激光检测原子力显微镜的研制

扫描探针显微术(SPM)的基本原理最初在50年代由J.A.O'Keefe提出,1982年,Binnig和Rohrer等人研制成功第一台SPM——扫描隧道显微镜(STM),并因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。此后,Binnig又与Quate等人合作,于1986年推出第一台原子力显微镜(AFM)。和STM不同,AFM是通过探测微探针针尖与被测物质表面原子之间微弱的相互作用力来得到物质表面形貌的信息,不需在样品与探针之间形成电回路,不受样品导电性的限制,因而其应用领域更为广阔。目前,AFM已发展成为一种十分重要的表面分析     

二维材料限域水的扫描探针技术研究进展

界面水在自然界和工业发展中无处不在,其结构以及动态性质在众多的界面反应中起着重要的作用.因此,研究固体界面上水的微观结构和动态行为对理解水-固界面上诸多奇特的物理与化学性质十分关键.二维材料限域水是近年来新兴的一类界面水研究对象,即利用超薄的二维材料作为覆盖层,以扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)技术对基底上的水分子进行表征,突破了长期以来SPM对界面水研究中易产生扰动的限制,开辟了在大气条件下研究界面水的新道路.本文简述了近年来SPM在二维材料限域水领域的研究进展,包括对限域水结构的成像、动态行为的探测、限域水的纳米操纵,以及限域水对上层二维材料性质的影响等,同时对二维材料限域水SPM研究面临的挑战和未来的研究方向,以及相关的应用前景作了展望.     

四探针扫描隧道显微镜

据国家自然科学基金委员会2006年8月18日报道，中科院物理所高鸿钧小组自行设计与研制了可原位生长、构造和研究介观体系的电、光、力学特性的分子束外延一四探针扫描隧道显微镜（MBE-4P—STM）联合系统，在国际上独具特色。该系统可在超高真空环境下制备与构造纳米体系，可用扫描隧道显微镜对其表面电子结构进行表征．用四探针方法研究电子输运性质，同时可研究纳米结构的光学特性，为系统地研究介观小尺度体系的物理、化学性质提供了强有力的工具，目前初步取得了一些有意义的研究结果。     

扫描质子探针与中子活化分析在低品位铂矿赋存状态研究中的应用

低品位铂矿(Pt<1×10~(-6))是铂赋存状态研究的一大难点.其主要原因是样品中铂含量低,铂矿物颗粒常又细微,使得光学显微镜和电子探针等常规观察和检测手段无能为力,严重影响了对这类铂矿床的研究和开发工作.扫描质子探针(SPM)和中子活化分析(NAA)是铂矿研究的有力工具.特别是新近发展起来的SPM,具有10~(-6)级的检出能力和微米级的空间分辨率,是铂的微区微量分析的有效手     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

纳米尺度的数据存储

对当前的磁、光存储技术及基于扫描探针显微镜（SPM）的超高密度存储技术进行了介绍，并对它们各自的存储机理及发展前景进行了分析比较。磁、光存储技术将追求更小的信息位尺度，面临接近其原理上的起顺磁效应限制和光的衍射极限的限制。SPM具有原子级分辨及纳米加工能力，被广泛应用于信息的存储机理研究及存储器件的设计，成为超高密度信息存储的研究热点。     

低能弹道电子对Au/Si界面电子透射性质影响的研究

金属/半导体界面的结构及性质一直是人们十分关注的研究领域,随着微电子技术的飞速发展,在微米、甚至纳米的微观尺度上研究探测界面的性质已经变得日益重要,弹道电子发射显微镜(Ballistic-electron-emission microscope,以下简称BEEM)是在扫描隧道显微镜(STM)基础上发展起来的一种最新的界面研究实验技术,如图1所示的BEEM实验采用的三电极系统中,STM针尖向沉积在半导体基底上的一层薄金属膜发射电子,运用平面隧道结WKB近似及测不准原理可以计算出,针尖发射的电子束在到达界面时其束径约为纳米量级,因此BEEM能够在纳米尺度上探测样品界面电子性质的分布特性.如果将探针定位于样品表面某点上,在保持针尖和样品表面的隧道电流I_t恒定的情况下扫描针尖电压V_t,还可获得得弹道电流互I_c与电子能量V_t的关系,称为弹道电子发射谱(Ballistic-electron-emmisison spectroscope,简称为BEES),BEES不仅反映出被探测纳米尺度区域界面的肖特基势垒高度,而且还提供了电子从发射针尖到半导体内部整个传输过程的有关信息,包     

同步辐射X射线荧光微探针用于骨质疏松股骨头切片元素分布的研究

使用同步辐射X射线微探针技术对正常和骨质疏松股骨头切片元素浓度分布进行扫描测量. 详细介绍了切片样品的制备和扫描实验装置, 获得了Ca, P, K, Fe, Zn, Sr和Pb等元素在股骨头切片组织中(包括软骨、密质骨和松质骨)的精细分布CT成像, 结合Ca与P, K, Zn和Sr等元素的相关性统计, 探讨了骨矿物质流失途径和元素对维持正常骨结构的生理功能.     

