能看清纳米级芯片的“原子力”

power001

01

从光学到“原子力”  

数学常识告诉我们，一厘米等于1000万纳米、一毫米等于200万纳米。有了这个概念，再去看常常提及的个位数纳米级芯片是不是更能感受到工业制造的魅力？但人类的肉眼是有极限的，根本不可能清晰捕捉纳米世界的细节，这时候就要靠工具来实现了。

我们对未知的遥远星系的求知催生出了望远镜，对微小事物的兴趣则诞生出显微镜，这两者大概都是我们最早能接触的科学仪器，而这两个仪器利用的正是光学原理。光学显微镜即延续放大镜的概念，运用不同光学元件的组合，结合光的折射等特性，加上额外的光源，使放大倍率和分辨率进一步提高。

但普通光学显微镜并不是进入纳米级世界的钥匙，因为我们没办法将光学系统无上限地组合起来提升放大倍率。打个比方，如果我们可以用一个篮球去测量一个沙坑的大小，但却很难用这个篮球去感知一粒沙子的形状和大小。   

放到光学显微镜中，光的波长就是“篮球”，“沙子”可以视为我们想要观察的纳米级物体——光学测量会受限于光的波长，当两个物体之间的距离小于或等于光波长的一半时，光的绕射现象将使得影像重叠，并让观察到的影像变得模糊不清，这种限制被称为瑞利准则(Rayleigh criterion)。

换句话说，以可见光为主的光学显微镜所能观察到的最小物体尺度约为300纳米，这对于探索纳米材料世界来说远远不足。

02

极微小世界的钥匙

因此，研究人员开始运用其他方式来探索极微小的世界。在原子或分子间有一种广泛存在的吸引力，学名叫“范德华力”，学术一点说，范德华力是中性原子之间通过瞬间静电相互作用产生的一种弱的分子之间的力，同时这种作用力会随着距离的改变而变化。

基于这种“力”的存在，研究人员制造出了能够观察纳米世界、且不损害物体的原子力显微镜(AFM)。   

原子力显微镜的工作原理是基于“范德华力”的存在

原子力显微镜的探测前端一般称为悬臂，悬臂最前端搭载着极细的探针（直径约20-100nm），用以靠近被观测的物体。已知范德华力的存在，那么就能推断出来，物体表面的原子会根据与探针不同的距离而产生大小不一的交互作用，探针因此会产生弯曲或震动：当探针接触到凸出的表面时，范德华力较强，反之则较弱。这就给了研究人员观察的机会。

借由探针的振幅，再加上电脑的运算，我们就能“描绘”出物体表面的结构。这个过程有点像打麻将的高手，并不需要真的看到，仅仅凭借麻将本身的凹凸触感就能猜中手中是哪张牌。但不同的是，原子力显微镜并不一定要跟物体表面接触，这样就能够避免伤害比较精密的电子元器件，比如用在芯片薄膜品质的检测中。   

如果把原子力显微镜前端的探针换成铁磁性材料，那我们就会得到一个“磁力显微镜（MFM）”，可以专门用来观测物体的磁性结构。由于磁交互作用的存在，当具有磁性的探针接近不同磁畴（铁磁材料的基本组成部分）的时候，因为电子自旋方向的不同，会对探针造成不同的吸引力或排斥力，进而造成对探针的弯曲或震动，和原子力显微镜一样，经过电脑运算就能看出材料的磁性分布。

但磁力显微镜要离观测物品稍微远一点，要与其距离10nm以上，不然范德华力就会和磁力相互干扰。根据探针与观测物体的距离不同，以及探针材料的变化，探针前端与物体的作用力可以是范德华力、磁力，也可以是静电力、弹性力、原子间的斥力等等。

通过这些“随机组合”，原子力显微镜其实已经是一个大家族了，统称为扫描探针显微镜家族(SPM Family)，不仅可以高分辨率表征样品表面形貌，还可分析与作用力相应的表面性质。