??AFM/SEM二合一顯微鏡-FusionScope??

在多數(shù)情況下，為確認(rèn)不同參數(shù)之間的相關(guān)性，樣品分析通常使用多種技術(shù)手段。對于AFM和SEM成像技術(shù)而言，這意味著在實際操作中需要對相同的區(qū)域進(jìn)行對比分析。2022年10月，美國Quantum Design公司重磅推出AFM/SEM二合一顯微鏡-FusionScope，將SEM和AFM技術(shù)融合在一臺設(shè)備上。用戶不需要將樣品從一臺顯微鏡移動到另一臺顯微鏡，也不必使用兩個不同的操作系統(tǒng)來分析樣品上的同一位置，而是在同一用戶界面內(nèi)、同一位置進(jìn)行?互補性綜?合測量。

FusionScope提供了帶有SEM功能的原子力顯微鏡的所有優(yōu)點。它能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)AFM的測量模式，包括接觸、動態(tài)和FIRE模式（Finite Impulse Response Excitation ）。只需單擊按鈕，即可在亞納米分辨率下切換AFM和SEM成像模式，并獲取所需的數(shù)據(jù)。通過更換懸臂，AFM可輕松實現(xiàn)高級工作模式，例如力曲線、導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）和磁力顯微鏡（MFM）。

??????FusionScope同時提供EDS能譜儀選件，可以在掃描電鏡中對樣品進(jìn)行元素和化學(xué)分析，在納米及微米尺度上收集更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。結(jié)合已有的AFM/SEM，使測量更加多功能化。

FusionScope優(yōu)勢

★  Quantum Design自主研發(fā)的AFM和SEM成熟集成方案，自動化程度高，軟件/硬件操作簡單易用；

★  多種AFM功能與SEM原位聯(lián)用，極大程度上發(fā)揮出兩種常用顯微鏡的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)同一時間、同一樣品區(qū)域和相同條件下的原位共享坐標(biāo)測量，避免樣品轉(zhuǎn)移過程中的污染風(fēng)險，特別適合環(huán)境敏感樣品；

★  多通道樣品特性成像，并無縫關(guān)聯(lián)到三維形貌圖像中。AFM可測量的功能包括有：三維/二維表面形貌成像，力學(xué)/機(jī)械性能測量、電學(xué)測量、磁學(xué)測量；SEM配備EDS功能；

★  利用SEM進(jìn)行實時、快速、精準(zhǔn)導(dǎo)航AFM針尖，從而實現(xiàn)AFM對感興趣區(qū)域的精準(zhǔn)定位與測量。無需轉(zhuǎn)移樣品，原位進(jìn)行80°AFM與樣品臺同時旋轉(zhuǎn)。

Fusi????onScope特??點??????

簡單易用

FusionScope硬件和軟件經(jīng)過精心設(shè)計，不僅讓初學(xué)者快速上手，簡單易用，同時還可以定制用戶界面，提供用戶所需要的所有功能。

更換樣品

FusionScope更換樣品僅需幾分鐘，簡單快速。

共坐標(biāo)系統(tǒng)

利用SEM進(jìn)行實時、快速、精準(zhǔn)導(dǎo)航AFM針尖，從而實現(xiàn)AFM對感興趣區(qū)域的精準(zhǔn)定位與測量。無需轉(zhuǎn)移樣品，原位進(jìn)行80° AFM與樣品臺同時旋轉(zhuǎn)。

實時剖面準(zhǔn)確展示AFM探針和樣品相對位置

FusionScope的創(chuàng)新功能之一是剖面成像，即在測量時可以實時觀察AFM懸臂的針尖。通過這種剖面工作方式，即使是難以到達(dá)的樣品區(qū)域也可以用AFM探針非常精確地接近，從而測量形狀復(fù)雜的樣品。

自感應(yīng)懸臂

FusionScope中的AFM采用自感應(yīng)懸臂，無需光學(xué)對準(zhǔn)即可提供所有懸臂電信號，實現(xiàn)對樣品表面進(jìn)行高質(zhì)量、低噪音測量。性能優(yōu)異、簡單易用。自感探針可以讓電子束大限度地進(jìn)入懸臂和樣品區(qū)域，實現(xiàn)AFM和SEM的無縫結(jié)合。

自感應(yīng)懸臂功能也十分豐富，可以提供更多測量功能，如電導(dǎo)率、磁性、表面電位、溫度及其他樣品特征。自感應(yīng)懸臂采用聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（FEBID）工藝制備，針尖半徑小于10 nm，保證了高分辨率導(dǎo)電或磁性成像，并具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性。

