扫描热探针塞导热系数仪

安装篇2020年春节前夕，通过工程师的安装调试和细致的讲解培训，二代电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜（PSM II）在杭州创新研究院顺利安装并完成验收。该系统是国内二套PSM II，也是国内六套PSM。PSM II将用于块体和薄膜热电材料的塞贝克系数、均匀度检测与新型热电材料的研究。这套设备的投入使用将帮助杭州创新研究院在热电材料领域取得更快的发展。 德国工程师Dieter Platzek（中）与用户老师合影 设备篇电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜是由德国PANCO公司与德国宇航中心联合研发的一款可以测量热电材料Seebeck系数二维分布的设备。自推出以来，该设备获得全球多个实验室的一致好评，已经成为快速检测样品性能的重要手段。后经研发人员的进一步升，全新推出的二代电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜-PSM II具有更高的位置分辨率和测量精度。 产品特点：● 可以测量Seebeck系数二维分布的全球商业化设备。● 的力学传感器可以确保探针与样品良好的接触。● 采用锁相技术，精度超过大型测试设备。● 快速测量、方便使用，可测块体和薄膜。主要技术参数：● 位置定位精度：单向 0.05μm；双向 1μm● 大扫描区域：100 mm × 100 mm● 测量区域精度：5μm (与该区域的热传导有关)● 信号测量精度：100 nV （采用高精度数字电压表）● 测量结果重复性：重复性误差优于3%● 塞贝克系数测量误差： 3% (半导体)； 5% (金属)● 电导率测量误差： 4%● 测量速度：测量一个点的时间4~20秒应用领域：● 热电材料、超导材料、燃料电池、电子陶瓷以及半导体材料的均匀度测量● 测量功能梯度材料的梯度● 观察材料退化效应● 监测 NTC/PTC 材料的电阻漂移● 固体电介质材料中的传导损耗● 阴材料的电导率损耗● 巨磁阻材料峰值温度的降低，电阻率的变化● 样品的质量监控电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜-PSM II

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

纳米颗粒（特别是当粒径小于20 nm时）所展现出的诸多新奇光学性质，一直是令无数研究人员着迷的话题。研究人员一方面不断探索、发掘新的现象并尝试给予解释，一方面积地尝试将各种新奇的性质应用于改善人们的生活。随着纳米颗粒相关领域研究的蓬勃发展，高品质纳米颗粒的合成以及宏量制备已经成为现实。然而，随着研究需求与实际应用需求的不断提升，不论是实验抑或是生产，对纳米颗粒的定位与组装的精度和可靠性的要求也越来越高。由于纳米颗粒的特殊物性，以及其与衬底及周围环境的作用方式，展现出了诸多新奇的特点，从而使得对于颗粒的定位、组装伴随着新的挑战。尤其是当颗粒粒径小于20纳米时，迄今仍缺少简单高效、工艺兼容性好、度高的组装及定位方式。有鉴于前述问题，南京大学张伟华教授与鲁振达教授课题组，发展了一种改性模板技术来实现高精度的纳米颗粒组装技术。相关成果以 “Deterministic Assembly of Single Sub-20 nm Functional Nanoparticles Using a Thermally Modified Template with a Scanning Nanoprobe”为题目刊载于知名材料科学刊物Advanced Materials上。南京大学现代工学院官网，亦对此工作进行了详细报道。 以下内容转载自南京大学现代工学院官网“当尺寸下降到20纳米或以下时，纳米颗粒常会呈现出宏观所不具备的特性，如分立能，高吸收性，超顺磁等。特别的，半导体纳米颗粒（量子点）由于其特的量子发光特性，已被广泛的应用在显示、传感、量子信息处理等领域。今天，随着合成技术的发展，各类功能纳米颗粒可控的合成已经成为现实，但如何将这些纳米“乐高”逐个拼接在一起，组成复杂结构甚至器件仍是一个未决的难题。为此，在过去二十年间科学家尝试了各种技术路径，通过化学修饰、静电、颗粒操控等方法实现了微米及亚微米颗粒的组装。但对于20纳米之下的颗粒，由于颗粒-衬底相互作用弱，迄今仍缺少简易、高效、、广适用面的组装方法。目前相对有效的方法依赖表面化学改性与静电作用，其模板制备复杂，仅针对单一材料，难以制备纳米颗粒团簇，更无法解决多种材料异质集成的问题。 有鉴于此，张伟华教授与鲁振达教授课题组合作开发了一种基于热扫描探针改性模板的单颗粒组装技术。该技术将扫描探针的针加热至900 ℃以上，可对聚合物表面刻蚀的同时实现表面改性，使微结构区域的表面能显著升高。实验测量与理论计算显示，改性后局域吸附能的提高可达2倍以上，从而大幅度提高了纳米颗粒在改性区域的组装效率。此外，表面能的升高也使液面在微结构内的接触角降低，增强了颗粒所受毛细力，使其更易于被束缚在微结构当中。图1热表面改性模板辅助纳米组装技术示意图：模板制备与纳米组装过程 该方法不涉及特殊化学键或静电作用，为此对纳米颗粒的材料没有特定要求，相比于传统方法具有更广的适用性。为证实这一点，文章演示了包括单颗10纳米量子点（65%），20纳米金颗粒（95%），20纳米聚苯乙烯荧光小球（97%）等材料的高效组装。通过调整微结构的几何尺寸，该方法能还够制备金纳米颗粒各种规则形状的密堆团簇。 图2小尺寸纳米颗粒的组装结果 a)10纳米量子点 b)20纳米聚苯乙烯荧光小球 c)20纳米金颗粒 d)20纳米金颗粒的各种规则密堆团簇 此外，由于该方法基于扫描探针技术可获取表面形貌信息，使得多步组装结构的对准成为可能。利用此优势，工作演示了量子点-纳米银线耦合结构的制备，展示了该技术在多材料跨尺度异质面的巨大潜力。图3量子点-银纳米线异质结构的制备 a)制备过程示意图 b1)单根银纳米线光镜照片 b2)对应的银纳米线形貌扫描图 b3)在银纳米线部制备微结构 b4)组装量子点后的荧光图像 由于其高精度、高确定性与广适用面，并可与已有工艺结合，该方法有望为集成量子光学信息、光学超分辨、纳米生化传感器等方向带来更多的可能性，推动相关领域的发展。”在此论文当中所谈及的热扫描探针光刻技术（thermal scanning probe lithography，t-SPL），衍生于IBM Research的研发成果，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制备的直写技术，其技术核心是利用加热针的热能来诱导局部材料的改性，从而实现图案化。由于特的技术原理，使其具有刻写图案精度高（水平方向特征线宽15 nm/纵向台阶精度2 nm）、原位成像/闭环光刻、套刻与拼接精度高（25 nm）等诸多优势。 热扫描探针刻写技术的更多信息：1. 可参考刊载于Microsystems & Nanoengineering（volume 6, Article number: 16 (2020)）的综述“Thermal scanning probe lithography—a review”。