封面文章！原位聯(lián)合顯微分析新突破，一臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種顯微表征模式

更新時(shí)間：2023-12-26

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論文題目：A Highly Integrated AFM-SEM Correlative Analysis Platform
發(fā)表期刊：Microscopy TODAY
DOI：https://doi.org/10.1093/mictod/qaad083

【引言】

在聯(lián)合顯微分析領(lǐng)域，科學(xué)家們通常使用不同的現(xiàn)代顯微分析手段對(duì)同一樣品的物理性能進(jìn)行表征。相比于單一的表征手段，聯(lián)合顯微分析可以對(duì)樣品進(jìn)行更全面、更綜合的性能表征。目前，聯(lián)合顯微分析手段主要為：首先對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)/電子顯微成像（SEM）；其次，在顯微成像的基礎(chǔ)上，通過原子力顯微鏡（AFM）表征樣品，最終獲得樣品的二維，三維，甚至四維的信息。隨著原位聯(lián)合顯微分析的發(fā)展，為了減少樣品在不同表征設(shè)備間轉(zhuǎn)移過程中所帶來的問題，將樣品在一臺(tái)設(shè)備中進(jìn)行各類微區(qū)表征的需求日益增加。然而，在不同表征方式間微區(qū)定位問題及工作流依然沒有很好的解決方案。

【成果簡介】

近日，Quantum Design Microscopy團(tuán)隊(duì)基于現(xiàn)有的原位聯(lián)合顯微分析的需求，推出了成熟的FusionScope多功能顯微鏡。在FusionScope中，利用自主研發(fā)的共坐標(biāo)系統(tǒng)讓SEM實(shí)時(shí)、快速、精準(zhǔn)導(dǎo)航AFM針尖，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了SEM和AFM的精準(zhǔn)微區(qū)定位。同時(shí)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了設(shè)備的SEM和AFM工作流，解決了AFM和SEM原位無縫切換的關(guān)鍵問題。系統(tǒng)也無需轉(zhuǎn)移樣品，原位進(jìn)行-10°-80° AFM與樣品臺(tái)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，全程無視野盲區(qū)觀測樣品，尤其適用于復(fù)雜樣品表征。FusionScope系統(tǒng)中除了可以對(duì)樣品進(jìn)行SEM和AFM形貌表征，還可以對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能表征（FIRE），磁學(xué)性能表征（MFM）, 導(dǎo)電原子力顯微表征（c-AFM），靜電力標(biāo)準(zhǔn)（EFM）和開爾文顯微表征（KPFM）。相關(guān)工作以《A Highly Integrated AFM-SEM Correlative Analysis Platform 》為題在顯微表征領(lǐng)域?qū)I(yè)SCI期刊《Microscopy TODAY 》上發(fā)表。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. FusionScope及組成模塊介紹：（A）FusionScope緊湊型的整體設(shè)計(jì)，（B）AFM-SEM公用的樣品腔及多種表征模式，和（C）AFM-SEM聯(lián)合共坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖。（B）中SEM為掃描電子顯微鏡；AFM為原子力顯微鏡，Static為靜態(tài)模式，Dynamic為動(dòng)態(tài)模式，F(xiàn)IRE為力學(xué)測量模式，MFM為磁學(xué)測量模式，EFM為靜電力測量模式。

圖2. FusionScope及主要組成部件。上圖中A為AFM模塊，B為SEM電子槍，C為樣品臺(tái)，D為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，E為二次電子探測器。下圖當(dāng)樣品腔充氣打開樣品腔門后，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以向前滑出，方便更換樣品。

圖3. （A）傾斜角為0度和（B）80度時(shí)的SEM成像示意圖。（C）下面三張圖為在不同基底上不同探針，在傾斜后的SEM成像結(jié)果。

圖4. 上圖AFM探針在刀片邊緣的SEM圖像，中圖為刀片邊緣的AFM圖像，下圖為從中圖的不同位置所獲得的具有納米級(jí)分辨率的刀片邊緣鋒利度信息。

圖5. FusionScopeTM將SEM和AFM操作整合在一起的用戶軟件應(yīng)用界面。

圖6. 上圖為將2D的SEM和AFM測量結(jié)果組合在一起的表征結(jié)果，下圖為上圖方框區(qū)域內(nèi)的3D表征結(jié)果。測試所用的樣品具有周期性圓形凹坑結(jié)構(gòu)，高坑結(jié)構(gòu)直徑約為5 μm，深度約為600 nm。

圖7. （A）通過聚焦電子束趁機(jī)所獲得的Pt納米線陣列，（B）在SEM的引導(dǎo)下，將AFM針尖精確地定位到納米線上方。

圖8. SEM對(duì)利用AFM針尖壓彎Pt納米線并撤回的連續(xù)過程進(jìn)行記錄。

圖9. （A）在SEM進(jìn)行錄像的條件下，在AFM針尖壓納米線所獲得的的力-距離曲線。（B）和（C）通過模型所獲得的納米線和AFM探針的力-形變曲線。

【結(jié)論】

從論文中不難看出Quantum Design公司推出的FusionScope多功能顯微鏡，通過共坐標(biāo)系統(tǒng)，解決了原位聯(lián)合顯微分析中不同表征方式無法共享微區(qū)的問題，又通過優(yōu)化AFM和SEM工作流給用戶提供了一個(gè)清晰簡單的操作流程。FusionScope可以通過更換不同AFM探針，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品三維形貌，力學(xué)性能，電學(xué)性能和磁學(xué)性能的綜合物性表征，廣泛適用于材料學(xué)，MEMS，芯片等領(lǐng)域的研究。

樣機(jī)體驗(yàn)：

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1、FusionScope多功能顯微鏡

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