高速原子力显微镜（HS-AFM）正在推动生命科学与纳米技术进入动态实时观测时代，但传统悬臂结构在响应速度与信噪比上的限制，始终是技术升级的重要瓶颈。近期，发表于 Nature Communications 的一项研究提出全新的“跷跷板式（Seesaw）”悬臂设计，在提升高速 AFM 性能方面取得突破。而在这一前沿微纳器件开发过程中，Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜则成为关键支撑工具。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65240-x

使用飞纳电镜型号：

Phenom Pharos 台式场发射扫描电镜

01.高速 AFM，为什么还需要新的悬臂

高速原子力显微镜能够帮助研究人员实时观察蛋白质构象变化、膜结构动态行为以及 DNA 纳米结构演化，是纳米尺度动态研究的重要工具。而决定 AFM 性能的核心之一，就是那根微小的悬臂（cantilever）。

传统 AFM 悬臂既承担机械振动，又承担激光反射检测功能。为了实现更快的扫描速度，悬臂必须不断缩小尺寸，以获得更高的共振频率和更快的动态响应。然而，尺寸越小，激光反射面积也越小，导致检测信号减弱、噪声增加，反而限制了系统性能进一步提升。

换句话说，传统结构正面临一个典型瓶颈：想更快，就必须变小；但变小，又会让信号变差。

1.传统 AFM 悬臂与 Seesaw 结构原理示意

02.一种全新的设计思路：让结构“分工合作”

针对这一问题，研究团队提出了一种全新的悬臂设计——Seesaw Cantilever（跷跷板式悬臂）。

与传统“单根梁”结构不同，这种设计将机械运动与激光反射功能分离：中间是一块刚性反射板，两侧则是超细扭转铰链。工作时，整个结构像跷跷板一样摆动，因此得名“Seesaw”。

这一设计最大的优势，在于机械性能不再受激光反射面积限制。研究人员可以通过优化铰链尺寸来调节结构刚度和响应速度，同时保留更大的反射区域，从而获得更强的检测信号。

论文结果显示，这种新型结构相比传统高速 AFM 悬臂，灵敏度提升约 3 倍，并具备 MHz 级动态响应能力。

03.从概念到现实

微纳器件开发离不开高分辨电镜

提出结构设计只是第一步，真正的挑战在于如何把这一微纳器件制造出来。

这项研究中的 Seesaw cantilever 结构极其精细：扭转铰链宽度低至数百纳米，悬臂厚度仅约 0.3–0.4 微米，同时还需要集成高纵横比探针结构。这已经是典型的 MEMS 与微纳器件开发场景。

研究团队采用聚焦离子束（FIB）逐步完成结构加工，包括沟槽切割、铰链形成、悬浮结构释放以及探针构建。而在整个过程中，高分辨扫描电镜承担了关键角色——不仅用于观察，更用于验证结构是否真正符合设计要求。

对于研究人员而言，必须清楚知道：

• 铰链尺寸是否准确

• 探针是否成功形成

• 结构是否发生翘曲

• 器件几何形貌是否完整

这些问题，都依赖高质量 SEM 成像来确认。

2.Seesaw cantilever 制造流程

04.扫描电镜：微纳表征研究的理想利器

像这类微纳器件开发，对表征平台提出了很高要求。

以 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜为代表的高性能 SEM 平台，非常契合这类应用需求。研究中的结构涉及亚微米级机械部件、高纵横比探针以及复杂三维形貌，需要高分辨率、高景深以及稳定成像能力。

例如，论文中大量结构验证图像涉及超细扭转铰链、悬浮板结构以及电子束沉积形成的 AFM 探针，这些都属于典型的 SEM 应用场景。

尤其对于 MEMS 开发而言，SEM 的价值早已不只是“拍一张图”，而是贯穿设计验证、结构确认与性能优化全过程的重要工具。

3.SEM 结构表征图

完成结构开发后，研究团队对新型悬臂进行了系统测试，结果令人印象深刻。

实验显示，该结构在液体环境下依然能够保持超过 1 MHz 的共振频率，同时具备更高的信噪比与更稳定的反馈性能。由于检测灵敏度更高，系统可以采用更小振幅工作，从而降低样品受力，更适合软材料与生物样品成像。

更重要的是，这种结构真正实现了高速动态成像。研究团队成功对 Annexin-V 蛋白晶格、bacteriorhodopsin 膜蛋白以及 DNA origami 结构进行高分辨观察，并实现最高 5 fps 的高速成像。

4.性能测试与 AFM 成像结果

05.从观察工具，到创新研发平台

高性能扫描电镜正在从传统意义上的“观察工具”，转变为微纳器件研发的重要平台。

在这项工作中，扫描电镜（SEM）参与了器件结构验证、探针形貌确认、加工质量评估以及设计优化反馈，贯穿完整研发流程。对于 MEMS、纳米器件、先进制造以及半导体微结构开发而言，扫描电子显微镜正在变得越来越重要。