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扫描电子显微镜

Scanning Electron Microscope

 
 
 
 
 

日志

 
 

近场声学显微镜成熟商品的“中国创造”——访中科院上海硅酸盐研究所殷庆瑞研究员  

2011-06-21 10:27:17|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  2011年3月7-14日,中科院上海硅酸盐研究所研制的纳米热学-声学显微镜成像系统亮相国家“十一五”重大科技成就展,并引起了业内人士、专业媒体多方面关注。据了解,该项目负责人殷庆瑞研究员以自行研制的材料和器件为核心技术,已成功研发出多台具有自主知识产权的大型科学仪器设备,如扫描电声显微镜(SEAM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)、扫描热学显微镜(SThM)、激光-光声测量仪、超声雾化器等。

  其中,扫描电声显微镜创新性地将电子显微术(SEM)与声学显微术(SAM)“合二为一”,被称为该领域全球唯一成熟的商品化扫描电声显微镜,现已荣获国家技术发明二等奖、国际工业博览会银奖以及中科院自然科学一等奖等殊荣。目前,该款仪器已成功更新至第IV代,分辨率达到200nm,在国内相关的企事业单位得到了实际应用,并出口到美国、德国、日本、台湾、新加坡等地,成为“我国大型科学仪器出口到发达国家和地区的一个成功范例”。

  近日,仪器信息网就声学显微镜成像技术与仪器的研制、应用、产业化等问题,专门采访了中科院上海硅酸研究所殷庆瑞研究员。

近场声学显微镜成熟商品的“中国创造”——访中科院上海硅酸盐研究所殷庆瑞研究员 - 驰奔 - ------DEMA 驰奔-------

中科院上海硅酸盐研究所殷庆瑞研究员

潜心数载攻难关 成功研发世界先进水平扫描电声显微镜

  扫描电声显微镜是一种多功能、高分辨率的显微成像仪器,兼具电子显微术高分辨率和声学显微术非破坏性内部成像的特点,拥有广阔的市场应用前景。殷庆瑞研究员瞄准市场需求,创造性地把电子光学技术、弱信号检测技术、图像处理技术及计算机技术有机融为一体、先后研制出具有自主知识产权的四代扫描电声显微镜,并获得国内外多项大奖。

  对于扫描电声显微镜的研发初衷,殷庆瑞研究员回忆到:“1979-1981年,我被派往英国牛津大学的Clarendon实验室和材料系做访问学者。在那里,我发现同行们都是自行研制仪器做科研,发现的物质结构或实验结果也颇具创新性。相比之下,国内大多是购买现成仪器搞科研,实验结果自然也雷同,很难有创新的成果。因此我决定回国后要结合具体的科研工作,按照自己的新思路,研发新仪器、建立新方法。

  “回国后,我最开始研制成功的是激光-光声测量仪,为定量表征薄膜压电性能、功能陶瓷弱相变行为和自发极化剖面分布提供了新技术,解决了当时薄膜材料性能表征的关键技术难题,获得了中科院自然科学奖二等奖。之后,我又研发出了超声雾化器,在日化工业、陶瓷制备方面得到了成功应用。”

近场声学显微镜成熟商品的“中国创造”——访中科院上海硅酸盐研究所殷庆瑞研究员 - 驰奔 - ------DEMA 驰奔-------

扫描电声显微成像系统

  在提到扫描电声显微镜的研发历程时,殷庆瑞研究员则说到:“在国家‘863’计划的支持下,我们课题组1988年在国内率先开展了扫描电声显微镜及其相关器件、材料、成像理论和应用研究,这几乎与国际同步。随后几年,整个研发团队潜心研究,攻克各类技术难关,终于研制出了扫描电声显微镜。截至目前,我们已先后完成了SEAM-I型、II型、III型、IV型四代电声成像系统的研制,分辨率已达到200nm,总体技术指标和功能均处于世界先进水平。”

  同时,殷庆瑞研究员补充到:“扫描电声显微镜可以用‘二合一’来形容,既能利用电子束探测物质的表面信息,又可以借用声波记录下物质的内部模样,兼具电子显微术高分辨率和声学显微术非破坏性内部成像的本领,可原位同时观察基于不同成像机理的二次电子像和电声像,实现‘二合一’!”

