布图。由于影响 横向力的因素很多，主要包括样品移动方向与针尖悬臂角度、样品晶格排列角度、摩擦力、台阶扭动、 粘弹性等，因此，如果能够基本确定其它因素，利用横向力模式可以对样品纳米级摩擦系数进行间接测 量，进行表面裂缝及粘弹性分析等。 摩擦力显微镜是用于定量评价极轻载荷下（10^-7&mdash 10^-9N）薄膜材料的摩擦学特性，通过对针 悬臂 尖及悬臂的力学特性准确标定，能够获取微观摩擦系数，为纳米摩擦学研究提供依据。利用我们独创的 对分模式扫描，可以准确标定针尖悬臂与扫描方向的90度角，以消除针尖放置角度的不准确和扫描器 误安装位置的差；通过设定正压力的变化范围，可以连续改变正压力， 几分钟内就可完成几小时才能 完成的测量过程，而且系统状态变化很小， 使得测量更准确；由于有4通道同步采集，在所有的力测量过程中，我们 可以同时采集到样品的起伏、针尖所受到的起伏力、横向力，可以准确 分析针尖的状态，为精确分析摩擦力提供了更为详实的数据。 　 磁力/静电力显微镜模块： 　 抬起模式：该工作模式分两个阶段,第一阶段与普通原子力显微镜形貌成像一样，在探针与样品间 距1nm以内成像，然后，将探针抬起并一直保持相同距离，进行第二次扫描，该扫描过程可以对一些 相对微弱但作用程较长的作用力进行检测，如磁力或静电力。 磁力显微镜（Magnetic Force Microscope -- MFM）：控制磁性 探针在磁性样品表面进行逐行扫描,利用抬起模式进行二次成像，获得样 品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。 静电力显微镜（Electrostatic Force Microscope -- EFM）： 控制导电探针在样品表面进行逐行扫描，利用抬起模式二次成像，获得 样品纳米尺度局域上静电场分布图。 　 扫描探针声学显微镜模块： 扫描探针声学显微镜（SPAM，Scanning Probe Acoustic Microscope）是将原子力显微镜与电声成 像技术相结合，采用声学成像模式，借用声波记录下物质的内部模样，建立了低频（30kHz）高分 辨率（~10nm）扫描探针声学显微成像技术。其特点是能够获得反映材料亚表面纳米尺度结构的声 学像和性能的原位检测，克服了现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足。迄今为止，反映材 料亚表面纳米尺度结构及有关物性的声学功能模式的SPM在国内外报道甚少。 　 样品定位辅助模块： 　 该模块包含高分辨CCD光学显微系统和高精度电控样品移动平台。 高分辨CCD光学显微系统：在计算机上成像，用于观察探针和样 品，放大80&mdash 600倍。 高精度电控样品移动平台：计算机自动控制，配合 光学显微系统 进行精确样品移动和定位的装置。移动范围5mm*5mm，单步移动步长最小 85nm。 　 纳米加工模块： 　 SPM的纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一，常用的加工方法包括机械刻蚀、电致/场致刻 润笔 蚀、浸润笔(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等。其基本原理是利用SPM针尖在样品表面准确移动， 与样 同时控制针尖-样品间的相互作用，就可完成所需的加工过程。 常用的移动方法包括矢量和点阵。矢量法通过矢量产生插件建立矢量数据文件，然后进行刻蚀。 使用这种方法，线条连续，刻蚀速度快，但矢量编辑较为麻烦。点阵法通过插件自动分析需要刻蚀的图 象，在样品上边扫描边刻蚀。这种方法不用编辑矢量，与原图像几乎不失真，但刻蚀速度慢，线条不连 续。可以根据需要选择不同的方法。 　 SPM通用平台开放式开发系统模块： 　 SPM通用平台开放式开发系统是一套完整的SPM模块化开发平台，简称&ldquo 开发系统&rdquo 。包括软件 板和 开发模硬件开发套件。如果您需要在已有的SPM功能上开发特殊要求的功能模块，就需要购买开发系 统。