云母片上硬脂酸LB膜扫描力显微镜的研究

LB膜技术是利用特殊的装置将有机分子以单分子层的形式转移到固体的表面,形成具有规则排列的单层或多层.这些超薄的有机分子膜由于其特殊的物理化学性质,近年来已得到广泛的研究和应用.深入研究这些物质的性质,排列状态,对于加深理解有机超薄分子膜的物理化学性质无疑是十分必要的.扫描探针式显微镜SPM(包括扫描隧道显微镜STM和扫     

快速与精确的AFM探针模型重构研究

在AFM扫描成像中,由于探针具有展宽效应等因素,导致扫描图像失真.从数学形态学角度看,可以认为真实图像失真是受到了探针针尖形貌卷积的作用,因而不能反映样品表面的真实形貌.采用反卷积运算处理可以排除这类扫描成像干扰,但需要准确知道探针针尖形貌,这对于AFM纳米扫描图像的精确重构具有实际意义.在已有的探针建模算法中,基于数学形态学的盲建模算法得到了广泛使用,然而该算法存在运算时间较长,最优降噪门限阈值很难确定等问题.针对这些问题,提出一种新的盲建模方法,可以提高盲建模运算速度,并且实现AFM扫描图像的精确重构.仿真和实验结果证明了上述研究方法的可行性和有效性.     

快速与精确的AFM探针模型重构研究

在AFM扫描成像中, 由于探针具有展宽效应等因素, 导致扫描图像失真. 从数学形态学角度看, 可以认为真实图像失真是受到了探针针尖形貌卷积的作用, 因而不能反映样品表面的真实形貌. 采用反卷积运算处理可以排除这类扫描成像干扰, 但需要准确知道探针针尖形貌, 这对于AFM纳米扫描图像的精确重构具有实际意义. 在已有的探针建模算法中, 基于数学形态学的盲建模算法得到了广泛使用, 然而该算法存在运算时间较长, 最优降噪门限阈值很难确定等问题. 针对这些问题, 提出一种新的盲建模方法, 可以提高盲建模运算速度, 并且实现AFM扫描图像的精确重构. 仿真和实验结果证明了上述研究方法的可行性和有效性.     

同步辐射X射线荧光微探针用于骨质疏松股骨头切片元素分布的研究

使用同步辐射X射线微探针技术对正常和骨质疏松股骨头切片元素浓度分布进行扫描测量。详细介绍了切片样品的制备和扫描实验装置，获得了Ca,P,K,Fe,Zn,Sr和Ｐb等元素在股骨头切片组织中（包括软骨、密度骨和松质骨）的精细分布ＣＴ成像，结合Ca与P,K,Zn和Sr等元素的相关性统计，探讨了骨矿物质流失途径和元素对维持正常骨结构的生理功能。     

纳米生物医学成像表征与医学功能生物界面

基于微尺度(微/纳米)功能生物界面的成像与表征,集成并发展了以原子力显微镜、环境扫描电子显微镜等纳米源头技术为主导的,具有相互协同、验证、补充的多信息、多层次联合成像、表征及微加工设备功能群,实现了活体生物界面微尺度成像与表征方法学上的突破.进而,强调"医学功能界面"的概念,针对血管、骨和肿瘤相关医学功能界面,深入开展"微尺度构建-功能-力学耦合机制"研究.在此基础上,受血管内皮细胞为载体的血流/血液/血管相互作用功能界面的启发,实现黏附可控医学功能界面的仿生设计与制备;同时在中医"补气活血"理论的指导下,开辟"生物力药理学"这一新的交叉研究领域,强调生物力学因素在药理学研究和临床诊疗活动中的重要作用,建立可作为Biomarker另一类形式的临床样品微尺度力学参数指标,并倡导将"实验台/病床"双向引导的转化医学模式实施于诊断与治疗中.     

用强磁性FePt薄膜制作高性能磁力显微镜探针

磁力显微镜能够在几十纳米以下程度分辨磁性薄膜表面附近的漏磁场分布,已经成为获取亚微米尺度微粒子内部磁畴结构信息的有力工具.目前普遍使用的磁力显微镜探针,其矫顽力一般在0.3~1kOe之间.受被测材料磁性的影响,这样的探针稳定性很差.用FePt合金制作的磁     