  这项成果成功将电子显微术、声学显微术、数字信号处理和高灵敏度传感技术相结合,现拥有4项国家发明专利和一项国外发明专利, 更是荣获了2005年度国家技术发明二等奖、2006年度国际工业博览会银奖以及2010年度中科院自然科学一等奖。

积极推进商品化 成为我国大型仪器出口成功范例

  近年来我国科技经费投入持续增长,每年取得的科技成果有3万多项,但多数成果却陷入了“成果-证书-鸡肋”的尴尬状况。虽然目前科学成果商品化面临诸多问题,但也有不少成功范例,殷庆瑞研究员扫描电声显微镜的成功商品化便是其中之一。据悉,目前该项成果已被推广到国内外数十家单位,被誉为“全球唯一成熟的商品化扫描电声显微镜”。

  科研成果要实现商品化,自然离不开应用开发。据殷庆瑞研究员介绍,扫描电声显微镜的横向分辨率、纵向分辨率、探测器灵敏度以及图像质量均处于国际领先水平,在评价电子陶瓷、金属、半导体、无机材料、复合材料以及功能器件时能够获得常规手段难以得到的信息,彰显了扫描电声显微成像技术在信息产生、检测和显示等方面的独特优势,当年前来访问的德国乌帕塔大学电子光学系主任巴克先生与新加坡国立大学电子光学专家彭教授也被这一独特优势深深折服。

  殷庆瑞研究员介绍:“目前,国内外科学家正是通过使用我们的扫描电声显微镜在各自研究领域内已获得了许多重大的新发现。例如,德国科学家Kohler博士首次在马氏材料上发现了铁磁畴结构及其相应的机理解释;日本筑波大学Kojima教授则首次获得了蝶形BaTiO3晶体电畴结构电声像;美国宾州大学Hang He博士和Ruyan Guo教授在不同材料上获得了铁弹畴、180°反平行周期结构畴的复合畴形态的电声像,并认为电声成像技术是研究功能材料机电耦合效应的一种独特方法;清华大学彭海东博士则观察到了金属-陶瓷复合涂层表面和亚表面显微结构的电声像。正是利用扫描电声显微镜独特的成像机理获得诸如此类的应用成果不胜枚举,而这么多的成功应用又极大地推动了扫描电镜的商品化进程。”

  对于扫描电声显微镜的产业之路,殷庆瑞研究员谈到:“最初在仪器研发成功后,我们只是停留在一种‘自给自足’状态,并没有真正地实现规模化生产,也没有主动去开拓市场。后来通过国内外的学术交流,我们收到了第一张订单,而对方竟来自电子显微镜的诞生地和主要产地——德国,这极大地鼓励了我们要把样机商品化的信心,尤其在近几年,中科院一直强调科研创新以及‘产学研用’合作。因此,我们积极与上海市高新技术成果转化服务中心联系,并与国内几家仪器公司建立了合作关系,共同推进扫描电声显微镜的商品化。而在厂商接手过程中,我们也并没有撒手不管,听之任之,而是从实验数据、应用开发再到技术培训、售后维修,我们都全程参与。双方互相信任,通力协作,推动了科研成果向产业化发展。”

  我国大型科学仪器历来依靠进口,而随着扫描电声显微镜的技术升级与商品化成熟,“中国创造”的扫描电声显微镜在中国大陆、台湾、美国、德国、日本、荷兰、新加坡等发达国家和地区的实验室里都能够找到,被誉为“我国大型科学仪器出口到发达国家和地区的成功范例”。

超越“二合一” 实现电-声-热显微镜一体化

  当今材料科学朝着纳米及精细复合方向发展,功能器件则越来越小型化、集成化,这就对材料及功能器件的评价表征方法提出了日益严峻的考验;为应对这一挑战,殷庆瑞研究员课题组“二合一”的科研工作还在一直持续着,已成功研制出扫描探针声学显微镜与扫描热学显微镜,现正在研发电-声-热显微镜“三合一”技术。

  近年来,在扫描电声显微镜的基础上,殷庆瑞研究员又带领课题组突破传统声学成像技术的概念,成功研发了低频(300Hz-3KHz)、高分辨率(10nm)扫描探针声学显微成像(SPAM),使低频声学成像技术拓展到了纳米级分辨率水平。