目前，离线软件开发模板我们都免费赠送，鼓励用户亲自开发，或者提出详细要求和算法，委托我 们为SPM定制1-2个特殊功能的处理插件，这都是免费的服务。 软硬件结合的特殊功能的SPM开发就要使用&ldquo 开发系统&rdquo 了。这套系统具体包括软件开发模板、硬件 扩展接口测试箱(硬件扩展实验板组)、硬件接口插件模板、开发手册。该系统的设计充分考虑了用户级 二次开发的方便性、可行性和可靠性。当然，您也可以购&ldquo 开发系统&rdquo ，然后提出IDEA，由我们来帮您 合作完成。 在您了解了各个功能模块后，您可以选型了，我们为了您搭建了四种机型，它们的外形都基本 一样，那是因为这样便于您今后无障碍模块化升级。 模块/型号 ZL STM-II 型 扫描隧道显微镜 ZLAFM-II型 原子力显微镜 ZLAFM-III型 扫描探针显微镜 ZL3000型扫 描探针显微镜 扫描隧道 显微镜模块 　 　 　 　 原子力显微镜 基础模块 　 　 　 　 原子力 显微镜 专业模块 　 　 　 　 摩擦力 显微镜模块 　 　 可选配　 　 磁力/静电力 显微镜模块 　 　 　 　 样品定位 铺助模块 　 可选配 　 　 纳米 加工 模块 　 可选配 可选配 可选配 SPM通用平台 开发系统 　 　 可选配 可选配 扫描探针 声学模块 　 　 可选配 可选配 各功能模块介绍摘要： 1．扫描隧道显微镜只能检测 导电样品，因其有样品的局限性，所以通常作为教学仪器。 2．原子力显微镜对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛。AFM基础模块包括接触模式和横 向模式；AFM专业模块包括轻巧和相移模式。 3．接触模式AFM适合检测表面强度较高、结构稳定的样品。 4．横向力模式AFM可以获得样品纳米尺度局限上探针的横向作用力分布图。 5．轻敲模式AFM适合检测粉体颗粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率比接 触模式较低。 6．相移模式AFM对不同组分材料的组分变化比较敏感。 7．磁力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。 8．静电力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上静电场分布图。 9．样品定位辅助模块用于实现样品在毫米量级范围内以纳米精度搜寻定位。 10．纳米加工模块用于实现矢量刻蚀和图形刻蚀方法的纳米加工。 11．如需开发特殊功能SPM，需要购买SPM通用平台开放式开发系统。 配置/型号 ZL STM-II ZL AFM-I ZL AFM-II ZL AFM-III ZL 3000 主机 可扩展式电子学控制机箱 多模式扫描探针显微镜组合式探头 扫描隧道显微镜 原子力显微镜 接触/横向力 模式 原子力显微镜 轻敲/相移 模式 摩擦力显微镜 磁力/静电力显微镜 针尖粗调/自动趋近机构 扫描器(单一多量程自适应扫描器不更换技术) 针尖架 扫描隧道模式针尖架 原子力基础模式针尖架 原子力专业模式针尖架 磁力模式针尖架 静电力模式针尖架 组合式纳米级减振系统 1个 包含 包含 包含 包含 包含 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 1套 6&mu m 6&mu m 50&mu m 50&mu m 100&mu m 1个 2个 3个 5个 1个 　 　 　 1套 软件 系统 　 在线控制软件 1套 离线图像处理/分析软件 离线软件开发模板 摩擦力分析软件 　 　 　 　 网络实验室远程控制软件 　 　 　 培训课件/实验教材/科普教材/说明书光盘 　 附件 标准样品 1套 样品载片 5片 5片 10片 10片 15片 STM探针 Pt-Ir 20 20cm 　 20cm AFM接触/横向力/摩擦力模式探针（进口） 　 10枚 AFM轻敲/相移模式探针（进口） 　 　 　 10枚 MFM磁力探针（进口） 　 　 　 　 5枚 EFM导电探针（进口） 5枚 专用工具（镊子、针尖剪刀、玻璃皿 等） 1套 样品 定位 模块 高分辨CCD光学显微系统 可选配 高精度电控样品移动平台 　 　 纳米加工模块 SPM通用平台开放式开发系统

