獲取材料甚至是器件整體的熱學性，是相關(guān)研究與開發(fā)當中非常有意義的課題。隨著研究對象征尺寸的不斷減小，研究者們對具有高熱學分辨率和高水平方向分辨率的表面溫度表征方法以及與之相應(yīng)的儀器的需求也日益顯著。在諸多潛在的表征技術(shù)當中，掃描熱學顯微鏡（Scanning Thermal Microscopy）是其中頗為有力的種，它可以滿足征線度小于100 nm的研究需求。然而，這種表征方法，對納米探針的結(jié)構(gòu)及功能性有比較高的要求，目前商用的幾種納米探針受限于各自的結(jié)構(gòu)點，均有定的局限性而難以滿足相應(yīng)要求，也就限制了相應(yīng)表征方法的發(fā)展與應(yīng)用。

      著眼于上述問題，奧地格拉茨技術(shù)大學的H. Plank團隊提出了基于納米熱敏電阻的三維納米探針，用于實現(xiàn)樣品表面溫度信息的超高分辨表征。相關(guān)成果于2019年六月發(fā)表在美國化學協(xié)會的期刊ACS Applied Materials & Interfaces上（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 2522655-22667. Three-Dimensional Nanothermistors for Thermal Probing.）。

圖1 三維熱學納米針尖的概念、結(jié)構(gòu)、研究思路示意圖

      H. Plank等人提出的這種三維納米探針的核心結(jié)構(gòu)是種多腿（multilegged）納米橋（nanobridge）結(jié)構(gòu)，它是用聚焦離子束技術(shù)直接進行3D納米打印而獲得的，因而可以直接制作在（已經(jīng)附有許多復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)與微納電路、電的）自感應(yīng)懸臂梁上（self-sensing cantilever, SCL）。由于納米橋的每個分支的線度均小于100 nm，因而需要相應(yīng)的表征策略與技術(shù)來系統(tǒng)分析其納米力學、熱學性。為此，H. Plank研究團隊采用了有限元模擬與SEM輔助原位AFM（scanning electron microscopy-assisted in situ atomic force microscopy）測試相結(jié)合的策略來開展相應(yīng)的研究工作，并由此推導出具有良好機械穩(wěn)定性的三維納米橋（垂直剛度達到50 N/m⁻¹）的設(shè)計規(guī)則。此后，H. Plank引入了種材料調(diào)控方法，可以有效提高懸臂梁微針尖的機械耐磨性，從而實現(xiàn)高掃描速度下的高質(zhì)量AFM成像。后，H. Plank等人論證了這種新式三維納米探針的電響應(yīng)與溫度之間的依賴關(guān)系呈現(xiàn)為負溫度系數(shù)（−(0.75 ± 0.2) 10−3 K⁻¹）關(guān)系，其探測率為30 ± 1 ms K⁻¹，噪聲水平在±0.5 K，從而證明了作者團隊所提出概念和技術(shù)的應(yīng)用潛力。

圖2 三維熱學納米針尖的制備及基本電學性

      文中在進行三維納米探針的力學性及熱學響應(yīng)方面所進行的AFM實驗中，采用了原位AFM技術(shù)，堪稱大亮點。研究所用的設(shè)備為奧地GETec Microscopy公司生產(chǎn)的AFSEM^TM系統(tǒng)，AFSEM^TM系統(tǒng)基于自感應(yīng)懸臂梁技術(shù)，因此不需要額外的激光器及四象限探測器，即可實現(xiàn)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(shè)備集成，在各種狹小腔體中進行原位的AFM測試。此外，通過選擇懸臂梁的不同功能型針尖，還可以在SEM或FIB系統(tǒng)的腔體中，原位對微納結(jié)構(gòu)進行磁學、力學、電學性觀測，滿足研究者們對各類樣品微區(qū)性的表征需求。

      著眼于本文作者的研究需求來講，比如探針納米橋的分支在受力狀態(tài)下的力學性分析，只有用原位的AFM表征技術(shù)，才可以同時獲取定量化的力學信息以及形貌改變信息。當然，在真空環(huán)境下使用原位AFM系統(tǒng)表征微區(qū)的力、熱、電、磁信息的意義遠不止于操作方便或同時獲取多種信息而已。以本文作者團隊所關(guān)注的微區(qū)表面熱學分析為例，當處于真空環(huán)境下時，由于沒有減小熱學信息成像分辨率的、基于對流的熱量轉(zhuǎn)移，因而可以充分發(fā)揮熱學微納針尖的潛能，探測到具有*水平分辨率的熱學信息。

圖3 用AFSEM在SEM中原位觀測nanobridge的力學性

圖4 將制備所得的新型納米熱學探針安裝在AFSEM上，

并在SEM中進行原位的形貌測量：a）SEM圖像；b）AFM輪廓圖像