島津原子力顯微鏡技術發(fā)展歷程

時間：2021-5-14 閱讀：618

人類探索極限的腳步從未停止。為了看得更細，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，光學成為顯微鏡的支配性規(guī)律。自十七世紀到二十世紀初，光學顯微鏡完成了幾乎所有類型的研發(fā)、設計和定型。但因為衍射極限的發(fā)現(xiàn)，似乎提高觀察的分辨率只有改進光源這一種路徑。激光的發(fā)明成為光學顯微鏡在分辨率上最后的努力。

十九世紀初電子的發(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。但是電子顯微鏡實際上可以看做光學顯微鏡在量子力學下的延伸。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透鏡，可是幾乎所有的理論結構都與光學顯微鏡一致。二十世紀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別，距離原子級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。二十一世紀的電子顯微鏡已經進入了和二十世紀光學顯微鏡同樣的境地，只能在不斷改進各部件的精度中一絲一毫地改進圖像，但無法跨越最后的鴻溝。

量子力學成為了新一代顯微鏡的理論基礎。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。它不同于光學顯微鏡和電子顯微鏡，*擺脫了對檢測介質的依賴，以微粒間的作用（電、力）為檢測信號，一舉突破了原子級別的分辨率。隨后在1985年被發(fā)明的原子力顯微鏡，更是將適用對象從金屬和半導體拓展到所有的固體。

這是一種全新的顯微方法和工具，從二十世紀八十年代末到九十年代初，全球各主要科技強國紛紛開展了掃描探針顯微鏡的研發(fā)。

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也正是在這個時期，島津開始涉足該領域。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)境帶來了分辨率的提高，但是同時也限制了樣品的測試和操作的便利性。為此，1993年，島津開發(fā)了兼容多種環(huán)境的WET-901，同時可以滿足對大氣環(huán)境、真空環(huán)境、特殊氣氛、液體環(huán)境、電化學環(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到，隨著原子力顯微鏡的不斷完善，微區(qū)觀測技術必然會對原位分析產生重要的影響。因此，島津持續(xù)不斷地改進環(huán)境控制艙，應對不同時期科研領域的需求。

緊接著在1995年，島津推出了成功的SPM-9500系列。二十世紀九十年代中后期是原子力顯微鏡大發(fā)展的時期，各種掃描模式從實驗室走向實用。從1995年2001年，島津SPM-9500系列也歷經SPM-9500、SPM-9500J、SPM-9500J2、SPM-9500J3四個型號，不斷吸收新的功能模式。同時，該系列具備的自動進針和頭部滑動機構也在操作性上更優(yōu)，這些特點使得該系列成為了一個長壽的產品。

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

在這個時期，商用原子力顯微鏡陷入了一個發(fā)展瓶頸，功能模式固化，應用領域受限，每個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體工業(yè)的需求，有的則在生命科學領域進行研發(fā)。

島津也在思考什么才是原子力顯微鏡的發(fā)展根本？

不識廬山真面目，只緣身在此山中。經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指標。于是在2014年推出了調頻型原子顯微鏡SPM-8000FM并在2017年升級為SPM-8100FM。該系列最核心的技術是調頻控制探針，利用頻率對作用力的分辨率和反饋速度遠高于振幅的特點，實現(xiàn)了在大氣和液體環(huán)境中原子/分子級的分辨率。