原子力显微镜(AFM)纳米球形探针：解锁二维材料纯净界面的神奇“纳米画笔”
在当今的信息社会，芯片堪称核心技术的基石。随着人工智能与大数据的蓬勃发展，芯片技术所面临的挑战愈发严峻，其性能要求也不断被推至新的高度。然而，当芯片与晶体管的尺度不断缩小，曾精准预测半导体芯片产业发展的摩尔定律正逐渐失去效力。基于硅材料的集成电路，在制造工艺与物理效应方面均遭遇了诸多棘手难题。在制备工艺层面，光刻技术的分辨率与精度已逼近物理极限，离子注入的精度把控愈发困难，而刻蚀过程所造成的表面粗糙度，会引发散射效应，进而显著降低载流子的迁移率。从物理机理角度而言，热载流子效应与量子隧穿效应随着器件尺寸的缩小愈发显著，这些非理想效应不仅会削弱晶体管的性能与可靠性，还会导致运行功耗大幅增加，甚至可能干扰电路信号的传输速度与时序的正常运行，使得整个芯片系统的稳定性受到严重威胁。
范德华异质结技术作为下一代芯片器件以及后摩尔时代电子器件的核心技术路线之一，展现出广阔的应用前景，能够广泛渗透到众多电子信息领域。在电子器件领域，范德华异质结可用于制造高性能的场效应晶体管、逻辑电路和传感器，助力实现低功耗、高迁移率和高灵敏度的性能突破。在光电器件领域，基于二维材料的异质结结构可用于构建太阳能电池、发光二极管和光电探测器，显著提升光吸收效率和发光性能，为光电转换与显示技术带来革新。此外，范德华异质结技术在多个前沿领域也展现出重要的应用潜力。在能源存储领域，可用于优化锂离子电池和超级电容器的性能；在量子技术领域，为量子计算和量子通信提供关键材料支持；在生物医学领域，可用于开发高性能生物传感器和药物传递系统，为跨学科应用开辟新的路径。
二维材料范德华异质结(2D Materials Van der Waals Heterostructures)是由两种或多种不同二维材料在原子级别上堆叠形成的结构，通常这些材料具有不同的物理和化学特性。通过精确控制这些二维材料的堆叠方式、晶格匹配、层数等参数，可以调控其电子器件的载流子输运、宽频带的光吸收特性和材料的能带结构等等性能。然而，在制备与转移过程中，材料表面不可避免地会受到污染，气泡、聚合物残留及其他杂质如同画布上的污渍，不仅破坏了材料的层间耦合，还遮蔽了其潜在的优异性能。
二维材料如同一张纤薄而精致的“纳米画布”，每一层都承载着独特的光电特性。而污染物就像在画布上滴落的斑点，既影响其本征特性，也妨碍了后续的功能实现。如何高效、无损地清除这些污染物，让这张“纳米画布”恢复其纯净本色，成为科学家面临的重要挑战。
针对这一技术瓶颈，浙江大学ZJUI学院长聘副教授与集成电路学院徐杨教授合作带领团队研发出一种基于纳米球型原子力显微镜(AFM)探针的清洁技术，能够实现几乎无损的二维材料异质结界面的清洁，该工作近日在国际知名期刊《Nanoscale》发表,Nanoscale, 2025, 17, 3095 – 3104 , DOI: 10.1039/d4nr03583f。第一作者为ZJUI博士生丁小蕾，通讯作者为胡欢副教授、徐杨教授。如图所示：
传统金字塔型探针：“刻刀”的局限
目前，基于原子力显微镜（AFM）的探针接触模式清洁技术已成为二维材料表面清洁的重要工具。传统AFM探针是尖探针包括金字塔型和其他锥形探针以其高精度与实时观测能力备受关注。然而，它的清洁方式更像一把“刻刀”：通过极小的接触面积施加高强度压力，虽然能够清除部分污渍，但却极易在材料表面留下划痕，甚至造成不可逆的损伤，尤其是在清理大气泡或顽固污染物时显得力不从心。
纳米球形探针：二维材料的“纳米画笔”
为突破传统探针的局限，研究团队开发了全新的纳米球形探针（Nano-Spherical Probe）。相比传统金字塔型探针的“刻刀式”清洁，纳米球形探针更像一支“画笔”，通过均匀而轻柔的接触，将污染物从“画布”上拂去，同时保护了二维材料的结构完整性。
纳米球形探针的核心技术突破在于其几何设计和压力分布优化：
1. 更大的接触面积： 相较于尖锥形探针，球形探针通过更大的接触面积分散作用力，大幅降低了单位压力，从而减少了对材料表面的机械损伤。
2. 均匀的压力分布： 通过赫兹接触模型计算，我们制备出的纳米球形探针能够在清洁过程中实现更加均匀的压力分布，从而高效移除污染物的同时保护材料的原子级结构。
3. 最小化的无损清洁： 这种优化的接触模式使得纳米球形探针在清洁复杂表面（如二维材料的气泡、聚合物残留）时表现出卓越性能，避免了尖锥探针在大气泡清洁中难以覆盖、甚至造成表面损伤的问题。
实验数据：纳米球形探针的优越性能
在二硫化钼/六方氮化硼（MoS₂/hBN）样品上的应用实验中，纳米球形探针展现了以下显著成果：
1. 光致发光性能的提升：
