原子力显微镜探针柄轮廓原位表征程序国际标准立项报告
EnglishTitle:InternationalStandardProposalforIn-situCharacterizationProceduresofAtomicForceMicroscopeProbeShankProfilesinNanostructureMeasurement
摘要
随着纳米科技的快速发展，原子力显微镜（AFM）已成为表面形貌分析中不可或缺的工具。然而，AFM成像质量高度依赖于探针的几何形状与控制参数，不准确的探针表征可能导致图像伪影与测量误差，严重影响纳米级结构的定量分析。为此，国际标准化组织提出本标准的制定，旨在规范AFM探针柄轮廓的原位表征方法，提升测量的可重复性与准确性。本标准涵盖两种核心方法：探针轮廓投影（PPP）与有效探针形状特征（EPSC），分别提供连续轮廓与离散特征点的定量描述。通过结合探针形状特征（PSC）与操作参数的综合分析，本标准不仅适用于常规探针质量评估，还可优化狭窄沟槽及复杂结构的深度测量。本报告的发布将为AFM技术使用者、标准化机构及纳米制造行业提供权威技术参考，推动表面分析领域的标准化与国际化进程。
关键词：
表面化学分析（SurfaceChemicalAnalysis）；
原子力显微术（AtomicForceMicroscopy）；
探针柄轮廓（ProbeShankProfile）；
纳米结构测量（NanostructureMeasurement）；
原位表征（In-situCharacterization）；
国际标准（InternationalStandard）；
探针形状特征（ProbeShapeCharacterization）
正文
一、立项背景与目的意义
原子力显微镜（AFM）凭借其纳米级分辨率与三维成像能力，已成为材料科学、生物技术及半导体工业等领域表面分析的核心工具。其成像机制依赖于探针与样品表面的相互作用，而探针尖端的几何参数（如半径与半锥角）直接影响成像质量。实际应用中，商用探针的尖端半径通常在1nm至200nm之间，与许多表面特征尺寸处于同一量级，因此探针形状的微小偏差可能导致显著测量误差。此外，AFM的距离控制机制（如反馈参数设置）会引入伪影，使有效探针形状随操作条件动态变化。
目前，探针规格通常仅以半径和半锥角等简化参数描述，无法全面反映实际复杂形状（如非对称磨损或多级结构）。这种局限性在测量狭窄沟槽、高深宽比结构或软材料时尤为突出。因此，亟需一种标准化、定量化的探针柄轮廓表征方法，以消除测量不确定性，提升数据可比性与可重复性。
本标准旨在通过两种互补方法——探针轮廓投影（PPP）和有效探针形状特征（EPSC）——实现对AFM探针柄形状的精确量化。PPP通过连续轮廓投影提供探针的整体几何信息，结合PSC参数评估探针的常规适用性；EPSC则提取离散特征点（如最突出点与临界角点），专门用于评估探针在狭窄沟槽测量中的有效性。通过建立真实探针形状模型，本标准还可支持表面形貌的反卷积重建，从测量数据中还原真实表面结构。
二、范围与主要技术内容
本标准适用于所有类型AFM探针的柄部及近尖端轮廓表征，特别针对半径大于5u0（其中u0为标准样品脊宽不确定性参数）的探针。技术内容主要包括以下方面：
1.探针轮廓投影（PPP）方法：
-通过光学或电子显微镜将探针轮廓投影至特定平面，获取连续二维轮廓数据。
-结合校准标准（如ISO10936系列）确保投影精度，量化探针的曲率半径、锥角及非对称性。
2.有效探针形状特征（EPSC）方法：
-在定义的操作条件下（如设定力、扫描速度与反馈参数），提取探针与标准样品相互作用后的离散特征点。
-通过数学模型（如最小二乘拟合或贝叶斯优化）计算探针的有效形状参数，评估其用于深沟结构测量的适用性。
3.标准化验证流程：
-要求使用标准参考样品（如纳米光栅或周期性结构）进行方法验证，确保实验室间数据一致性。
-规定数据报告格式，包括不确定性分析（遵循GUM标准）与操作参数记录。
本标准不适用于探针尖端半径小于1nm的超高分辨率探针（需结合其他技术如电子显微镜），但通过规范化的表征流程，可为AFM用户提供探针选择、使用与更换的科学依据，显著降低测量误差。
参与修订的主要单位介绍
全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）
作为本标准制定的核心机构，SAC/TC279负责中国纳米技术领域的标准化工作，与国际标准化组织（ISO）及国际电工委员会（IEC）保持密切合作。委员会由中国科学院国家纳米科学中心牵头，汇聚了清华大学、北京大学、中国计量科学研究院等顶尖科研院所及行业龙头企业（如中芯国际、