多功能材料微區原位表征系統

‍‍多功能材料微區原位表征系統-FusionScope‍‍

在多數情況下，為確認不同參數之間的相關性，樣品分析通常使用多種技術手段。對于AFM和SEM成像技術而言，這意味著在實際操作中需要對相同的區域進行對比分析。2022年10月，美國Quantum Design公司重磅推出多功能材料微區原位表征系統-FusionScope，將SEM和AFM技術融合在一臺設備上。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來分析樣品上的同一位置，而是在同一用戶界面內、同一位置進行‍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點。它能夠實現標準AFM的測量模式，包括接觸、動態和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，并獲取所需的數據。通過更換懸臂，AFM可輕松實現高級工作模式，例如力曲線、導電原子力顯微鏡（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行元素和化學分析，在納米及微米尺度上收集更準確的數據。結合已有的AFM/SEM，使測量更加多功能化。

FusionScope優勢

★  Quantum Design自主研發的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原位聯用，極大程度上發揮出兩種常用顯微鏡的技術優勢，實現同一時間、同一樣品區域和相同條件下的原位共享坐標測量，避免樣品轉移過程中的污染風險，特別適合環境敏感樣品；

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

★  利用SEM進行實時、快速、精準導航AFM針尖，從而實現AFM對感興趣區域的精準定位與測量。無需轉移樣品，原位進行80°AFM與樣品臺同時旋轉。

Fusi‍‍‍‍onScope特‍‍點‍‍‍‍‍‍

簡單易用

FusionScope硬件和軟件經過精心設計，不僅讓初學者快速上手，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。

共坐標系統

利用SEM進行實時、快速、精準導航AFM針尖，從而實現AFM對感興趣區域的精準定位與測量。無需轉移樣品，原位進行80° AFM與樣品臺同時旋轉。

實時剖面準確展示AFM探針和樣品相對位置

FusionScope的創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，即使是難以到達的樣品區域也可以用AFM探針非常精確地接近，從而測量形狀復雜的樣品。

自感應懸臂

FusionScope中的AFM采用自感應懸臂，無需光學對準即可提供所有懸臂電信號，實現對樣品表面進行高質量、低噪音測量。性能優異、簡單易用。自感探針可以讓電子束大限度地進入懸臂和樣品區域，實現AFM和SEM的無縫結合。

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

任務面板

FusionScope任務菜單幫助用戶快速識別和執行所需的顯微鏡操作，并提供簡單易用的向導式操作流程，幫助用戶減少調整和管理硬件的時間，將更多時間用于收集樣品圖像和數據分析。

用戶界面定制

FusionScope提供用戶友好型軟件界面，以滿足用戶或實驗的需求。軟件分為標準模式和高級模式，用戶可根據具體需求進行個性化配置。軟件支持日志功能和用戶注釋。

數據處理

每次實驗都可以將數據自動存在在一個"experiment"文件中，確保在不同計算機之間方便進行數據轉移和離線處理。在數據處理模塊中，集成了第三方數據處理軟件(例如用于AFM數據處理的Gwyddion軟件)。

設備參數

AFM

掃描范圍 XY：22 x 22 μm （閉環）

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：25X – 200,000X

探測器：In-Chamber SE Everhart-Thornley

樣品

最大樣品直徑：20 mm（12 mm 關聯工作模式）

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

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

應用領域

通過結合SEM和AFM的互補優勢，FusionScope打開了通往全新應用可能性的大門！涵蓋多個應用領域：材料科學、納米結構、半導體或太陽能電池行業、生命科學......

適用材料：納米線、2D材料、納米顆粒、電子元件、半導體、生物樣品……

材料科學

FusionScope可以針對感興趣的區域進行結構、機械、電學、磁學和化學性質分析，實現對樣品的全面表征。

使用MFM磁力顯微鏡表征磁性相位結構

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，與標準鋼相比，具有更高的機械強度和延展性。原位磁力顯微鏡（In-situ MFM）可以詳細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域進行高分辨成像。

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，并直接在感興趣區域進行EFM分析。

質量控制/失效分析

得益于其簡單的軟硬件操作及一目了然的操作流程，FusionScope可快速完成電子或半導體器件的失效分析及質量控制。

納米結構

結合高分辨率SEM和AFM，用戶可以輕松表征納米結構，如納米線，2D材料和納米顆粒等。

使用AFM原子力顯微鏡全面分析二維材料

模式：AFM Topography

樣品：石墨烯

從納米機電傳感器及光學器件的許多應用研究中，二維材料的獨立懸浮膜引起科學家的極大興趣。其表征大多依賴于掃描探針顯微鏡技術，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械干擾，這可能導致實驗結果的偏差。FusionScope可以通過在實時觀測膜變形來規避這些缺點，從而更好地獲取AFM數據。

使用FusionScope進行原子臺階表征

模式：AFM Topography, SEM

樣品: 熱解石墨（HOPG）

為了檢測樣品表面區域的最小變化，需要盡量減少AFM機械和電氣噪音的影響，這在高真空系統中尤其具有挑戰性。FusionScope性能優異，實現了真正的原子分辨率的AFM測量。

生命科學

FusionScope可以準確、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域，實現高精度物性表征，如3D形貌，剛度和粘附力等…

使用AFM原子力顯微鏡表征常規難以測量的樣品區域

模式：AFM Topography

樣品：骨骼

對難以觸及的樣品區域，進行SEM/AFM分析非常有挑戰，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測量。FusionScope可以對空隙結構進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構上，然后通過AFM實現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構上，并進行3D形貌分析。

測試數據

標準AFM

&zwj;&zwj;&zwj;&zwj;&zwj;靜態模式（接觸模式）&zwj;&zwj;&zwj;&zwj;&zwj;

在靜態模式或接觸模式下，針尖與樣品表面連續接觸，針尖針尖原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力。當針尖輕輕掃過樣品表面時，接觸的力量引起懸臂彎曲，進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

&zwj;&zwj;動態模式&zwj;&zwj;

動態模式，也稱為間歇性接觸或Tapping模式，懸臂在其諧振頻率附近振蕩。當探針靠近表面時，探針和樣品之間的相互作用導致振蕩幅度發生變化。當懸臂掃描樣品時，調整高度以保持設定的懸臂振蕩幅度，進行AFM成像。

左：在動態模式下測量的石墨烯膜的關聯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。FIRE模式基于在高于驅動頻率、但低于懸臂共振頻率的頻域中，對懸臂信號進行檢測，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導電原子力顯微鏡

標準C-AFM

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

左：硅襯底上Au電極結構的SEM圖像；中：電極結構的AFM形貌圖像；右：電極結構的電導率圖

??靜電力顯微鏡（EFM）??

靜電力顯微鏡（EFM）是一種相位成像技術，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。

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

掃描電子顯微鏡（SEM）

使用聚焦電子束，FusionScope可以實現樣品表面的高分辨率成像。憑借其高靈敏度的SE模式，FusionScope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節（右）

SEM掃描電鏡其他功能包括：

★ FusionScope可以從毫米級到納米級進行掃描，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80°，輪廓視圖顯示樣品的“側面"特征；

★ 快速分析功能，廣泛應用于生物和醫學科學、陶瓷、質量控制、失效分析、法醫學調查、生命科學和半導體檢測等應用領域。