未清洁样品的光致发光（PL）全宽半高（FWHM）为0.115 eV，表明界面污染物对材料光学性能的显著抑制；清洁后的样品FWHM 降至0.08 eV，减少了30%，显示材料表面的污染物被有效去除，光学均匀性显著改善。
2. 光学数据的一致性：
未清洁样品的PL标准差为 0.02773，表明样品表面污染物对光学性能造成了不均匀的影响；清洁后样品的PL标准差降至 0.00531，仅为未清洁样品的 19%，表明界面光学性能更加一致。
3. 最小化清洁损伤：
SEM和KPFM图像分析表明，经过纳米球形探针清洁的二维材料表面在物理形貌和电性能上均保持高度一致性。SEM数据显示，其表面无划痕或晶体损伤，而KPFM结果进一步验证了材料的电势分布均匀性未受清洁过程影响，说明纳米球形探针不仅能够高效去除污染物，还在保持材料表面形貌完整性和电学性能稳定性方面具有显著优势。
文章认为纳米球探针技术通过精确控制接触力和压力分布，能够有效优化电子器件的界面、清除表面污染物，并抑制缺陷的产生。因此，后续的研究将重点关注石墨烯与硅界面以及过渡金属硫化物场效应晶体管（FETs）等器件，通过进一步实验验证和优化，期望在提升电子传输效率、降低开关阈值和提高载流子迁移率等方面取得突破。这一研究将为提升未来电子器件性能和可靠性提供新的方法。
纳米球形探针的应用前景与挑战
尽管纳米球形探针展现了卓越性能，其大规模应用仍面临一些实际挑战：
1. 制造成本： 当前纳米球形探针的生产依赖聚焦离子束（FIB）加工工艺，工艺复杂且成本较高。未来，需要通过优化制造工艺，提升探针的批量化生产能力，以降低使用成本。
2. 清洁效率： 与热退火、化学清洗等大面积清洁方法相比，基于探针的清洁方式处理速度相对较慢。未来可以尝试将纳米球形探针与其他清洁技术（如化学气相沉积或低温等离子体）结合，提升其在工业中的实用性。
丁小蕾，目前在浙江大学集成电路学院攻读博士学位，师从胡欢副教授和徐杨教授。在电子科技大学获得学士学位，她专注在纳米球形探针制造和应用领域尤其是高精度纳米加工与二维材料表面研究。她在聚焦离子束（FIB）技术领域表现出色，擅长设计和制造高纵横比纳米结构及具有特殊几何形状的纳米探针，特别是在纳米球形探针的应用上取得了突出成果。她的研究方向主要围绕二维材料的高效无损清洁技术，致力于解决材料转移过程中界面污染与缺陷问题。
胡欢，浙江大学长聘副教授/博导。清华大学本科和硕士学位，美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区(UIUC)博士学位，美国IBM沃森研究中心博士后。主要研究先进纳米制造技术，仿生学微纳米传感器和集成纳米技术的芯片实验室技术。已发表86篇同行评审论文在著名杂志如PNAS、Advanced Materials、 Nature Communications、Nanotechnology等。已申请29项美国专利(19项授权)和11项中国专利(6项授权)，其中2项发明已转化为科技初创公司。2023年获得中国发明协会“发明创业奖项目奖”铜奖。担任中国仪器仪表学会微纳器件与系统分会理、中国微米纳米技术学会微纳米测量与仪器分会 理事、以及浙江省光学学会理事。实验室网页: http://person.zju.edu.cn/huanhu
徐杨，浙江大学求是特聘教授，浙大集成电路学院教授，国家高层次人才。美国光学学会会士（Optica/OSA Fellow）、英国物理学会会士（FInstP）、英国皇家化学会会士(FRSC)，英国工程技术学会会士（FIET）、IEEE NTC杰出讲座学者(IEEE NTC Distinguished Lecturer)。硅及先进半导体材料全国重点实验室成员, ZJU-UIUC Joint Institute兼聘教授, UCLA访问教授，剑桥大学丘吉尔访问学者，美国UIUC电子工程系博士和硕士，清华大学电子工程系学士。长期致力于硅基异质集成器件与芯片的前沿基础研究，在Nature Electronics, Nature Nanotechnology等期刊和IEDM等会议上发表论文160余篇，出版Wiley专著1部，发明专利授权30余项, 受邀在Nature Photonics、Chemical Reviews发表评论和综述。承担国家自然科学基金区域联合重点项目和国家重点研发计划课题等。担任Photonics Research、IEEE T-ED、Sensors and Actuators A: Physical等期刊副主编（Associate Editor）, IEEE EDS光电器件和IEEE NTC纳米电子技术委员会委员等。实验室网页：http://person.zju.edu.cn/yangxu