近期，老牌期刊< Sensors and Actuators A: Physical >刊載了C. Ranacher等人題為Mid-infrared absorption gas sensing using a silicon strip waveguide的文章。此研究工作的目的是發(fā)展一種能夠與當代硅基電子器件方便集成的新型氣體探測器，探測器的核心部分是條狀硅基光波導，工作的機理是基于條狀硅基波導在中紅外波段的倏逝場傳播特性會受到波導周圍氣氛的變化而發(fā)生改變這一現象。C. Ranacher等人通過有限元模擬以及時域有限差分方法，設計了合理的器件結構，并通過一系列微加工工藝獲得了原型器件，后從實驗上驗證了這種基于條狀硅基光波導的器件可以探測到濃度低至5000 ppm的二氧化碳氣體，在氣體探測方面具有高的可行性（如圖1、圖2）。

圖1：硅基條型光波導結構示意圖

　　圖2：氣體測試平臺示意圖

　　值得指出的是，對于光波導來說，結構表面的粗糙程度對結構的固有損耗有大的影響，常需要結構的表面足夠光滑。傳統(tǒng)的SEM觀測模式下，研究者們可以獲取樣品形貌的圖像信息，但很難對圖像信息進行量化，也就無法定量對比不同樣品的粗糙度或定量分析粗糙度對器件特性的影響。本文當中，為了能夠準確、快捷、方便、定量化地對光波導探測器不同部分的粗糙度進行表征，C. Ranacher等人聯系到了維也納技術大學，利用該校電鏡中心擁有的掃描電鏡專用原位AFM探測系統(tǒng)AFAFSEM?（注：奧地利GETec Microscopy公司將掃描電鏡專用原位AFM探測系統(tǒng)命名為AFSEM，并已注冊專用商標AFSEM?），在SEM中選取了感興趣的樣品部分并進行了原位AFM形貌輪廓定量化表征，相應的結果如圖3所示，其中硅表面和氮化硅表面的粗糙度均方根分別為1.26 nm和1.17 nm。有了明確的量化結果，對于不同工藝結果的對比也就有了量化的依據，從而可以作為參考，優(yōu)化工藝；另一方面，對于考量由粗糙度引起的波導固有損耗問題，也有了量化的分析依據。

圖3：(a) Taper結構的SEM形貌圖像；

(b) Launchpad表面的衍射光柵結構的SEM形貌圖像；

(c) 原位AFM表征結果：左下圖為氮化硅層的表面輪廓圖像，右上圖為硅基條狀結構的表面輪廓圖像；

(d) 衍射光柵的AFM輪廓表征結果

　　通過傳統(tǒng)的光學顯微鏡、電子顯微鏡，研究者們可以直觀地獲取樣品的形貌圖像信息。不過，隨著對樣品形貌信息的定量化表征需求及三維微納結構輪廓信息表征的需求增多，能夠與傳統(tǒng)顯微手段兼容并進行原位定量化輪廓形貌表征的設備就顯得愈發(fā)重要。另一方面，隨著聚焦電子束（FEB，focused electron beam）、聚焦離子束（FIB，focused ion beam）技術的發(fā)展，對樣品進行微區(qū)定域加工的各類工藝被越來越廣泛地應用于微納米技術領域的相關研究當中。通常，在FIB系統(tǒng)當中能夠獲得的樣品微區(qū)物性信息非常有限，如果要對工藝處理之后的樣品進行微區(qū)定量化的形貌表征以及力學、電學、磁學特性分析，往往需要將樣品轉移至其他的物性分析系統(tǒng)或者表征平臺。然而，不少材料對空氣中的氧氣或水分十分敏感，往往短時間暴露在大氣環(huán)境中，就會使樣品的表面特性發(fā)生變化，從而無法獲得樣品經過FIB系統(tǒng)處理后的原位信息。此外，有不少學科，需要利用FIB對樣品進行逐層減薄并配合AFM進行逐層的物性定量分析，在這種情況下需要反復地將樣品放入FIB腔體或從FIB腔體中去除，而且還需要對微區(qū)進行定標處理，非常麻煩，并且同樣存在樣品轉移過程當中在大氣環(huán)境中的沾污及氧化問題。有鑒于此，一種能夠與SEM或FIB系統(tǒng)快速集成、并實現AFM原位觀測的模塊，就顯得非常有必要。

　　GETec Microscopy公司致力于研發(fā)集成于SEM、FIB系統(tǒng)的原位AFM探測系統(tǒng)，已有超過十年的時間，并于2015年正式推出了掃描電鏡專用原位AFM探測系統(tǒng)AFSEM?。AFSEM?基于自感應懸臂梁技術，因此不需要額外的激光器及四象限探測器，即可實現AFM的功能，從而能夠方便地與市場上的各類光學顯微鏡、SEM、FIB設備集成，在各種狹小腔體中進行原位的AFM輪廓測試（圖4、圖5）。另一方面，通過選擇懸臂梁的不同功能型針尖（圖6、圖7），還可以在SEM腔體中，原位對微納結構進行磁學、力學、電學特性觀測，大程度地滿足研究者們對各類樣品微區(qū)特性的表征需求。對于聯用系統(tǒng)，相信很多使用者都有過不同系統(tǒng)安裝、調試、匹配過程繁瑣的經歷，或是聯用效果差強人意的經歷。不過，對于AFSEMTM系統(tǒng)，您完全不必有此方面的顧慮，通過文章下方的視頻，您可以看到AFSEM?安裝到SEM系統(tǒng)的過程十分簡單，并且可以快速的找到感興趣的樣品區(qū)域并進行AFM的成像。

圖4：(左)自感應懸臂梁工作示意圖；（右）AFSEMTM與SEM集成實圖情況

圖5：AFSEMTM在SEM中原位獲取骨骼組織的定量化形貌信息

圖6：自感應懸臂梁與功能型針尖（1）

圖7：自感應懸臂梁與功能型針尖（2）

　　目前Quantum Design中國子公司已將GETec掃描電鏡專用原位AFM探測系統(tǒng)AFSEM?引進中國市場。AFSEM技術與SEM技術的結合，使得人們對微觀和納米新探索新發(fā)現成為可能。

　　參考文章：

　　Mid-infrared absorption gas sensing using a silicon strip waveguide