2011年3月7-14日，中科院上海硅酸盐研究所研制的纳米热学-声学显微镜成像系统亮相国家“十一五”重大科技成就展，并引起了业内人士、专业媒体多方面关注。据了解，该项目负责人殷庆瑞研究员以自行研制的材料和器件为核心技术，已成功研发出多台具有自主知识产权的大型科学仪器设备，如扫描电声显微镜(SEAM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)、扫描热学显微镜(SThM)、激光-光声测量仪、超声雾化器等。　　其中，扫描电声显微镜创新性地将电子显微术(SEM)与声学显微术(SAM)“合二为一”，被称为该领域全球唯一成熟的商品化扫描电声显微镜，现已荣获国家技术发明二等奖、国际工业博览会银奖以及中科院自然科学一等奖等殊荣。目前，该款仪器已成功更新至第IV代，分辨率达到200nm，在国内相关的企事业单位得到了实际应用，并出口到美国、德国、日本、台湾、新加坡等地，成为“我国大型科学仪器出口到发达国家和地区的一个成功范例”。　　近日，仪器信息网就声学显微镜成像技术与仪器的研制、应用、产业化等问题，专门采访了中科院上海硅酸研究所殷庆瑞研究员。中科院上海硅酸盐研究所殷庆瑞研究员潜心数载攻难关 成功研发世界先进水平扫描电声显微镜　　扫描电声显微镜是一种多功能、高分辨率的显微成像仪器，兼具电子显微术高分辨率和声学显微术非破坏性内部成像的特点，拥有广阔的市场应用前景。殷庆瑞研究员瞄准市场需求，创造性地把电子光学技术、弱信号检测技术、图像处理技术及计算机技术有机融为一体、先后研制出具有自主知识产权的四代扫描电声显微镜，并获得国内外多项大奖。　　对于扫描电声显微镜的研发初衷，殷庆瑞研究员回忆到：“1979-1981年，我被派往英国牛津大学的Clarendon实验室和材料系做访问学者。在那里，我发现同行们都是自行研制仪器做科研，发现的物质结构或实验结果也颇具创新性。相比之下，国内大多是购买现成仪器搞科研，实验结果自然也雷同，很难有创新的成果。因此我决定回国后要结合具体的科研工作，按照自己的新思路，研发新仪器、建立新方法。　　“回国后，我最开始研制成功的是激光-光声测量仪，为定量表征薄膜压电性能、功能陶瓷弱相变行为和自发极化剖面分布提供了新技术，解决了当时薄膜材料性能表征的关键技术难题，获得了中科院自然科学奖二等奖。之后，我又研发出了超声雾化器，在日化工业、陶瓷制备方面得到了成功应用。”扫描电声显微成像系统　　在提到扫描电声显微镜的研发历程时，殷庆瑞研究员则说到：“在国家‘863’计划的支持下，我们课题组1988年在国内率先开展了扫描电声显微镜及其相关器件、材料、成像理论和应用研究，这几乎与国际同步。随后几年，整个研发团队潜心研究，攻克各类技术难关，终于研制出了扫描电声显微镜。截至目前，我们已先后完成了SEAM-I型、II型、III型、IV型四代电声成像系统的研制，分辨率已达到200nm，总体技术指标和功能均处于世界先进水平。”　　同时，殷庆瑞研究员补充到：“扫描电声显微镜可以用‘二合一’来形容，既能利用电子束探测物质的表面信息，又可以借用声波记录下物质的内部模样，兼具电子显微术高分辨率和声学显微术非破坏性内部成像的本领，可原位同时观察基于不同成像机理的二次电子像和电声像，实现‘二合一’！”　　这项成果成功将电子显微术、声学显微术、数字信号处理和高灵敏度传感技术相结合，现拥有4项国家发明专利和一项国外发明专利， 更是荣获了2005年度国家技术发明二等奖、2006年度国际工业博览会银奖以及2010年度中科院自然科学一等奖。积极推进商品化 成为我国大型仪器出口成功范例　　近年来我国科技经费投入持续增长，每年取得的科技成果有3万多项，但多数成果却陷入了“成果-证书-鸡肋”的尴尬状况。虽然目前科学成果商品化面临诸多问题，但也有不少成功范例，殷庆瑞研究员扫描电声显微镜的成功商品化便是其中之一。