島津原子力顯微鏡技術(shù)發(fā)展歷程

時(shí)間：2021-5-14 閱讀：623

人類探索極限的腳步從未停止,。為了看得更細(xì),，看得更清,。列文虎克發(fā)明了顯微鏡，成為人類利用工具觀察世界的肇始,。

從此,，光學(xué)成為顯微鏡的支配性規(guī)律。自十七世紀(jì)到二十世紀(jì)初,，光學(xué)顯微鏡完成了幾乎所有類型的研發(fā),、設(shè)計(jì)和定型。但因?yàn)檠苌錁O限的發(fā)現(xiàn),，似乎提高觀察的分辨率只有改進(jìn)光源這一種路徑,。激光的發(fā)明成為光學(xué)顯微鏡在分辨率上最后的努力。

十九世紀(jì)初電子的發(fā)現(xiàn),，以及微觀粒子的波粒二象性特性的揭示,，成為了電子顯微鏡的基礎(chǔ)。但是電子顯微鏡實(shí)際上可以看做光學(xué)顯微鏡在量子力學(xué)下的延伸,。用加速電子束替代了傳統(tǒng)光源,，用磁透鏡/靜電透鏡代替了透明介質(zhì)透鏡，可是幾乎所有的理論結(jié)構(gòu)都與光學(xué)顯微鏡一致,。二十世紀(jì)三十年代電子顯微鏡被發(fā)明至今,，其分辨率被提高到亞納米級(jí)別，距離原子級(jí)分辨似乎只有一步之遙,。

但是自然界被物理鐵律支配,，這一步似乎近在咫尺,，但卻云崖天隔。二十一世紀(jì)的電子顯微鏡已經(jīng)進(jìn)入了和二十世紀(jì)光學(xué)顯微鏡同樣的境地,，只能在不斷改進(jìn)各部件的精度中一絲一毫地改進(jìn)圖像,，但無(wú)法跨越最后的鴻溝。

量子力學(xué)成為了新一代顯微鏡的理論基礎(chǔ),。1981年,，隧道掃描顯微鏡被發(fā)明，一種全新的顯微鏡橫空出世,。它不同于光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡,，*擺脫了對(duì)檢測(cè)介質(zhì)的依賴，以微粒間的作用（電,、力）為檢測(cè)信號(hào),，一舉突破了原子級(jí)別的分辨率。隨后在1985年被發(fā)明的原子力顯微鏡,，更是將適用對(duì)象從金屬和半導(dǎo)體拓展到所有的固體,。

這是一種全新的顯微方法和工具，從二十世紀(jì)八十年代末到九十年代初,，全球各主要科技強(qiáng)國(guó)紛紛開展了掃描探針顯微鏡的研發(fā),。

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也正是在這個(gè)時(shí)期，島津開始涉足該領(lǐng)域,。1991年,，基于超高真空環(huán)境的隧道掃描顯微鏡AIS-900面世。

相對(duì)于在大氣環(huán)境下的隧道掃描顯微鏡,，真空環(huán)境是其工作環(huán)境更為簡(jiǎn)單,，圖像分辨率和清晰程度都更高，工作也更穩(wěn)定,。

雖然真空環(huán)境帶來(lái)了分辨率的提高,，但是同時(shí)也限制了樣品的測(cè)試和操作的便利性。為此,，1993年,，島津開發(fā)了兼容多種環(huán)境的WET-901，同時(shí)可以滿足對(duì)大氣環(huán)境,、真空環(huán)境,、特殊氣氛、液體環(huán)境,、電化學(xué)環(huán)境等不同要求,。WET-901和隨后的WET-9400代表著島津敏銳地意識(shí)到，隨著原子力顯微鏡的不斷完善,，微區(qū)觀測(cè)技術(shù)必然會(huì)對(duì)原位分析產(chǎn)生重要的影響,。因此,，島津持續(xù)不斷地改進(jìn)環(huán)境控制艙，應(yīng)對(duì)不同時(shí)期科研領(lǐng)域的需求,。

緊接著在1995年,，島津推出了成功的SPM-9500系列。二十世紀(jì)九十年代中后期是原子力顯微鏡大發(fā)展的時(shí)期,，各種掃描模式從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱?。?995年2001年，島津SPM-9500系列也歷經(jīng)SPM-9500,、SPM-9500J,、SPM-9500J2、SPM-9500J3四個(gè)型號(hào),，不斷吸收新的功能模式,。同時(shí)，該系列具備的自動(dòng)進(jìn)針和頭部滑動(dòng)機(jī)構(gòu)也在操作性上更優(yōu),，這些特點(diǎn)使得該系列成為了一個(gè)長(zhǎng)壽的產(chǎn)品,。

隨后的SPM-9600（2005年）、SPM-9700（2010年）,、SPM-9700HT（2016年）基本都延續(xù)了SPM-9500的基本結(jié)構(gòu),，通過不斷改進(jìn)控制器，提高分辨率,，增加新功能，改善操作性,。

在這個(gè)時(shí)期,，商用原子力顯微鏡陷入了一個(gè)發(fā)展瓶頸，功能模式固化,，應(yīng)用領(lǐng)域受限,，每個(gè)廠家都在不同的方向上嘗試新的突破。有的廠商開始匹配半導(dǎo)體工業(yè)的需求,，有的則在生命科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā),。

島津也在思考什么才是原子力顯微鏡的發(fā)展根本？

不識(shí)廬山真面目,，只緣身在此山中,。經(jīng)過大量的思考和嘗試，一切回歸本源——分辨率,。只有分辨率才是顯微鏡最核心的技術(shù)指標(biāo),。于是在2014年推出了調(diào)頻型原子顯微鏡SPM-8000FM并在2017年升級(jí)為SPM-8100FM。該系列最核心的技術(shù)是調(diào)頻控制探針,，利用頻率對(duì)作用力的分辨率和反饋速度遠(yuǎn)高于振幅的特點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)了在大氣和液體環(huán)境中原子/分子級(jí)的分辨率,。