导读:采访中,Park博士回顾并讲述了AFM的30余年发展历程,分享了时下AFM最新技术动向及未来展望,并谈论了对中国市场的看法。
原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)是一种通过探针与被测样品之间的相互作用力来获得物质表面形貌信息的纳米级高分辨率的扫描探针显微镜。自1985年在美国斯坦福大学发明出首台AFM以来,30余年里,由于AFM具有前所未有的高空间分辨率,并且可以测量纳米级的多种物理性质,因此得到广泛使用。
当下AFM全球3亿美元的市场份额相对SEM20亿美元的市场份额显得逊色,而作为亲历见证AFM的发展,并创建首个AFM商业化公司PSI的Sang-il, Park博士则十分看好AFM未来市场的增长,认为AFM的一些不足也在被新的技术逐一改善,更大AFM潜力市场只待大家发掘。
帕克原子力显微镜创始人兼CEO Sang-il, Park博士
2018年10月19日,亚洲地区重要的纳米学术会议“第九届亚洲纳米科学和纳米技术会议”(AsiaNANO 2018)在青岛隆重召开。作为大会特邀专家,帕克原子力显微镜(Park Systems)创始人兼CEO Sang-il, Park博士(以下简称‘Park博士’)在上午做大会报告。会间,仪器信息网编辑荣幸现场采访了Park博士,采访中,Park博士回顾并讲述了AFM的30余年发展历程,分享了时下AFM最新技术动向及未来展望,并谈论了对中国市场的看法。
AFM诞生地——美国斯坦福大学
1985年, Gerd Binnig(IBM公司阿尔玛登研究中心)、Christoph Gerber(IBM公司苏黎世研究实验室)、Calvin Quate教授(斯坦福大学)共同发明了原子力显微镜,并共同在1986年3月的“物理评论快报”上发表了该成果。此时,Park博士是Calvin Quate教授实验室的在读研究生,参与并见证了首台AFM的诞生。获得博士学位之后,Park博士意识到AFM技术的广泛应用潜力,并于1988年创立了Park Scientific Instruments公司(PSI),PSI作为世界上最初的商业化AFM公司在硅谷获得了巨大成功。同时,Calvin Quate教授作为PSI联合创始人之一,也是公司董事会成员。
原子力显微镜的发明是量测技术和纳米刻蚀的一大突破,推动着纳米科学和技术的发展。为表彰此技术发明者作出的巨大贡献,被誉为第二诺贝尔奖的2016年卡夫利奖纳米科学奖颁发给了Gerd Binnig、Christoph Gerber和 Calvin Quate,上图为颁奖现场留念:Calvin Quate(中),Park博士(左)。
1997年,在美国已度过了15年后,Park博士认为是时候回到祖国了,于是,将正在良好发展的PSI出售给Thermo Spectra。回到韩国,Park博士创立了其第二家AFM公司——PSIA,开启自己第二职业生涯,也在四十岁实现了自己儿时的梦想。2007年,在公司10周年纪念日将公司名称正式更名为Park Systems,并一直沿用至今。
首家AFM公司PSI(左)及之后韩国创立的Park Systems(右)
2015年,帕克原子力显微镜成功在韩国证券交易所KOSDAQ上市。IPO也加速了其快速增长。2016年,在第8届KOSDAQ颁奖典礼上,帕克原子力显微镜荣获“最佳下一代公司奖”,表彰其悠久的历史、在纳米尺度上的贡献、在原子力显微镜领域的世界领先技术和产品,以及其坚实的商业表现。
2015年,帕克原子力显微镜成功在韩国证券交易所KOSDAQ上市
1999年,Topometrix也被Thermo Spetra收购,于是,Park Scientific和Topometrix合并成为Thermo Microscopes(原名Thermo Spetra)。另外,Veeco Metrology(Veeco计量业务)于1998年收购了Digital Instruments,紧接着2001年又收购了Thermo Microscope。如此,Veeco Metrology通过收购所有3家主要AFM公司,资本加持之下短时间内形成一家独大的垄断局面。 2010年,Veeco Metrology以2.29亿美元出售给布鲁克,就此尘埃落地。
AFM部分商业品牌演化树状图
成像/计量工具的本质为准确性、速度和易用性,而传统AFM在这三方面的表现似乎都不那么尽如人意。如管式扫描器常导致响应慢、图像失真;轻敲模式导致探针尖端磨损、样品损坏;众多参数设置、激光聚焦等繁琐操作更是被圈内人士所诟病,这些都严重影响了AFM的进一步应用拓展。
Park博士表示:“我在AFM领域已经做了30余年,帕克原子力显微镜的漫长发展历程中,我们始终在践行最初的想法,就是为广大客户制造出最精确且极具易用性的AFM。针对传统AFM的一些不足,帕克原子力显微镜不断推出True Non-Contact™模式和众多自动化软件等创新产品功能。希望通过我们不断的努力,让AFM成为一个更加友好,任何人都可以操作的通用型成像/计量工具。”