  对此,殷庆瑞研究员表示:“原子力显微镜(SPM)只能用于检测材料表面,而声学显微镜却可以用于材料的缺陷分析、电子结构、微区弹性等性能测试方面。随着纳米技术深入发展,我和我的团队想到了将声学技术与原子力显微镜结合,研发出了扫描探针声学显微镜。这项成果可以克服现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足,实现了材料表面及亚表面结构和物性的原位实时检测,在微、纳米材料和器件无损分析方面的应用前景十分广阔。目前,该仪器已被日本国家材料研究所、德国应用科学技术大学、北大、清华、南大等知名院校纷纷选择使用。”

  而扫描热学显微镜(SThM)则是殷庆瑞研究员继SPAM之后对扫描探针显微术的又一项重大突破。该仪器主要利用材料的温度、热导率等变化进行成像,从而获得样品表面热分布和相关热物理性质的一种微纳米尺度的测试技术,适用于材料微区的热学性能表征。

  殷庆瑞说到:“目前,国外科学家已分别研制出原子力显微镜与电、光、磁3种技术分别结合的显微成像仪器。而我们之前已研发出了扫描探针声学显微镜,因此把目光投向了扫描热学显微镜。在国家‘973’计划的支持下,我们在2010年成功研制出了扫描热学显微镜,目前在微电子器件、材料等领域已得到了日益广泛的应用。”

近场声学显微镜成熟商品的“中国创造”——访中科院上海硅酸盐研究所殷庆瑞研究员 - 驰奔 - ------DEMA 驰奔-------

扫描探针近场压电-声学-热学显微成像系统

  最后,在谈到课题组下一步的研发计划时,殷庆瑞研究员提出:“我们打算研发电、声、热一体化的扫描电镜,更加集成化、综合化、实用化,而这也是当今科学仪器发展的一个大方向。我相信,这款仪器将更加适用于物质介观和微观层次上的特性表征,对相关材料、器件与显微成像技术领域的发展,也将是一个极大地推动作用。”

  后记:

  美国NASA高级材料物理专家John博士曾这样评价,中科院上海硅酸盐所这个团队在电声成像的研究和应用方面已经成为世界的领导者。他们把电声成像扩展至实用阶段,而这项工作对该领域的影响是深远的。

  的确如此,殷庆瑞研究员课题组将理论研究、材料制备器件设计、仪器研制与实际应用相结合,开发出独具特色的“二合一”新仪器,并积极推进相关科研成果的商业化,取得了一定的经济效益和良好的社会效益。因此我们有理由相信,殷庆瑞研究员和他的团队下一个“电-声-热显微镜一体机”必将在日益发展的纳米科学时代能够“大放异彩”!

  采访编辑:刘玉兰

  殷庆瑞研究员个人简介:

  殷庆瑞研究员,1965年毕业于东南大学(南京工学院)无线电工程系。同年9月分配至中国科学院硅酸盐研究所工作至今。期间,1979-1981年在英国牛津大学Clarendon物理实验室访问学者,1989年在日本东京大学应用化学系客座研究员,2003年在德国乌帕塔大学电子工程系访问教授。

  他主要从事电子陶瓷材料物理性能、器件设计以及光声学、电声成像和扫描探针声学显微术方面的研究。他在国内外重要刊物上已发表论文300余篇,专著两本(80余万字),英文版专著一本(Spring ),译著两本。获得国家技术发明二等奖、三等奖各一项,国际工业博览会银奖一项,中国科学院自然科学一等奖、二等奖各一项,中国科学院科技进步一等奖一项、省部级三等奖两项,国内外专利十余项。

  他曾兼任同济大学教授、香港理工大学智能材料中心国际顾问委员会委员、国家基金委员会重大项目首席科学家、国家“863”计划新材料领域专家委员会委员、美国IEEE高级研究员、亚洲铁电学联合会理事、亚洲电子陶瓷联合会理事和国际铁电学杂志编委等学术职务,并当选美国纽约科学院院士和国际陶瓷科学院院士。

  他曾先后获得上海市劳动模范、全国“五一”劳动奖章、国家“863”计划十五周年先进个人、中国科学院研究生院杰出贡献教师等荣誉称号。

  他曾担任过中国科学院硅酸盐所科技处处长、所长助理和副所长,以及中国科学院无机功能材料开放实验室以及国家重点实验室学术委员会副主任等职务。

转自:仪器信息网 

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