德国联邦物理技术研究院（PTB）新近制造的皮米压痕仪使用原子力显微镜（AFM）的尖端作为压头来对纳米材料进行尺寸和机械表征。这种压头现在得到了极大的提升：新兴纳米计量实验室（LENA）利用聚焦离子束在AFM悬臂上制造出角锥状的玻氏压针，这也可以用于微型压头。与传统的锥形AFM尖端相比，这种压头在机械上更稳定，可长期进行快速动态测量，并且由于其高导电性，也能进行电气测量。

图为硅制AFM悬臂上的玻氏压针（大图），以及玻氏压针的理想尺寸（左上）和所造压针的侧视图（右上）。角孔径为（143±0.5）度，与ISO标准中尖端的定义基本一致。有效尖端高度约为1μm（微米），足以进行接近表面的机械测量，例如确定纳米级半导体材料压痕深度相关的机电性能。

纳米压痕是一种研究散状物料的常规方法：将一个几何形状确定的小尖端压入材料，基于材料的性能表现，这就可以得出有关其属性的结论。

然而，要想表征具有高纵横比的创新纳米材料，如直径在纳米范围内的圆柱体，纳米压痕由于其深度和力分辨力有局限性而无法胜任。原子力显微镜（AFM）可以提高力的灵敏度。然而，AFM最初是为了表征样品的形貌而开发的。特别是用压痕法研究硬质材料时，压头尖端会倾斜，从而导致高非线性等问题。

为填补纳米压痕仪与AFM之间的空白，开发出一种新的皮米压痕仪。在总压痕深度为10微米时，它能展现出更强的深度敏感性。这种皮米压痕仪采用AFM尖端作为压头来进行纳米材料的几何量和机械表征。现已证明，它适用于单原子阶梯高度标准的地形测量和弹性模量在几MPa（兆帕）范围内的极软材料的定量表征。

纳米机械测量具有可比性的一个重要先决条件是使用标准化压头。相应的“纳米压痕标准”ISO 14577建议对于较小的力和较小的压痕深度，应使用角锥状玻氏压针。现在首次在AFM悬臂上制造出这样的压针，这也可以用于皮米压痕仪。这个制造过程用到了新兴纳米计量实验室（LENA）的聚焦离子束设备。LENA由布伦瑞克工业大学（TU Braunschweig）和PTB合作运营。该系统配备了一个五轴精度实验台，具有大倾角范围，因此可制备非常小的角锥状压头尖端。除了制造三角形玻氏压针，还可以制造其他不同的几何形状，如四角维氏（Vickers）压针。

目前相关研究人员正在利用PTB正申请专利的针式尖端测试标准对通过聚焦离子束制造的角锥状尖端进行详细的几何表征。这项工作的另一个目标是在AFM金刚石尖端上制造标准化压头，以便对坚硬的创新材料（如氮化镓）也能进行机械表征。这些导电AFM角锥状尖端可用于能量产生、医学、生物学和环境技术等不同应用领域的半导体材料的机电表征。