30余年的技术沉淀与20余年的再创业发展,帕克原子力显微镜始终专注AFM领域,并针对传统AFM的技术局限,开创出一系列AFM新产品、新技术,大大提升了传统AFM的分辨率、检测速度,及操作便捷性。
革新技术之“三轴分离扫描器技术”
传统的AFM采用压电扫描管进行x-y-z三轴的扫描,由于水平扫描是通过压电扫描管的弯曲运动来实现,势必会在x-y-z轴之间产生背景起伏和串扰。即使使用软件校正,总会有残留的背景起伏。管式扫描器与压电非线性和滞后相结合,产生明显的图像失真和测量精度下降。此外,管式扫描器是中空结构,壁薄,机械力弱,反应慢。
传统压电扫描管(左),帕克原子力显微镜三轴分离扫描器(右)
针对传统管式扫描管的缺点,帕克原子力显微镜将AFM结构进行了重新设计,将x-y扫描器和z扫描器分离,两组独立的柔性扫描器分别移动样品和探针,两组扫描器都配置柔性铰链和大功率叠层压电驱动器。且全新z扫描器反馈频率达到9 kHz,比传统的管式扫描器快10倍。新型x-y扫描器对平滑的样品会有更明显的突出表现,当对光学平面成像时,在80*80微米区域的背景起伏小于1nm。闭环的x-y扫描器还具有出色的线性和正交性,提供无失真的图像。而快速z扫描器则为真正的非接触模式提供了可能。
革新技术之“非接触模式”
传统AFM压电陶瓷管垂直方向的反馈频率只有几百Hz,而垂直响应速度低会使探针不时接触到样品表面,甚至被黏在样品表面而无法进行振动。为了解决这个问题,出现了轻敲模式,使探针大幅振动,不断地敲击样品表面。但这种敲击的力比通常的接触力大很多,探针针尖容易磨损,极大降低了探针寿命,且样品表面也容易被损坏而影响测量结果。
轻敲模式与非接触模式对比:扫描图像随扫描次数变化对比(左);多次扫描后探针尖端直径变化对比(右)
而基于三轴分离扫描器技术,帕克原子力显微镜实现了真正的非接触模式,此模式下便显现出明显优势。上图呈现了CrN针尖检查样品的不同次数重复扫描图像及探针尖端直径变化曲线。可以看到,轻敲模式10次扫描后图像已经变得模糊,扫描探针尖端直径也在10到20次扫描后逐渐磨损,直径增加至10nm。而非接触模式在100次扫描后图像依旧清晰,且扫描探针尖端直径也始终保持在5nm。
革新技术之“扫描速度与扫描分辨率两者优化处理技术”(鱼和熊掌不可兼得)
扫描分辨率及扫描速度直接关乎AFM的性能和使用体验,也是广大用户关注的两项参数,但两者之间存在什么关系却鲜为人知。Park博士表示,这两者并没有像大家所愿望的那样可以兼得,而是此消彼长的关系。
扫描速度的限制是受一种傅里叶变换函数关系决定的,扫描过快便会失去一些有意义的细节,获得图像分辨率就会降低。具体来讲,根据传感器响应速度瓶颈,标准悬臂极限为3Hz左右,高频悬臂为10Hz左右。因为为保证图像质量,探针每一行的往复扫描至少需要获取100个有意义的数据点。而扫描速度超过那个极限,获得的图像就会严重退化。
更直接来讲,存在这样一个函数关系:扫描速度x斜率=增益x误差(与z轴伺服精度、各轴扫描速度、误差信号、对时间微分等有关,推导过程不再赘述)。即对于给定的样本斜率和优化增益,扫描速度与误差成正比。更快的扫描不可避免地增加z轴伺服误差!因此,扫描速度应该是有限的,以便误差信号不超过我们可以容忍的一定水平。
基于以上理论,帕克原子力显微镜开发了一套智能的、拥有自适应能力的自适应扫描系统(Adaptive Scan),以便根据用户对扫描速度或扫描分辨率的不同需求,更充分的发挥AFM在研究或生产中的效率。Adaptive Scan的工作原理如下:对于一个未知表面形貌的样品,第一次进行慢速扫描,获得表面信息并预估计算下一次相邻扫描的线轮廓(根据范德瓦耳斯力相互作用的共享区域效应,相邻两次扫描线的轮廓是比较相近的),然后对预算的扫描轮廓曲线微分计算获得斜率,进而就可以再次根据“扫描速度x斜率=增益x误差”计算出下一次相邻扫描的扫描速度,从而智能控制扫描速度,进行“适应性扫描”。随之,在比较平坦的样品部位,扫描速度自动加快,在较粗糙的部位,扫描速度自动变慢。最终,用户需要做的就是只需在扫描速度与扫描分辨率中做好倾向选择,而不用设定或猜测真正的扫描速率是多少。如果只是看个大致就可以,则选择较高扫描速度来节省时间;如果你对图像质量要求更高,请选择高分辨率。基于通过这种比较智能的方法,帕克原子力显微镜也开发了一套软件系统“Park SmartScan”,三次鼠标点击即可得到一个完整的形貌图:首先找到目标感兴趣区域,然后设置需求的像素、扫描尺寸、精度/速度倾向选择,最后点击IMAGE出图。
来源于:仪器信息网
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