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德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）新近制造的皮米壓痕儀使用原子力顯微鏡（AFM）的尖端作為壓頭來對納米材料進行尺寸和機械表征。這種壓頭現(xiàn)在得到了極大的提升：新興納米計量實驗室（LENA）利用聚焦離子束在AFM懸臂上制造出角錐狀的玻氏壓針，這也可以用于微型壓頭。與傳統(tǒng)的錐形AFM尖端相比，這種壓頭在機械上更穩(wěn)定，可長期進行快速動態(tài)測量，并且由于其高導電性，也能進行電氣測量。

圖為硅制AFM懸臂上的玻氏壓針（大圖），以及玻氏壓針的理想尺寸（左上）和所造壓針的側(cè)視圖（右上）。角孔徑為（143±0.5）度，與ISO標準中尖端的定義基本一致。有效尖端高度約為1μm（微米），足以進行接近表面的機械測量，例如確定納米級半導體材料壓痕深度相關(guān)的機電性能。

納米壓痕是一種研究散狀物料的常規(guī)方法：將一個幾何形狀確定的小尖端壓入材料，基于材料的性能表現(xiàn)，這就可以得出有關(guān)其屬性的結(jié)論。

然而，要想表征具有高縱橫比的創(chuàng)新納米材料，如直徑在納米范圍內(nèi)的圓柱體，納米壓痕由于其深度和力分辨力有局限性而無法勝任。原子力顯微鏡（AFM）可以提高力的靈敏度。然而，AFM最初是為了表征樣品的形貌而開發(fā)的。特別是用壓痕法研究硬質(zhì)材料時，壓頭尖端會傾斜，從而導致高非線性等問題。

為填補納米壓痕儀與AFM之間的空白，開發(fā)出一種新的皮米壓痕儀。在總壓痕深度為10微米時，它能展現(xiàn)出更強的深度敏感性。這種皮米壓痕儀采用AFM尖端作為壓頭來進行納米材料的幾何量和機械表征?，F(xiàn)已證明，它適用于單原子階梯高度標準的地形測量和彈性模量在幾MPa（兆帕）范圍內(nèi)的極軟材料的定量表征。

納米機械測量具有可比性的一個重要先決條件是使用標準化壓頭。相應(yīng)的“納米壓痕標準”ISO 14577建議對于較小的力和較小的壓痕深度，應(yīng)使用角錐狀玻氏壓針?，F(xiàn)在首次在AFM懸臂上制造出這樣的壓針，這也可以用于皮米壓痕儀。這個制造過程用到了新興納米計量實驗室（LENA）的聚焦離子束設(shè)備。LENA由布倫瑞克工業(yè)大學（TU Braunschweig）和PTB合作運營。該系統(tǒng)配備了一個五軸精度實驗臺，具有大傾角范圍，因此可制備非常小的角錐狀壓頭尖端。除了制造三角形玻氏壓針，還可以制造其他不同的幾何形狀，如四角維氏（Vickers）壓針。

目前相關(guān)研究人員正在利用PTB正申請專利的針式尖端測試標準對通過聚焦離子束制造的角錐狀尖端進行詳細的幾何表征。這項工作的另一個目標是在AFM金剛石尖端上制造標準化壓頭，以便對堅硬的創(chuàng)新材料（如氮化鎵）也能進行機械表征。這些導電AFM角錐狀尖端可用于能量產(chǎn)生、醫(yī)學、生物學和環(huán)境技術(shù)等不同應(yīng)用領(lǐng)域的半導體材料的機電表征。