纳米沙龙 I 新型全自动原子力显微镜Park FX40

2022-03-21 23:04:32, Park原子力显微镜 Park帕克原子力显微镜

新型原子力显微镜：

FX40 - 全自动原子力显微镜

作者：Armando Melgarejo, Cathy Lee, Charles Kim, Ben Schoenek, Jiali Zhang, Byong Kim, and Stefan Kaemmer, Park Systems Corporation

图1.Park FX40原子力显微镜。（a）FX40主体，（b）显示了运动学装配平台的多样品卡盘，（c）用于自动探针更换（ATX）的探针盒，以及（d）用于测量悬臂偏斜的新光束反射方案。

介绍

本技术说明介绍了新研究型原子力显微镜（AFM）Park FX40。以前，由于复杂的操作和繁琐的处理使得原子力显微镜难以被广泛接受。而FX40通过引入智能扫描算法、全自动探针操控、全自动系统校准检测和近针操作，以及多样品卡盘，能够帮助用户克服这些障碍。FX40以XE和NX系列AFM的串扰消除设计为基础，进一步提升了性能，提高了生产效率，让每个人都可以使用。使用FX40，只需点击几下，即可获得高清且有意义的数据。额外的内置环境传感器开辟了新的应用空间，将在以后的出版物中进行介绍和讨论。本技术说明将会描述整个的成像过程，并用实际应用示例进行了说明。

原子力显微镜（AFM）的目的是以亚纳米分辨率重复可靠地测量三维表面形貌，同时能够获得额外的信息，如电、磁、纳米机械或化学等信息，从而从单个仪器中获得大量信息。与相关技术相比，原子力显微镜能够实现样品制备的最减化，且使用成本较低。图像可以在空气、液态和受控大气中获得。这使得原子力显微镜成为工业和研究应用中不可或缺的工具。在获得任何AFM数据之前，用户必须选择合适的悬臂/探针，使用镊子将其装载到设备中，并对齐光学检测系统和供观察的光学镜头。然后安放样品并选择一个或多个要成像的区域。用户必须选择基本成像模式，如非接触或轻敲，调整系统，并手动将AFM探针引导到表面的检测范围内。为了获得有效的表面信息，用户必须告诉AFM如何根据“视觉”反馈跟踪样品表面。这些相当复杂的程序阻止了AFM进入主流，因为通常需要非常有经验的人才能获得良好的、可重复的数据。

Park Systems 的 NX 或 XE 系列 AFM 已经克服了一些挑战，例如使用预安装的探针和用户友好的界面，可以根据客观条件和设置帮助用户选择成像参数。然而，FX40自动化了整个成像过程，从而消除了快速获取一致数据的障碍。这是一个必要的步骤，让人们能够更容易的接触到原子力显微镜，可以向更广泛的受众提供更奇妙可靠的纳米计量信息。

除了自动化成像过程，FX40的新光机设计还提高了数据质量和测量精度。低噪声水平使其能够轻松对具有挑战性的样品进行精确的纳米计量。原子力显微镜往往会面临在大平面样品上如何测量出精准数据的挑战。在这里，基于前一代Park AFM消除串扰的经验基础上，FX40在图像修正前，在大于80μm扫描范围里的原始平面外运动（OPM）<2nm，实现精确测量，而不受常见拉平时伪影的影响。

图2.低噪声水平，实现精确的纳米计量。（a）蓝宝石上的原子台阶，（b）蓝宝石的线扫描轮廓。具有亚纳米特征的台阶信号在正向（红色）和反向（绿色）扫描中完全匹配。

在下文中，我们介绍了使用四种不同样品采集形貌图像的过程，以演示Park FX40的自动化，包括简单的样品到样品的导航：

1）第一组样品是安放在硅衬底上的半氟化烷烃（F₁₄H₂₀）（图8）。

2）第二个样品是氮化硼上的石墨烯，这是一种常见的二维材料，正在研究其电学特性（图9)。

3) 第三个样品是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（图10)。

4) 第四个也是最后一个样品是聚四氟乙烯（Teflon），一种具有大量工业应用的聚合物（图11)。

除了形貌数据，FX40还可以获取与形貌相关的其他物理信息。图3中描述了四个示例：纳米机械信息，如模量或粘附力信息（图3a）、磁信息，包括在可控外部磁场下研究样品的各种可能性（图3b）、纳米光刻（3c），以及高空间频率下电性能的测量（3d），这里只列出这几个实例。

图3. FX40各种数据采集模式下的小样品。（a）通过PinPointTM 获得的嵌段共聚物的杨氏模量；（b）通过磁力显微镜获得的Cr/Ni/Mo合金中的涡流磁芯。(c)分裂石墨烯薄片的形貌。（d）通过Sideband KPFM获得的半氟化烷烃的表面电位：负电位（黄色/蓝色部分）确定了烷烃相对于衬底的位置。

实验

从探针安装到最终成像的实时操作流程如下所示：整个过程可以通过三个简单的步骤执行：

在第一步“ATX”（自动探针更换装置）中，用户为确定的成像模式选择悬臂。无需用户额外输入，FX40会自动安装探针，利用机器学习模式来对齐悬臂反射系统，从而实现最佳悬臂检测。
第二步“Sample”允许用户使用两个内置的高性能光学观察系统选择样品和所需的初始成像区域。选择成功后，AFM 移动到选定区域，执行必要的调整操作，并自动接近样品。内置的光学自动对焦系统可在几秒钟内完成探针-样品接近。
下一步也是最后一步开始自动 AFM 扫描和数据采集。

