20世紀(jì)80年代，當(dāng)IBM的Gerd Binnig聽到世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)的尖端在原子表面上拖曳，發(fā)出“迷人的噪聲”時，這些能夠觀察到尺度非常小的顯微世界的工具，就成為了納米技術(shù)研究和發(fā)展的基石。
隨后，在類似的工作原理上，科學(xué)家們又發(fā)展出了原子力顯微鏡(atomic force microscope，簡稱AFM)。多年來這種技術(shù)一直不斷發(fā)展，IBM甚至希望用它作為公司一項(xiàng)內(nèi)存研發(fā)項(xiàng)目的基礎(chǔ)技術(shù)。盡管他們已經(jīng)付出了很多努力，AFM的體積仍然很龐大，花費(fèi)也不菲，得到5萬美元左右。
現(xiàn)在，德克薩斯大學(xué)(UT)達(dá)拉斯分校的研究人員通過使用微機(jī)電(MEMS)技術(shù)改進(jìn)了AFM的技術(shù)性能。他們的研究結(jié)果證明，在使用新技術(shù)后，整個AFM的體積大約可以縮小到1平方厘米那么大。
在學(xué)術(shù)期刊《IEEE微機(jī)電系統(tǒng)》上，科學(xué)家描述了具體的應(yīng)用方式。他們將基于MEMS的AFM連接到包含電路、傳感器和控制設(shè)備等小型化部件的電路板上了。依靠現(xiàn)在先進(jìn)的制作工藝，就可以極大地縮小整個AFM的體積。
雖然，成本下降(因?yàn)槌叽绲目s小和MEMS器件的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng))是新一代AFM最大的特點(diǎn)，但實(shí)際上，AFM的測量方式才是這項(xiàng)技術(shù)真正的創(chuàng)新所在。
通常，AFM的整套設(shè)備中，包含一個懸臂式的探針，在記錄和掃描樣品表面時，探針會從樣品的表面經(jīng)過，只要記錄探針與樣品在保持同等的原子力所需的垂直位移(因?yàn)樵訒a(chǎn)生相互排斥的力，使排斥力保持恒定，就能勾勒樣品的輪廓)來繪制材料的表面特征。
而來自達(dá)拉斯分校的科學(xué)家開發(fā)了一套新的裝置，它們不再依賴恒定的力或距離。新裝置的尖端會垂直于樣品上下振動，在接觸樣品后快速抬離。在AFM技術(shù)中，這種模式被稱為“輕敲模式”(Tappingmode)。這種技術(shù)與廣泛使用的接觸模式AFM形成了鮮明的對比。
達(dá)拉斯分校的研究人員開發(fā)了一種新穎的方法來在AFM中實(shí)現(xiàn)輕敲模式：通過同時使用單個壓電換能器進(jìn)行驅(qū)動和感測，從而避免了使用光學(xué)傳感器。由于接觸后的振幅會隨著與樣品相互作用的結(jié)構(gòu)位置的不同而改變，所以新型的原子力顯微鏡就能通過記錄振蕩的振幅來生成樣品的圖像。
“在輕敲模式下執(zhí)行測量減少了施加到樣品上的力，這對于掃描脆弱的樣品(比如生物樣本)非常重要。”達(dá)拉斯分校的機(jī)械工程教授、這項(xiàng)研究的共同作者Reza Moheimani在接受《IEEE綜覽》的采訪時說道。
“我們認(rèn)為，系統(tǒng)的最終版本將使用類似的方法，用緊湊的機(jī)動化設(shè)備來使MEMS芯片與樣品接觸。目前受限于當(dāng)前AFM設(shè)備的成像技術(shù)，該設(shè)備還不能在液體環(huán)境中的成像。不過已經(jīng)不用放在真空環(huán)境中才能測試樣品了。在未來，新式的MEMS-AFM設(shè)備或許會考慮設(shè)計(jì)出在液體中也能成像的功能，”Moheimani還說。
MEMS-AFM的原型機(jī)使用了簡單的MEMS工藝制造，其中所有機(jī)械掃描和感測部件都包含在一片微小的芯片中。Moheimani說：“研究者們在設(shè)計(jì)器件以滿足制造工藝要求的同時，在獲得機(jī)械帶寬、位移范圍和交叉耦合方面的所需特性方面存在重大挑戰(zhàn)。”
達(dá)拉斯分校的研究人員必須采用迭代設(shè)計(jì)過程，其中對器件的早期制造版本的測試和表征允許他們更好地利用制造工藝的能力，并顯著改善諸如交叉耦合降低和可靠性等領(lǐng)域的性能的信號路由。
Moheimani和他的同事們已經(jīng)對MEMS-AFM的下一個工程挑戰(zhàn)有了自己的看法。例如，在使用電子束沉積的后處理步驟中制造在MEMS-AFM的懸臂的端部處的尖銳探針。研究人員正在努力將探針的制造集成到MEMS制造過程中。這將簡化裝置的制造并提高耐久性。
此外，研究人員正在尋求小型化支持電子和控制系統(tǒng)。他們正在嘗試將MEMS芯片接口的專用集成電路(ASIC)與樣機(jī)硬件相結(jié)合。這將使得通過單個USB連接與最終用戶的PC連接成為可能。
最后，Moheimani還說：“我們的最終目標(biāo)是開發(fā)一個可以使用單個MEMS芯片執(zhí)行視頻速率AFM成像的系統(tǒng)。當(dāng)前設(shè)備成功地演示了所需的許多功能，并且設(shè)備的未來迭代產(chǎn)品將被設(shè)計(jì)為朝著這一目標(biāo)進(jìn)一步努力。這樣的設(shè)備將使得人們能夠使用便攜且成本較低的系統(tǒng)來執(zhí)行高速AFM成像。”