化学镀钴基垂直磁化膜的磁力显微镜研究

垂直磁记录是一种高密度的磁记录方式.从实用的角度出发,逢坂弥哲在1981年提出了用化学镀方法制备CoNiMnP垂直磁化膜;薄膜的磁结构对其磁记录性能具有直接影响.磁力显微镜(MFM)是扫描探针显微术(SPM)的一种,通过控制磁性针尖在样品表面的扫描可获得表面磁场信息,它被较多地应用于研究磁头和磁盘或其他存储介质上的数据位结构,例如数据位的大小和形状、介质噪音、重写和材料承受高密度存储的能力,获得有关磁头性能及存储介质质量的的信息,分辨率优于25nm.MFM的一个主要优点是不需要特殊的样品制备技术,甚至样品表面可以裹镀非磁性薄层.我们根据多年研究制定的工艺参数,镀制了几种不同的CoNiMnP膜,对其形貌、磁性能等作了观察和分析,并用MFM观察和分析了这     

飞秒激光诱导钛表面可控微纳结构用于水下气泡操纵

针对典型金属材料钛,利用自主搭建的飞秒激光振镜扫描加工系统,加工了具有特定形貌特征的多尺度微纳结构.在此基础上对多尺度微纳结构的可逆润湿性及水下气泡操纵特性进行了实验探究,并从微观界面化学的角度阐释了可逆润湿性的调谐机理.研究结果表明:在飞秒激光烧蚀挤压作用下,钛表面诱导的多尺度微纳结构对原始表面的润湿性具有放大效应,固液接触角减小,水下气泡接触角增大;在辅助加热条件下,固液接触角增大,水下气泡接触角同时减小,气泡在表面完全铺展;随后将超疏水表面置于紫外灯下曝光,多尺度微纳结构上的液体接触角又开始减小,并最终实现了超疏水到超亲水性以及水下超亲气到超疏气的可逆调谐.另外,液体接触角与水下气泡接触角的可逆调谐特性呈现相反的变化趋势,这与固液气三相接触线的移动机制密切相关.本文对实现钛表面微纳结构设计与调控,提高具有可逆润湿性的金属表面在水下气泡操纵与收集,以及污水处理等领域的应用都具有重要意义.     

多物理场驱动微纳马达的运动机理及应用

多物理场驱动微纳马达是一种介于纳米和微米尺度的致动器,它能够将化学能、磁能、电能、光能、热能以及超声能转换为机械能,从而实现其在靶向药物运输、粒子离散、生物传感、仿生制造以及环境修复等领域的应用.本文评述了近年来我国微纳马达运动控制领域重要的研究进展和代表性成果,以及微纳马达在各领域的应用研究,阐述了微纳马达当前存在的关键性问题,并探讨了微纳马达未来的应用前景及发展方向和趋势,为深入开展微纳马达的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考.     

单分子病毒三维可控操作方法

单个病毒的三维操作对自下而上开展单分子尺度的细胞免疫学研究具有重要的意义,然而受操作工具及操作方法的限制,该问题一直未能得到很好的解决.以基于原子力显微镜的纳米操作机器人为基础,开展了针对单个病毒分子的三维操作研究,具体包括:高均匀分散性病毒样品制备方法,基于局部扫描的病毒三维操作结果实时检测策略,以及微观尺度下病毒三维空间的定点放置实现.实验结果表明,本文提出的操作方法与技巧,不仅能够实现单个病毒分子在三维空间内的可控定点拾取与释放,还可与二维操作方法相结合,构建出全病毒分子的三维纳米结构,实验结果验证了所提方法的正确性和有效性,从而为自下而上的细胞免疫学开展提供了可行的技术途径.     

聚合物电解质包裹金核银壳纳米棒制备双模式光学细胞成像探针

报道了一种新型的荧光及表面增强拉曼散射(SERS)双模式光学成像探针. 该探针以金核银壳纳米棒为SERS增强基底, 其表面标记拉曼分子产生SERS信号. 随后通过层层吸附的方法在标记了拉曼分子的金核银壳纳米棒表面包裹聚合物电解质. 最后在聚合物电解质层上连接异硫氰酸荧光素产生荧光信号. 将探针置入HeLa细胞, 实现了荧光、SERS双模式成像. 该探针具有以下优点: (1) 能产生荧光、SERS两种信号, 实现双模式光学成像; (2) 金核银壳纳米棒具有优异的SERS增强能力, 使得探针进入活细胞后仍能提供高信噪比的SERS信号; (3) 聚合物电解质在形成隔离层避免荧光信号被金属淬灭的同时, 提高了探针的生物兼容性. 这种双模式光学成像探针在药物输运和肿瘤靶向等研究中具有重大的应用前景.     

分散体系中液滴间力学行为

分散体系的物理及化学性质依赖于分散相液滴聚并、液膜排液等微观过程,而借助于扫描探针显微镜(SPM),通过模拟分散液滴的布朗运动,可以从液滴力学行为的角度对这些现象加以研究.本文综述了SPM技术在研究可变形介质间动态作用力、变形及聚并方面的发展及现状,介绍了相关技术及在可变形介质相互作用力测量方面的应用,阐述了近年来液滴间DLVO力、非DLVO力、动水作用力等方面的研究进展,并对该方向上取得的关键成果进行了评述,在此基础上,对相关技术的发展方向及亟待开展的研究进行了展望.