任務(wù)面板

FusionScope任務(wù)菜單幫助用戶快速識別和執(zhí)行所需的顯微鏡操作，并提供簡單易用的向?qū)讲僮髁鞒?，幫助用戶減少調(diào)整和管理硬件的時間，將更多時間用于收集樣品圖像和數(shù)據(jù)分析。

用戶界面定制

FusionScope提供用戶友好型軟件界面，以滿足用戶或?qū)嶒灥男枨?。軟件分為?biāo)準(zhǔn)模式和高級模式，用戶可根據(jù)具體需求進(jìn)行個性化配置。軟件支持日志功能和用戶注釋。

數(shù)據(jù)處理

每次實驗都可以將數(shù)據(jù)自動存在在一個"experiment"文件中，確保在不同計算機(jī)之間方便進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和離線處理。在數(shù)據(jù)處理模塊中，集成了第三方數(shù)據(jù)處理軟件(例如用于AFM數(shù)據(jù)處理的Gwyddion軟件)。

設(shè)備參數(shù)

AFM

掃描范圍 XY：22 x 22 μm （閉環(huán)）

掃描范圍 Z：15 μm

成像噪聲：<50pm @ 1kHz

懸臂探頭：自感壓阻式

測量模式：Contact, Dynamic, FIRE, MFM, C-AFM, …

SEM

電子源：熱場發(fā)射

加速電壓：3.5 kV – 15 kV

探頭電流：5 pA – 2.5 nA（典型值為300 pA）

放大倍數(shù)：25X – 200,000X

探測器：In-Chamber SE Everhart-Thornley

樣品

最大樣品直徑：20 mm（12 mm 關(guān)聯(lián)工作模式）

最大樣品高度：20 mm

最大樣品重量：500 g

對齊方式：全自動

樣品腔

典型腔室真空：1-10 μTorr

抽真空時長：<5 min

樣品托傾斜角度：-10 °至 80°

系統(tǒng)

用電：200-230 VAC，50/60Hz；單相 15 A

尺寸（寬 x 長 x 高）：690 x 835 x 1470 mm

重量：330 kg

應(yīng)用領(lǐng)域

通過結(jié)合SEM和AFM的互補優(yōu)勢，F(xiàn)usionScope打開了通往全新應(yīng)用可能性的大門！涵蓋多個應(yīng)用領(lǐng)域：材料科學(xué)、納米結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體或太陽能電池行業(yè)、生命科學(xué)......

適用材料：納米線、2D材料、納米顆粒、電子元件、半導(dǎo)體、生物樣品……

半導(dǎo)體表征

對于形狀復(fù)雜的半導(dǎo)體，FusionScope能夠通過精準(zhǔn)定位到樣品的不同位置進(jìn)行表征，同時得到精確表面形貌。

探針定位到電極位置并進(jìn)行掃描；探針定位到玻璃表面并進(jìn)行掃描

使用AFM原子力顯微鏡分析電子元件或半導(dǎo)體器件

模式：SEM, AFM Topography

樣品：CPU芯片

對于AFM用戶來說，納米結(jié)構(gòu)的精確定位和分析是一項具有挑戰(zhàn)性且耗時的工作，近年來晶體管尺寸的減小對質(zhì)量控制和失效分析也提出了更高的要求。借助FusionScope及其剖面成像功能，用戶可以輕松地將懸臂定位至感興趣的區(qū)域，并對樣品進(jìn)行高分辨率 AFM 分析、亞納米級分辨率3D形貌測量、導(dǎo)電 AFM測量等。

使用AFM原子力顯微鏡表征二維材料

模式：AFM Topography

樣品：石墨烯

從納米機(jī)電傳感器及光學(xué)器件的許多應(yīng)用研究中，二維材料的獨立懸浮膜引起科學(xué)家的極大興趣。其表征大多依賴于掃描探針顯微鏡技術(shù)，如原子力顯微鏡（AFM）。然而，與剛性樣品不同，懸浮的2D原子級薄膜是柔性的，在AFM測量過程中會受到機(jī)械干擾，這可能導(dǎo)致實驗結(jié)果的偏差。FusionScope可以通過在實時觀測膜變形來規(guī)避這些缺點，從而更好地獲取AFM數(shù)據(jù)。

使用FusionScope進(jìn)行原子臺階表征

模式：AFM Topography, SEM

樣品: 熱解石墨（HOPG）

為了檢測樣品表面區(qū)域的最小變化，需要盡量減少AFM機(jī)械和電氣噪音的影響，這在高真空系統(tǒng)中尤其具有挑戰(zhàn)性。FusionScope性能優(yōu)異，實現(xiàn)了真正的原子分辨率的AFM測量。

