基于金刚石的 AFM 探针技术：纳米尺度探测的革新路径

金刚石依托全面领先的理化综合性能，逐步替代传统基材成为高性能原子力显微镜探针核心制备原料，为纳米科学领域深层次微观表征与机理研究提供全新技术支撑。

金刚石为自然界硬度极值材料，内部碳原子呈四面体配位排布，构筑高强度共价键晶体骨架。独有晶体结构赋予其多项优异本征参数：材料硬度可达 100 GPa，位列现有天然材料首位；弹性模量高达 1200 GPa，外力载荷作用下形变量极低；室温热导率可达 2000 W/(m・K)，导热能力为纯铜的 5 倍；化学惰性突出，可耐受各类酸碱腐蚀环境，同时具备极佳耐磨特性与稳定电学输出性能。

应用于原子力显微镜探针时，金刚石各项本征性能转化为显著工程应用优势：

极致耐磨特性：常规硅基探针采用接触式扫描模式仅数十次即出现针尖磨损失效，金刚石探针可支撑数百万次连续扫描，使用寿命提升上万倍；

超高结构刚度：高弹性模量可抑制探针受力形变，保障微观形貌检测数据精准度与重复性；

稳定热学表现：超高导热系数可快速导出探针工作产生的热量，消除热漂移现象对检测结果的干扰；

多场景适配能力：调整金刚石掺杂体系（硼掺杂、氮掺杂），可分别制备导电型、绝缘型探针，拓宽探针适用研究场景边界。

金刚石探针兼具高硬度与针尖锐度，可实现原子级微观形貌成像。在接触扫描工况下，探针能够稳定采集样品本征表面轮廓信息；依托单晶金刚石探针，科研人员可直观捕捉二氧化钛表层单氧空位动态演化过程，为界面催化反应机理解析提供直接试验依据。

依托金刚石探针优异机械承载能力，可完成基材表面纳米尺度刻蚀、压印与表面改性处理。基于金刚石探针搭建热机械纳米加工平台，能够在高分子材料表面加工特征尺寸低于 10 nm 的精细微结构，为纳米光电子元器件制备开辟全新工艺路线。

金刚石探针自身高刚性特质，使其成为标准化纳米压痕检测载体。通过采集探针加载、卸载全过程力 - 位移响应曲线，可精准测算材料弹性模量、硬度、断裂韧性等关键力学指标。采用金刚石探针测试碳纳米管力学特性，检测精度较传统测试手段提升一个数量级。

掺杂改性金刚石探针同步具备导电能力与电化学稳定特性，适配扫描电化学显微镜、扫描开尔文探针显微镜等多类表征设备。硼掺杂金刚石探针可在宽电位区间维持微弱背景电流，适用于单细胞表层离子通道动态行为观测，检测时空分辨率可达纳米级、毫秒级。

经过表面功能修饰处理的金刚石探针，在单分子力谱试验中具备突出应用价值。通过表面键合工艺连接特定生物分子，可定量表征蛋白质折叠与解折叠、DNA 拉伸、受体与配体相互作用等生化过程的力学响应规律。

伴随纳米技术持续迭代升级，行业对原子力显微镜探针综合性能指标提出更高标准。金刚石探针凭借不可替代的综合性能优势，在超高分辨微观成像、微纳精密加工、单分子原位检测等前沿赛道具备广阔产业化与科研应用前景。从早期天然金刚石简易应用，到现阶段 CVD 工艺精准可控量产，金刚石 AFM 探针技术迭代进程不仅印证功能材料学科的跨越式发展，更彰显人类持续探索微观纳米世界的科研追求。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石 (晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石 (热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂) 和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G 基站、大功率 LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。