据悉，目前该项成果已被推广到国内外数十家单位，被誉为“全球唯一成熟的商品化扫描电声显微镜”。　　科研成果要实现商品化，自然离不开应用开发。据殷庆瑞研究员介绍，扫描电声显微镜的横向分辨率、纵向分辨率、探测器灵敏度以及图像质量均处于国际领先水平，在评价电子陶瓷、金属、半导体、无机材料、复合材料以及功能器件时能够获得常规手段难以得到的信息，彰显了扫描电声显微成像技术在信息产生、检测和显示等方面的独特优势，当年前来访问的德国乌帕塔大学电子光学系主任巴克先生与新加坡国立大学电子光学专家彭教授也被这一独特优势深深折服。　　殷庆瑞研究员介绍：“目前，国内外科学家正是通过使用我们的扫描电声显微镜在各自研究领域内已获得了许多重大的新发现。例如，德国科学家Kohler博士首次在马氏材料上发现了铁磁畴结构及其相应的机理解释；日本筑波大学Kojima教授则首次获得了蝶形BaTiO3晶体电畴结构电声像；美国宾州大学Hang He博士和Ruyan Guo教授在不同材料上获得了铁弹畴、180°反平行周期结构畴的复合畴形态的电声像，并认为电声成像技术是研究功能材料机电耦合效应的一种独特方法；清华大学彭海东博士则观察到了金属-陶瓷复合涂层表面和亚表面显微结构的电声像。正是利用扫描电声显微镜独特的成像机理获得诸如此类的应用成果不胜枚举，而这么多的成功应用又极大地推动了扫描电镜的商品化进程。”　　对于扫描电声显微镜的产业之路，殷庆瑞研究员谈到：“最初在仪器研发成功后，我们只是停留在一种‘自给自足’状态，并没有真正地实现规模化生产，也没有主动去开拓市场。后来通过国内外的学术交流，我们收到了第一张订单，而对方竟来自电子显微镜的诞生地和主要产地——德国，这极大地鼓励了我们要把样机商品化的信心，尤其在近几年，中科院一直强调科研创新以及‘产学研用’合作。因此，我们积极与上海市高新技术成果转化服务中心联系，并与国内几家仪器公司建立了合作关系，共同推进扫描电声显微镜的商品化。而在厂商接手过程中，我们也并没有撒手不管，听之任之，而是从实验数据、应用开发再到技术培训、售后维修，我们都全程参与。双方互相信任，通力协作，推动了科研成果向产业化发展。”　　我国大型科学仪器历来依靠进口，而随着扫描电声显微镜的技术升级与商品化成熟，“中国创造”的扫描电声显微镜在中国大陆、台湾、美国、德国、日本、荷兰、新加坡等发达国家和地区的实验室里都能够找到，被誉为“我国大型科学仪器出口到发达国家和地区的成功范例”。超越“二合一” 实现电-声-热显微镜一体化　　当今材料科学朝着纳米及精细复合方向发展，功能器件则越来越小型化、集成化，这就对材料及功能器件的评价表征方法提出了日益严峻的考验；为应对这一挑战，殷庆瑞研究员课题组“二合一”的科研工作还在一直持续着，已成功研制出扫描探针声学显微镜与扫描热学显微镜，现正在研发电-声-热显微镜“三合一”技术。　　近年来，在扫描电声显微镜的基础上，殷庆瑞研究员又带领课题组突破传统声学成像技术的概念，成功研发了低频(300Hz-3KHz)、高分辨率(10nm)扫描探针声学显微成像(SPAM)，使低频声学成像技术拓展到了纳米级分辨率水平。　　对此，殷庆瑞研究员表示：“原子力显微镜(SPM)只能用于检测材料表面，而声学显微镜却可以用于材料的缺陷分析、电子结构、微区弹性等性能测试方面。随着纳米技术深入发展，我和我的团队想到了将声学技术与原子力显微镜结合，研发出了扫描探针声学显微镜。这项成果可以克服现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足，实现了材料表面及亚表面结构和物性的原位实时检测，在微、纳米材料和器件无损分析方面的应用前景十分广阔。目前，该仪器已被日本国家材料研究所、德国应用科学技术大学、北大、清华、南大等知名院校纷纷选择使用。”　　而扫描热学显微镜(SThM)则是殷庆瑞研究员继SPAM之后对扫描探针显微术的又一项重大突破。该仪器主要利用材料的温度、热导率等变化进行成像，从而获得样品表面热分布和相关热物理性质的一种微纳米尺度的测试技术，适用于材料微区的热学性能表征。　　