納米力學(xué)

通過SEM提供的視野，研究者可以實現(xiàn)對特定樣品表面的力學(xué)性能測試，并且能夠清晰地觀察探針對樣品的壓痕過程。無論是想要探究材料的硬度、彈性模量還是斷裂韌性，都能在FusionScope中得到答案。

探針測量單根硅納米柱動態(tài)過程

探針測量單根硅納米柱快閃圖

樣品的力學(xué)曲線

FusionScope可以輕松實現(xiàn)在納米壓痕實驗中的力學(xué)控制，以靜制動，原位視野下輕松測試，可視化呈現(xiàn)納米壓痕。通過設(shè)置不同的力測試納米壓痕的效果，得到樣品硬度信息。

探針在樣品表面壓痕

FusionScope能夠快速對具有不規(guī)則表面的載藥顆粒進(jìn)行力學(xué)測試與動態(tài)測量過程。如下樣品主要成分為VitaminC，通過掃描電鏡可以觀察到樣品表面崎嶇不平，粗糙度較高，在進(jìn)行力學(xué)測試過程中，能夠通過SEM觀察到一種階段式下針過程，從而得到分段式力學(xué)曲線，二者相輔相成，互為驗證。

傾斜樣品的力學(xué)曲線測量快閃圖

階段式力學(xué)曲線測試結(jié)果

材料科學(xué)

FusionScope可以針對感興趣的區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電學(xué)、磁學(xué)和化學(xué)性質(zhì)分析，實現(xiàn)對樣品的表征。

使用磁力顯微鏡表征鈷層材料的形貌與磁性分布

下圖所示利用FusionScope對用離子束刻蝕（FIB）加工的鈷層進(jìn)行磁特性表征。這種研究可能涉及測量鈷層的磁場強(qiáng)度、磁化曲線、磁疇結(jié)構(gòu)等參數(shù)，以便更好地了解鈷層材料在磁性方面的性能。

Topography & MFM overlay

Au納米線的精準(zhǔn)測量

通過拓展性配置的機(jī)械手，將Au納米線的位置進(jìn)行精確校正之后對末端進(jìn)行3D形貌掃描。

自旋體納米棒表征

人工構(gòu)建的自旋體納米棒Ni₈₁Fe₁₉，對其形貌進(jìn)行精準(zhǔn)定位掃描，關(guān)聯(lián)AFM與SEM數(shù)據(jù)結(jié)果，同時關(guān)聯(lián)起三種不同結(jié)構(gòu)對應(yīng)的磁性結(jié)果。

三種磁性納米棒的SEM關(guān)聯(lián)AFM形貌表征結(jié)果

鐵鎳納米棒的極化磁性測量以及與AFM形貌的對應(yīng)。

使用MFM磁力顯微鏡表征磁性相位結(jié)構(gòu)

模式：MFM

樣品：雙相不銹鋼

雙相不銹鋼是含有奧氏體和鐵素體相的混合物，與標(biāo)準(zhǔn)鋼相比，具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和延展性。原位磁力顯微鏡（In-situ MFM）可以詳細(xì)分析不同類型的雙相不銹鋼樣品的磁性。

使用FusionScope可以輕松觀察不銹鋼表面的不同相，并且AFM探針很容易定位在兩個不同相的晶界處。使用磁性懸臂可以分析不銹鋼的磁性并對鐵磁區(qū)域進(jìn)行高分辨成像。

使用EFM靜電力顯微鏡評估材料晶界

模式：EFM

樣品：BaTiO₃

多晶BaTiO₃陶瓷的宏觀電子性能由單晶間形成的晶界決定。為了更好地了解BaTiO₃的整體電阻，科學(xué)家必須能夠在納米尺度表征晶體材料中的電位差。這種表征可以通過靜電力顯微鏡（EFM）完成。FusionScope可以進(jìn)行原位EFM分析，利用SEM的高分辨率輕松識別晶界，并直接在感興趣區(qū)域進(jìn)行EFM分析。

生命科學(xué)

FusionScope可以準(zhǔn)確、輕松地獲取生物樣品的納米級形貌，特別是對于難以觸及的或非常小的樣品區(qū)域，實現(xiàn)高精度物性表征，如3D形貌，剛度和粘附力等…

