近期，老牌期刊< Sensors and Actuators A: Physical >刊載了C. Ranacher等人題為Mid-infrared absorption gas sensing using a silicon strip waveguide的文章。此研究工作的目的是發(fā)展種能夠與當(dāng)代硅基電子器件方便集成的新型氣體探測(cè)器，探測(cè)器的核心部分是條狀硅基光波導(dǎo)，工作的機(jī)理是基于條狀硅基波導(dǎo)在中紅外波段的倏逝場(chǎng)傳播性會(huì)受到波導(dǎo)周?chē)鷼夥盏淖兓l(fā)生改變這現(xiàn)象。C. Ranacher等人通過(guò)有限元模擬以及時(shí)域有限差分方法，設(shè)計(jì)了合理的器件結(jié)構(gòu)，并通過(guò)系列微加工工藝獲得了原型器件，后從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這種基于條狀硅基光波導(dǎo)的器件可以探測(cè)到濃度低至5000 ppm的二氧化碳?xì)怏w，在氣體探測(cè)方面具有*的可行性（如圖1、圖2）。

圖1：硅基條型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：氣體測(cè)試平臺(tái)示意圖

參考文章：
Mid-infrared absorption gas sensing using a silicon strip waveguide
 

    值得指出的是，對(duì)于光波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)表面的粗糙程度對(duì)結(jié)構(gòu)的固有損耗有大的影響，常需要結(jié)構(gòu)的表面足夠光滑。傳統(tǒng)的SEM觀測(cè)模式下，研究者們可以獲取樣品形貌的圖像信息，但很難對(duì)圖像信息進(jìn)行量化，也就無(wú)法定量對(duì)比不同樣品的粗糙度或定量分析粗糙度對(duì)器件性的影響。本文當(dāng)中，為了能夠準(zhǔn)確、快捷、方便、定量化地對(duì)光波導(dǎo)探測(cè)器不同部分的粗糙度進(jìn)行表征，C. Ranacher等人聯(lián)系到了維也納技術(shù)大學(xué)，用該校電鏡中心擁有的掃描電鏡原位AFM探測(cè)系統(tǒng)AFSEM™（注：奧地GETec Microscopy公司將掃描電鏡原位AFM探測(cè)系統(tǒng)命名為AFSEM，并已注冊(cè)商標(biāo)AFSEM™），在SEM中選取了感興趣的樣品部分并進(jìn)行了原位AFM形貌輪廓定量化表征，相應(yīng)的結(jié)果如圖3所示，其中硅表面和氮化硅表面的粗糙度均方根分別為1.26 nm和1.17 nm。有了明確的量化結(jié)果，對(duì)于不同工藝結(jié)果的對(duì)比也就有了量化的依據(jù)，從而可以作為參考，化工藝；另方面，對(duì)于考量由粗糙度引起的波導(dǎo)固有損耗問(wèn)題，也有了量化的分析依據(jù)。

圖3：(a) Taper結(jié)構(gòu)的SEM形貌圖像；(b) Launchpad表面的衍射光柵結(jié)構(gòu)的SEM形貌圖像；

(c) 原位AFM表征結(jié)果：左下圖為氮化硅層的表面輪廓圖像，右上圖為硅基條狀結(jié)構(gòu)的表面輪廓圖像；

(d) 衍射光柵的AFM輪廓表征結(jié)果
 

    通過(guò)傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡，研究者們可以直觀地獲取樣品的形貌圖像信息。不過(guò)，隨著對(duì)樣品形貌信息的定量化表征需求及三維微納結(jié)構(gòu)輪廓信息表征的需求增多，能夠與傳統(tǒng)顯微手段兼容并進(jìn)行原位定量化輪廓形貌表征的設(shè)備就顯得愈發(fā)重要。另方面，隨著聚焦電子束（FEB，focused electron beam）、聚焦離子束（FIB，focused ion beam）技術(shù)的發(fā)展，對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)定域加工的各類(lèi)工藝被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于微納米技術(shù)域的相關(guān)研究當(dāng)中。通常，在FIB系統(tǒng)當(dāng)中能夠獲得的樣品微區(qū)物性信息非常有限，如果要對(duì)工藝處理之后的樣品進(jìn)行微區(qū)定量化的形貌表征以及力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性分析，往往需要將樣品轉(zhuǎn)移至其他的物性分析系統(tǒng)或者表征平臺(tái)。然而，不少材料對(duì)空氣中的氧氣或水分十分敏感，往往短時(shí)間暴露在大氣環(huán)境中，就會(huì)使樣品的表面性發(fā)生變化，從而無(wú)法獲得樣品經(jīng)過(guò)FIB系統(tǒng)處理后的原位信息。此外，有不少學(xué)科，需要用FIB對(duì)樣品進(jìn)行逐層減薄并配合AFM進(jìn)行逐層的物性定量分析，在這種情況下需要反復(fù)地將樣品放入FIB腔體或從FIB腔體中去除，而且還需要對(duì)微區(qū)進(jìn)行定標(biāo)處理，非常麻煩，并且同樣存在樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程當(dāng)中在大氣環(huán)境中的沾污及氧化問(wèn)題。有鑒于此，種能夠與SEM或FIB系統(tǒng)快速集成、并實(shí)現(xiàn)AFM原位觀測(cè)的模塊，就顯得非常有必要。

    GETec Microscopy公司致力于研發(fā)集成于SEM、FIB系統(tǒng)的原位AFM探測(cè)系統(tǒng)，已有超過(guò)十年的時(shí)間，并于2015年正式推出了掃描電鏡原位AFM探測(cè)系統(tǒng)AFSEM™。AFSEM™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(cè)器，即可實(shí)現(xiàn)AFM的功能，從而能夠方便地與市場(chǎng)上的各類(lèi)光學(xué)顯微鏡、SEM、FIB設(shè)備集成，在各種狹小腔體中進(jìn)行原位的AFM輪廓測(cè)試（圖4、圖5）。另方面，通過(guò)選擇懸臂梁的不同功能型針尖（圖6、圖7），還可以在SEM腔體中，原位對(duì)微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁學(xué)、力學(xué)、電學(xué)性觀測(cè)，滿(mǎn)足研究者們對(duì)各類(lèi)樣品微區(qū)性的表征需求。對(duì)于聯(lián)用系統(tǒng)，相信很多使用者都有過(guò)不同系統(tǒng)安裝、調(diào)試、匹配過(guò)程繁瑣的經(jīng)歷，或是聯(lián)用效果差強(qiáng)人意的經(jīng)歷。不過(guò)，對(duì)于AFSEMTM系統(tǒng)，您*不必有此方面的顧慮，通過(guò)文章下方的視頻，您可以看到AFSEM™安裝到SEM系統(tǒng)的過(guò)程十分簡(jiǎn)單，并且可以快速的找到感興趣的樣品區(qū)域并進(jìn)行AFM的成像。

圖4：(左)自感應(yīng)懸臂梁工作示意圖；（右）AFSEMTM與SEM集成實(shí)圖情況
 

 圖5：AFSEMTM在SEM中原位獲取骨骼組織的定量化形貌信息

圖6：自感應(yīng)懸臂梁與功能型針尖（1）

圖7：自感應(yīng)懸臂梁與功能型針尖（2）

    目前Quantum Design中國(guó)子公司已將GETec掃描電鏡原位AFM探測(cè)系統(tǒng)AFSEM™引進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)。AFSEM技術(shù)與SEM技術(shù)的結(jié)合，使得人們對(duì)微觀和納米新探索新發(fā)現(xiàn)成為可能。