Een artikel om u de geschiedenis van de ontwikkeling van de scanning-probenmicroscoop te laten begrijpen

De geschiedenis van de Scanning Probe Microscopie (SPM) is een opmerkelijke wetenschappelijke vooruitgang, die de basis legt voor de nanotechnologie. Sinds de jaren 1980 heeft de opkomst en het behoud van SPM wetenschappers niet alleen in staat gesteld materialen met atomaire en moleculaire precisie te observeren en te manipuleren, maar ook onderzoek in vele gerelateerde gebieden bevorderd. Hieronder staan de belangrijkste mijlpalen in de ontwikkeling van SPM:

1981: De Duitse natuurkundigen Gerd Binnig en Heinrich Rohrer vinden de scanning tunneling microscoop (STM) uit in het IBM Zurich Research Laboratory. De uitvinding van de STM markeerde het begin van de scanning probe microscopie.^[1]

Binning.

Lorrell

De eerste scanning tunneling microscoop ter wereld^[2]

1986: Binnig en Lorrell ontvangen de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun uitvinding van de STM. Hun werk toonde aan dat STM's kunnen worden afgebeeld met atomaire resolutie, wat een nieuw begrip van de structuur van materie opende.

1989: IBM-wetenschappers demonstreren een techniek die in staat is individuele atomen te manipuleren. Met behulp van een scanning tunneling microscoop rangschikten ze 35 individuele xenon-atomen op een koud kristalsubstraat van nikkel, waarbij de drie letters van het acroniem van het bedrijf werden gespeld. Dit is de eerste keer dat atomen precies op een vlak zijn gepositioneerd.^[3]

Spel "IBM" met 35 xenon-atomen"

1986: Binnig, Calvin Quate en Christoph Gerber vinden de atoomkrachtmicroscoop (AFM) uit. AFM kan werken op niet-geleidende materialen, waardoor het toepassingsbereik van SPM-technologie wordt uitgebreid. [4] AFM gebruikt de van der Waals-kracht tussen de probe en het sample-oppervlak voor beeldvorming en kan worden bediend in vacuüm-, lucht- en vloeistofomgevingen, dus het heeft een breed scala aan toepassingen in de materiaalkunde en biologisch onderzoek.

De eerste atoomkrachtmicroscoop

Schematische weergave van atoomkrachtmicroscoop

1. Magnetische krachtmicroscoop (MFM): De magnetische krachtmicroscoop (MFM) werd uitgevonden in de late jaren 1980 en vroege jaren 1990. Door een probe met een magnetische coating te gebruiken, interageert de meetprobe met het oppervlak van het sample om magnetische domeinbeeldvorming met nanometerschaal en hoge resolutie te bereiken. Deze innovatie stelt onderzoekers in staat inzicht te krijgen in de magnetische eigenschappen van het materiaal.

Studie naar microstructuurdefecten door magnetische krachtmicroscopie met lage temperatuur en hoog magnetisch veld

2. Elektrostatische krachtmicroscoop (EFM): De elektrostatische krachtmicroscoop (EFM) werd uitgevonden door Stephen Culps (Stephen Kalb) en Horst F. Falmer (Horst F.Hamann) in de late jaren 1980 en vroege jaren 1990. Het meet veranderingen in elektrostatische kracht via geladen probes en realiseert elektrische beeldvorming met nanometerschaal en hoge resolutie. EFM wordt veel gebruikt bij de studie van halfgeleidermaterialen, ladingsopslagapparaten en nano-elektronica.

Near-field scanning optical microscopy (NSOM of SNOM): De near-field optical microscoop (NSOM) werd uitgevonden door Eric Betzig en John Trautman in de late jaren 1980 en vroege jaren 1990. NSOM gebruikt een glasvezelprobe met een sub-golflengte-opening om optische beelden met hoge resolutie vast te leggen door licht in een zeer klein gebied te beperken en het sample-oppervlak te scannen. Het wordt veel gebruikt in de materiaalkunde, biologie, chemie en halfgeleideronderzoek.

Algemene principes van NSOM

1. Hoge resolutie en hoge gevoeligheid: Met de ontwikkeling van probetechnologie, besturingssysteem en gegevensverwerkingstechnologie worden de resolutie en gevoeligheid van SPM continu verbeterd.

2. Multifunctionele probe: Probes met specifieke chemische, mechanische, magnetische of mechanische eigenschappen worden ontwikkeld, waardoor meer diverse karakterisering en manipulatie van SPM's mogelijk is.

3. Multi-mode beeldvorming: Gecombineerd met meerdere beeldvormingsmodaliteiten kan informatie over meerdere eigenschappen van het sample tegelijkertijd worden verkregen.

Gecombineerde meerdere modi van scanning probe microscopie

4. Wafer-niveau beeldvorming: Met de dramatische toename van de schaal van geïntegreerde circuits moeten grote samples worden afgebeeld.

Chip bewerkt op wafer

5. Toepassing in de biologie: SPM wordt steeds vaker gebruikt bij de studie van biologische moleculen en cellen, die direct de structuur en het dynamische proces van biologische macromoleculen kunnen observeren.

De technologie van scanning probe microscopie evolueert nog steeds en er ontstaan nieuwe technieken en toepassingen. Multifunctionele atoomkrachtmicroscopen en atoomkrachtmicroscopen op waferschaal, ontwikkeld door Zhiguo Precision Instruments, ondersteunen de karakterisering van samples met grote afmetingen, enGeïntegreerde magnetische, piëzo-elektrische, scanning Kelvin- en vloeistoffase-analysefuncties, heeftExtreem laag ruisniveau, en heeftAnalyse van intelligente gegevensverwerking op basis van deep learning. De toekomst zal zich blijven richten op onderzoek naar SPM-apparatuur met hogere resolutie, snellere beeldvormingssnelheid en sterkere multifunctionele mogelijkheden om te voldoen aan de behoeften van wetenschappelijk onderzoek en industriële toepassingen.

Multifunctionele atoomkrachtmicroscoop AtomEdge, onafhankelijk ontwikkeld door Zhizhen Company