使用AFM原子力顯微鏡表征常規(guī)難以測量的樣品區(qū)域

模式：AFM Topography

樣品：骨骼

對難以觸及的樣品區(qū)域，進(jìn)行SEM/AFM分析非常有挑戰(zhàn)，比如骨組織的分析，特別是骨表面的空隙和膠原纖維的詳細(xì)測量。FusionScope可以對空隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速簡便的識別和成像。通過SEM的大視野識別空隙，并可將懸臂直接定位在空隙結(jié)構(gòu)上，然后通過AFM實現(xiàn)亞納米分辨率的空隙和膠原纖維的真實3D形貌。

使用AFM原子力顯微鏡表征貝殼表面的硅藻

模式：AFM Topography

樣品：貝殼

用FusionScope顯微鏡，可以精準(zhǔn)定位貝殼表面上的硅藻。在剖面模式下，用戶可以輕松地將AFM懸臂針尖定位到選擇的硅藻結(jié)構(gòu)上，并進(jìn)行3D形貌分析。

測試數(shù)據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)AFM

?????靜態(tài)模式（接觸模式）?????

在靜態(tài)模式或接觸模式下，針尖與樣品表面連續(xù)接觸，針尖針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力。當(dāng)針尖輕輕掃過樣品表面時，接觸的力量引起懸臂彎曲，進(jìn)而得到樣品的表面圖像。

在接觸模式下獲得的聚合物表面的AFM圖像

??動態(tài)模式??

動態(tài)模式，也稱為間歇性接觸或Tapping模式，懸臂在其諧振頻率附近振蕩。當(dāng)探針靠近表面時，探針和樣品之間的相互作用導(dǎo)致振蕩幅度發(fā)生變化。當(dāng)懸臂掃描樣品時，調(diào)整高度以保持設(shè)定的懸臂振蕩幅度，進(jìn)行AFM成像。

左：在動態(tài)模式下測量的石墨烯膜的關(guān)聯(lián)SEM和AFM圖像；右：單個石墨烯膜的高分辨率AFM形貌圖像

FIRE模式

FIRE模式是一種新型的、間歇性接觸AFM技術(shù)。FIRE模式基于在高于驅(qū)動頻率、但低于懸臂共振頻率的頻域中，對懸臂信號進(jìn)行檢測，得到樣品剛性與粘附力信息。

利用FIRE模式測量雙組分聚合物樣品（聚苯乙烯和聚烯烴彈性體）的AFM形貌圖像（左）和剛度（右）

C-AFM導(dǎo)電原子力顯微鏡

標(biāo)準(zhǔn)C-AFM

導(dǎo)電AFM（C-AFM）通過使用尖銳的導(dǎo)電針尖同時測量樣品的形貌和導(dǎo)電特性。

左：硅襯底上Au電極結(jié)構(gòu)的SEM圖像；中：電極結(jié)構(gòu)的AFM形貌圖像；右：電極結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率圖

??靜電力顯微鏡（EFM）??

靜電力顯微鏡（EFM）是一種相位成像技術(shù)，通過測量樣品襯底電場的成像變化，從而研究表面電位和電荷分布。

BaTiO3陶瓷的SEM圖像顯示出不同的晶界（左）；AFM圖像（中）；EFM相位圖像（+1.5V偏置電壓）

??磁力顯微鏡??

磁力顯微鏡（MFM）是一種相位成像模式，通過使用磁性AFM探針來研究磁性材料的性質(zhì)。

多層Pt/Co/Ta樣品的AFM圖像（動態(tài)模式，左）及相同區(qū)域的MFM圖像（右）

掃描電子顯微鏡（SEM）

使用聚焦電子束，F(xiàn)usionScope可以實現(xiàn)樣品表面的高分辨率成像。憑借其高靈敏度的SE模式，F(xiàn)usionScope可以在幾納米級別獲得形貌信息。

錫球的SEM圖像，圖像水平場寬度為50 μm（左）；高倍率顯微照片顯示了左圖中破碎錫球的表面細(xì)節(jié)（右）

SEM掃描電鏡其他功能包括：

★ FusionScope可以從毫米級到納米級進(jìn)行掃描，因此易于定位，且具有非常的高分辨率；

★ 高度自動化，為用戶提供清晰銳利的圖像；

★ 傾斜度高達(dá)80°，輪廓視圖顯示樣品的“側(cè)面”特征；

★ 快速分析功能，廣泛應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)科學(xué)、陶瓷、質(zhì)量控制、失效分析、法醫(yī)學(xué)調(diào)查、生命科學(xué)和半導(dǎo)體檢測等應(yīng)用領(lǐng)域。