殷庆瑞说到：“目前，国外科学家已分别研制出原子力显微镜与电、光、磁3种技术分别结合的显微成像仪器。而我们之前已研发出了扫描探针声学显微镜，因此把目光投向了扫描热学显微镜。在国家‘973’计划的支持下，我们在2010年成功研制出了扫描热学显微镜，目前在微电子器件、材料等领域已得到了日益广泛的应用。”扫描探针近场压电-声学-热学显微成像系统　　最后，在谈到课题组下一步的研发计划时，殷庆瑞研究员提出：“我们打算研发电、声、热一体化的扫描电镜，更加集成化、综合化、实用化，而这也是当今科学仪器发展的一个大方向。我相信，这款仪器将更加适用于物质介观和微观层次上的特性表征，对相关材料、器件与显微成像技术领域的发展，也将是一个极大地推动作用。”　　后记：　　美国NASA高级材料物理专家John博士曾这样评价，中科院上海硅酸盐所这个团队在电声成像的研究和应用方面已经成为世界的领导者。他们把电声成像扩展至实用阶段，而这项工作对该领域的影响是深远的。　　的确如此，殷庆瑞研究员课题组将理论研究、材料制备器件设计、仪器研制与实际应用相结合，开发出独具特色的“二合一”新仪器，并积极推进相关科研成果的商业化，取得了一定的经济效益和良好的社会效益。因此我们有理由相信，殷庆瑞研究员和他的团队下一个“电-声-热显微镜一体机”必将在日益发展的纳米科学时代能够“大放异彩”!　　采访编辑：刘玉兰　　殷庆瑞研究员个人简介：　　殷庆瑞研究员，1965年毕业于东南大学(南京工学院)无线电工程系。同年9月分配至中国科学院硅酸盐研究所工作至今。期间，1979-1981年在英国牛津大学Clarendon物理实验室访问学者，1989年在日本东京大学应用化学系客座研究员，2003年在德国乌帕塔大学电子工程系访问教授。　　他主要从事电子陶瓷材料物理性能、器件设计以及光声学、电声成像和扫描探针声学显微术方面的研究。他在国内外重要刊物上已发表论文300余篇，专著两本(80余万字)，英文版专著一本(Spring )，译著两本。获得国家技术发明二等奖、三等奖各一项，国际工业博览会银奖一项，中国科学院自然科学一等奖、二等奖各一项，中国科学院科技进步一等奖一项、省部级三等奖两项，国内外专利十余项。　　他曾兼任同济大学教授、香港理工大学智能材料中心国际顾问委员会委员、国家基金委员会重大项目首席科学家、国家“863”计划新材料领域专家委员会委员、美国IEEE高级研究员、亚洲铁电学联合会理事、亚洲电子陶瓷联合会理事和国际铁电学杂志编委等学术职务，并当选美国纽约科学院院士和国际陶瓷科学院院士。　　他曾先后获得上海市劳动模范、全国“五一”劳动奖章、国家“863”计划十五周年先进个人、中国科学院研究生院杰出贡献教师等荣誉称号。　　他曾担任过中国科学院硅酸盐所科技处处长、所长助理和副所长，以及中国科学院无机功能材料开放实验室以及国家重点实验室学术委员会副主任等职务。

p style="text-align: justify text-indent: 2em "近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心陆轻铀课题组在极端与强振动条件下扫描探针显微镜（SPM）研制领域取得新进展，研制成功了国际首个适用于干式超导磁体的插杆式扫描隧道显微镜。相关研究成果发表在显微镜领域期刊Ultramicroscopy上。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "扫描隧道显微镜（STM）作为扫描探针显微镜大家庭的代表，具有实空间的原子分辨率和动量空间的高能量分辨率，并可拓展到丰富的测试条件（低温、强磁场、光场、溶液等），是基础科学研究领域重要且独特的测试手段。但是，STM对外界振动和声音等哪怕很微弱的干扰都异常敏感，所以现有的低温高场STM设备多是基于振动和声音干扰都很弱的湿式（浸泡式）超导磁体来搭建，其弊端也逐渐显现：设备高度依赖液氦的供给，而液氦的供应日趋紧张，运行费用不断增加；此外，一幅高像素的STM谱图往往需要数天乃至数周的连续稳定测量，而湿式超导体通常很难一次性维持如此之久。