本技术说明将流程分成独立的步骤，并解释了它们背后的机制。

图4. FX40 SmartScanTM界面的一部分。左上角的“ATX”键可以自动更换探针。“Auto Align”键可以聚焦悬臂，对准SLD和光电探测器。“Sample”键能够启用样品导航镜头，允许用户选择所需样品位置。

步骤1：自动探针安装和激光对准

在此步骤中，软件通过读取探针盒中探针载片上的二维码来识别探针类型。一旦识别出载片，用户可以选择要使用的探针，FX40会自动从探针盒中拾取探针。之后，FX40找到悬臂，并自动执行超发光二极管（SLD）和光电探测器的对准。

Park FX40将SLD定位在光学显微镜内。这种创新设计确保SLD光束始终聚焦在透镜中心。由于SLD的位置固定，将悬臂对准到光学显示中间即对准SLD。为了完成激光束反射对齐，AFM扫描头中的嵌入式电机会调整转向镜的角度，从而实现光电探测器自动化对准过程；只需点击一次。这种自动化过程完全消除了用户误操作的顾虑，确保每次都能完美执行。

图5. 自动探针更换装置（ATX）。a）存有探针的自动探针更换槽的视图。b）二维码放大显示，允许系统识别所选探针，并自动上传悬臂轮廓。c）探针盒可以很容易地取出和更换。

图6. 光学悬臂对准和激光束检测。a） Park FX40超发光二极管光束路径; b）机器学习算法用于悬臂居中；c）探针会依靠悬臂反射系统自动居中对齐。

步骤2：自动定位样品

FX40使用专用的样品视野镜头导航到所需位置。图4所示的“Sample”键打开定位面板，并激活位于样品卡盘上方的样品视野镜头，该镜头下最多可容纳四个样品。一旦选择了所需的初始成像位置，系统将立即移动到所选区域（图7）。选择所需的成像点后，FX40执行一种全自动、快速的探针-样品接近[3]。

步骤3：自动成像

SmartScan自动成像模式用于获取形貌数据。该模式会执行所有必要的成像操作，并智能地选择最佳图像质量和扫描速度。这确保了数据质量不会受到用户经验水平不足的影响。悬臂扫频、操作设定点、扫描速度或增益调整等过程是自动化程序的一部分，减少了用户手动输入和操作所需的时间。

图7. 样品导航。a) Park FX40 主体与多样品卡盘的运动学定位样品。b-d) 样品界面激活并允许用户在样品上选择所需的测量点。探针会移动到用户选择的位置并自动接近样品。完成数据采集后，软件通过提升 Z 控制台和关闭 SLD 来保护系统。如果用户不想在使用探针，用过的探针会原路放回到 ATX 探针盒中。

结果

图8.Si上的半氟化烷烃。(a) 描绘样品螺旋形态的形貌图像（垂直尺度范围 0 至 12 nm）和 (b) F₁₄H₂₀ 烷烃的相位图像（垂直尺度范围 0 至 6 度）。该相图突出显示了其他样品细节。

由于FX40的自动化，图8中的数据从开始到结束只需几分钟即可获得。图8显示了在非接触模式下使用NCHR悬臂获得的高质量形貌图，这清楚地显示了F₁₄H₂₀ 聚集体的螺旋上层结构。完成成像后，点击“Sample”键以导航到下一个样品：h-BN上的石墨烯。使用相同的悬臂获得样品的形貌和 Moiré 图案信息（图9）。

图9. 在h-BN上的石墨烯表面观察到的 Moiré 条纹。a）石墨烯在h-BN上的形貌扫描，垂直尺度为0至6nm；b）放大图：清晰可见的 Moiré 图案，垂直比例为0到6nm。

图10. 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）共聚物。a）形貌图，垂直尺度范围为0至5nm; b）相对应的相位图显示了组织结构，垂直尺度范围为0到5度。

同样的探针重复用于样品#3成像。图10中的相位图突出显示了样品的组成。最后，将探针改为高频探针，并移动到多样品卡盘上最后一个样品的扫描位置。图11显示了样品在形貌和相位数据中的分子排列。

图11. PTFE（聚四氟乙烯）的高分辨率图像。a）高分辨率形貌图,垂直尺度范围为0到3nm; b）对应的相位图像,垂直尺度范围为0到10度。

结论

本技术说明展示了新型Park FX40的创新设计、易操作性和卓越的成像能力。该自动AFM系统利用机器学习和图像识别、基于QR码的探针选择以及全自动探针更换和校准等新功能，可以快速获取高质量的图像。最后，FX40能够以低噪声和直观的用户界面获取精确数据。Park FX40是纳米技术和计量学的重大进步，将进一步推动纳米科学和工程领域的创新与发现。

参考文献

1. Park SmartScanTM: Park AFM Operating Software https://parksystems.com/products/operating-software/park-smartscan

2. Park Systems (2020). Probe Store. California, USA: https://parksystems.com/service/probe-store

3. Park Systems Inc (2015). Revolutionary Park Systems SmartScan Automatizes the Atomic Force Microscope Imaging Process–High Quality Images at Click of a Button. California, USA. https://parksystems.com/company/news/press-release/490-smartscan-automatizes-the-atomic-force-microscope-imaging-process

4. Park Systems Inc (2021). NCHR Cantilever. Probe Store. California, USA: https://parksystems.com/service/probe-store