新型纳米球探针开启认知微观世界的新窗口

　　原子力显微镜主要是通过原子力显微镜探针去测量样品的表面形貌和性能。 原子力显微镜探针由一个微悬臂梁和位于自由端的纳米针尖构成，探针能够通过微悬臂梁反射的激光信号将悬臂梁十分微小的位移测量出来。而纳米针尖与样品之间的范德华力和距离成一定关系，利用原子力显微镜探针扫描样品表面，可以得到各个位置样品和探针之间的范德华作用力，并推算出样品表面形貌的信息，进而实现单分子精度的成像。
　　球形原子力显微镜探针是众多类型原子力显微镜探针中的重要成员，球形在形变、硬度和力学属性等方面更具优势，因此更有利于后续的科学分析。球形原子力显微镜探针十分适合界面力学的精准测量，因为接触面积是球面，可精确预测针尖和样品的接触面积，再基于探针悬臂梁的弹性系数和位移得出作用力，因此可以精准测试样品的力学特性，且不容易破坏样品，在生物领域（如细胞、细菌和病毒的力学测试）、软材料如水凝胶、胶体科学领域具有广阔的应用前景。
　　传统显微镜上的球形探针尺寸在1 10微米之间，测试精度有限，无法实现纳米尺度的测量。与此同时，球形探针通过胶水粘贴，本身粘贴位置就很难把控，很容易影响精确度，如果遇到高温或液体更是容易脱落，可靠性差。因此，研制更加小巧且不容易脱落的球形探针成为科学界面临的一道难题。
　　近乎完美的球形隆起
　　浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院(ZJUI)胡欢研究员在学术界和工业界都有着丰富的经历，曾主持或参与国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、百度基金，以及美国国家自然科学基金、美国国防先进研究、IBM研究中心等科研项目，具有和多学科背景的研究人员合作进行交叉领域创新研究的成功经历，近年来主要带领团队从事各种纳米制造技术的研究。
　　开展各种纳米制造技术研究离不开各种仪器设备。2008年面世的氦离子显微镜通过在金属针尖的顶端施加高电压，实现了由3个原子组成的Trimer结构，可以持续将近3周的时间，相当于制造出一个单原子源的氦离子发生装置，然后通过一系列离子束的聚焦和控制，实现束斑在0.5纳米直径的氦离子束，用于纳米尺度的离子束成像和加工。高能氦离子束聚焦形成的束斑像一把超级小的刀，能够在纳米尺度对材料进行任意切割，但在硅材料衬底中注入高能氦离子束则会形成隆起，破坏材料的性能，这对于纳米制造而言是一个比较明显的瑕疵。
　　长期从事纳米制造技术研究的胡欢对高能氦离子束并不陌生，当他偶然一次从透射电镜照片中观察到一个近乎完美的球形隆起的时候，突然联想到球形原子力显微镜探针一直难以解决的技术瓶颈，于是决定利用氦离子束隆起效应加工球形原子力显微镜探针。
　　制备纳米球探针
　　胡欢团队进行了第一个利用氦离子隆起效应制造纳米球探针的实验。团队利用常用的镓离子聚焦离子束（FIB）将一个探针的顶端削平，形成一个1微米左右的平台结构，然后利用氦离子显微镜成像精准定位，在一个直径为100纳米的区域注入合适的氦离子，氦离子的能量为30 32千电子伏（keV），形成隆起结构，实现了纳米球形原子力显微镜探针的制备，如图1和图2所示。通过调整氦离子的注入面积和注入剂量，可以制造出100纳米到1微米之间的球形原子力显微镜探针。纳米球探针直接在硅平台上制备，实现了一体成型，消除了此前用胶将球粘连容易脱落的缺点。
　　初步实验证明，将纳米球探针在石墨烯表面摩擦1万次后，没有发现明显磨损。纳米球探针可靠性高和可以重复多次使用的优点，对于纳米摩擦学的测试至关重要。