目前的趋势是由依赖液氦降温至超导态的湿式磁体逐渐转向利用氦循环制冷机（无需补充液氦或氦气的封闭系统）降温的干式磁体，并且已经在很多测试手段（输运测试、核磁共振、样品生长等）中取得应用，但在STM应用领域还属空白，其主要是因为无液氦超导磁体工作时产生的超强振动和声学噪音。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "陆轻铀课题组长期致力于恶劣条件下的STM研制工作，先后研制出适用于狭小空间恶劣环境原子分辨率STM成像的多种高刚性、高稳定压电马达，如GeckoDrive、TunaDriver、PandaDrive和SpiderDrive等及其构筑成的SPM，并在水冷磁体极其恶劣的振动环境下获得了磁场高达27T的石墨原子分辨率STM图像，相关成果发表于Review of Scientific Instruments，Ultramicroscopy，Scanning，Nano Research等。研究组先后获得20余项国家发明专利的授权。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "陆轻铀课题组基于牛津仪器上海Demo实验室提供的8T干式超导磁体TeslatronPT平台，磁体配备的可变温插件（VTI）可实现1.5–300K控温，其样品腔直径为50mm。所研制的插杆式STM系统主要包括：高抗振STM镜体、减震绝热插杆、高性能控制器等。STM镜体采用了SpiderDrivr作为粗步进驱动马达，外径仅15mm，这样可在其外部构建隔音罩并仍能够植入磁体中；插杆则采用二级隔振和多级隔热配重结构，有效地阻止了振动传入和漏热；自行研发的STM控制器单元拥有多带宽和多倍数放大选择，可获得更加优异的扫描控制表现。经过测试，该STM在TeslatronPT平台最高磁场8T和接近最低温度1.6K下给出石墨、NbSe2超导体等样品的高质量原子分辨率图像，并能给出NbSe2在其超导转变温度附近能隙打开过程的隧道电流dI/dV谱。虽然该研究是基于8T干式超导磁体，但技术上也完全适用于更高强磁场的干式超导磁体。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "强磁场中心的孟文杰与王纪浩为论文的共同第一作者，侯玉斌为共同通讯作者，论文署名单位还包括合肥中科微力科技有限公司。该工作受到科技部、国家自然科学基金委、中科院合肥科学中心、中科院科学仪器专项资助。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "　　a href="https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304399118301864" target="_self" style="color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline "span style="color: rgb(0, 112, 192) "strong文章链接/strong/span/a/pp style="text-align: center "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/201910/uepic/c5edc420-0515-449d-92ca-98dd1ca73878.jpg" title="图（a）插杆式STM模型图；图（b）变温条件下对NbSe2的超导能隙的解析；图（c）0到8T变场过程石墨原子分辨率成像（原始数据）.png" alt="图（a）插杆式STM模型图；图（b）变温条件下对NbSe2的超导能隙的解析；图（c）0到8T变场过程石墨原子分辨率成像（原始数据）.png"//pp style="text-align: justify "图（a）插杆式STM模型图；图（b）变温条件下对NbSe2的超导能隙的解析；图（c）0到8T变场过程石墨原子分辨率成像（原始数据）/p