　　纳米球尺度很小，因而可以先对样品进行成像，在每个点进行粘滞力（adhesion force）测试，得到一个高精度的测量。如图3所示，当前水平方向精度为150纳米时，未来通过减小球的直径，水平方向可精确到10纳米左右。这对于材料的研发十分有益，可以利用该技术对材料的不同相位或者晶格进行测试分析。
　　基于这些成果，在国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、ZJUI启动经费和唐仲英基金会的支持下，胡欢团队联合美国IBM沃森研究中心以及东华大学机械系彭倚天教授团队合作发明了一种新型纳米球探针技术，实现了纳米到微米尺度界面的精准测量，填补了该尺度空缺，解决了纳米摩擦学领域的重要技术瓶颈。相关研究成果发表在国际界面研究领域著名期刊《兰格缪尔》（Langmuir），并作为封面之一被重点报道，在业界引起了广泛的反响。
　　认知微观世界的新途径
　　原子力显微镜可以高分辨地表征各种样品的表面形貌，分析与作用力相对应的各种表面性质，研究对象包括有机固体、聚合物以及生物大分子等。基于对机械部件界面之间摩擦力的研究，可以用于指导研发能够降低摩擦力进而减小能耗的技术；对材料间的吸附力研究，能够促进超级胶水的研制；对生物样品（如癌细胞）的硬度进行测量，有可能判断其是否更容易转移等。
　　团队新研制的球形原子力显微镜探针具有高分辨率、高准确性以及耐高温等特点，同时，球形针尖不容易破坏软材料和生物样品（如细胞），可以用于测试软材料以及生物材料。换言之，这样的成果将促进纳米摩擦学、生物材料的测试和研发，以及分子之间力的测量，对材料学、摩擦学和生物医学研究都会起到一定的推动作用。
　　团队的该项研究获得学术及工业界的广泛认可，哈尔滨工业大学能源化工系主任甘阳教授这样评价该工作：＂作为长期使用原子力显微镜胶体探针技术的同行，我一直密切关注该领域的最新进展。我欣喜地发现，胡欢教授的研究成果同时解决了胶体探针制备加工的几个技术难题：不但实现了亚微米/纳米球的位置、尺寸和形状精准可控，而且亚微米/纳米球与探针的原生一体式结构确保了高结合强度和针尖表面无污染。电镜氦离子注入加工的方法非常精巧且富有原创性。＂
　　卡尔蔡司公司离子显微技术研发中心（美国波士顿）的前首席科学家尉东光博士如此评价了这项工作：＂这是个开创性的工作，它利用了氦离子束与材料相互作用上的特性，十分巧妙地把体相材料制成了纳米球，并将纳米球作为扫描探针的针尖。该方法以非常低的成本，极大地拓宽了探针针尖的材料范围，因而拓展了扫描探针技术的检测、表征能力。＂
　　美国太平洋西北国家实验室陶锦晖（JinhuiTao）博士如此评价该工作：＂利用硅材料在高能氦离子束轰击下表面隆起为球形的效应，胡博士课题组开创性地加工出球形原子力显微镜探针。与传统的球状胶体探针相比，这类新探针具有高度的尺寸可控性、位置可控性和极高的结构稳定性。胡博士是世界原子力显微镜原位研究的知名学者，本人毫不怀疑胡博士开发的新型球形探针能够极大地推动胶体力学、纳米摩擦学以及纳米界面物理化学领域的精确测量，从而推动介观界面理论模型的构建和论证。＂
　　可以说，新型纳米球形原子力显微镜探针问世，相当于原子力显微镜有了更加灵敏的＂触角＂，能够更加精准地测试亚微米到纳米尺度的力学特性，开启了认知微纳米世界的新窗口。在未来，将会有更多研究成果通过这个新窗口问世，造福人类生活。
　　致谢：感谢国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、ZJUI启动经费和唐仲英基金会的支持。
　　本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年8月刊。