CN102181914A

CN102181914A - 倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺

Info

Publication number: CN102181914A
Application number: CN 201110078164
Authority: CN
Inventors: 居冰峰; 陈远流; 张威; 廉孟冬; 钟薇薇
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了一种倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺。该工艺用钨丝作为制备探针的材料，将钨丝浸没到碱性电解溶液中作为阳极，用耐腐蚀的铂金丝绕在钨丝周围作为阴极，相继采用直流和占空比可调的脉宽电压信号，确定钨丝段的浸没深度、电解电压大小、溶液浓度等，实时检测电解电流大小，当电解电流曲线斜率大于0.8mA/ms时，自动切断电压信号，停止电解过程。利用本发明工艺可制备呈倒指数型轮廓、针尖半径小于20nm，长-径比高于100:1的扫描隧道显微镜探针，使得扫描隧道显微镜具备了原子级的图像分辨率和测量高-深宽比微纳结构的能力。

Description

倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺

技术领域

本发明涉及探针的制备工艺，尤其涉及一种倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺。

背景技术

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling microscope，STM)主要利用了针尖与样品间纳米间隔的量子隧道效应引起的隧道电流与间隔成指数关系，实现样品的局域探测，从此达到了新材料的表面微区结构的原子级分辨率。STM探针的针尖曲率半径直接影响了STM图像的质量和分辨率。如果针尖得最尖端只有一个稳定的原子而不是多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨率的图像。同时，探针的长-径比决定了STM测量高-深宽比微纳结构（High Aspect Ratio Microstructures, HARMS结构）的能力。HARMS结构通常是指宽度为1~10μm，高（深）度约为10~500μm的微结构，深-宽比一般在10:1到100:1之间，HARMS结构具有狭小间隙和垂直侧壁的特征。随着HARMS结构的发展，表面形貌仪、传统的AFM/SPM等测量方法，由于它们现有的探针长-径比不够，已经不能满足HARMS结构的测量需求。因此探针的针尖曲率半径及其长-径比是STM探针制备的关键。

STM探针多采用钨丝制备，它具有良好的导电性和高的硬度，而且价格低廉。现有常见的探针制备方法主要有机械剪切法及电化学侵蚀法。其中，机械剪切法制成的探针针尖半径及锥角都很大，探针的整体轮廓不对称，测量的性能并不好。电化学侵蚀法是最常见的制备钨材质探针的方法，它的改良研究有很多，比如：液膜法、针尖上下翻转法和交直流共用法等。但在此之前的研究成果和制备工艺都没有系统地研究制备过程中钨丝的浸没深度、电压信号、电解液浓度、断电时间等参数对探针制备效果的影响机制，缺乏成熟系统的探针制备工艺，所制备探针的轮廓形状、针尖曲率半径、长-径比等参数可控性差，而且制备的装置复杂，制备的成功率不高，特别是在高长-径比探针的制作工艺方面尚属空白。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺。

倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺的步骤如下：

1）将质量百分比纯度为99.9999%、直径为0.25mm-0.50mm的钨丝拉直截取成10-15mm的钨丝段作为阳极，将0.5-1mm的铂金丝绕成直径为8-10mm的铂金圈作为阴极，将浓度为1mol/L-3mol/L的 KOH溶液作为电解液；

2）把铂金圈置于电解液液面处，并接地，将钨丝段穿过铂金圈中心浸入电解液中，施加电压信号对钨丝段进行电解，当电解电流曲线斜率大于0.8mA/ms时，自动切断电压信号，电解后的钨丝段在氢氟酸溶液或丙酮溶液中浸泡1-2分钟，以去除探针表面的氧化层，得到倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针。

所述钨丝段穿过铂金圈中心浸入电解液中浸没深度的计算公式为：

所述施加电压信号对钨丝段进行电解的具体实施形式为：电压信号先采用4.3-6.3V直流电压，当电解电流下降至1.6mA后，电压信号改为幅值4.3-6.3V占空比可调的脉宽电压，电压信号占空比为20%-50%。

本发明开发成熟的STM探针制备工艺，并使得STM探针对高深-宽比微纳结构具有高精度的测量能力，本发明提出了一种新的制备具有倒指数形状、高长-径比STM探针的工艺，确定影响工艺的主要参数：电压信号大小、浸没深度和断电控制策略等，该工艺可以批量制作出具有倒指数轮廓，针尖曲率半径小于20nm、长-径比达到100:1以上的STM探针。

附图说明

图1是倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备装置的示意图；

图2是本发明所制得的STM探针整体形状SEM显微照片；

图3是本发明所制得的STM探针针尖形状SEM显微照片。

具体实施方式

本发明的化学方程式为：

阴极：

阳极：

Figure 2011100781642100002DEST_PATH_IMAGE003

总的反应式：

实施例1

倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备装置如图1所示。

1）将质量百分比纯度为99.9999%、直径为0.25mm的钨丝拉直截取成10mm的钨丝段作为阳极，将0.5mm的铂金丝绕成直径为8mm的铂金圈作为阴极，将浓度为1mol/L的 KOH溶液作为电解液；

2）把铂金圈置于电解液液面处，并接地，将钨丝段穿过铂金圈中心浸入电解液中，施加电压信号对钨丝段进行电解，当电解电流曲线斜率大于0.8mA/ms时，自动切断电压信号，电解后的钨丝段在氢氟酸溶液或丙酮溶液中浸泡1分钟，以去除探针表面的氧化层，得到倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针。

Figure 2011100781642100002DEST_PATH_IMAGE005

所述施加电压信号对钨丝段进行电解的具体实施形式为：电压信号先采用4.3直流电压，当电解电流下降至1.6mA后，电压信号改为幅值4.3V、占空比为20%的脉宽电压。

所制得的STM探针整体形状如图2所示，STM探针针尖形状如图3所示。

实施例2

1）将质量百分比纯度为99.9999%、直径为0.50mm的钨丝拉直截取成15mm的钨丝段作为阳极，将1mm的铂金丝绕成直径为10mm的铂金圈作为阴极，将浓度为3mol/L的 KOH溶液作为电解液；

2）把铂金圈置于电解液液面处，并接地，将钨丝段穿过铂金圈中心浸入电解液中，施加电压信号对钨丝段进行电解，当电解电流曲线斜率大于0.8mA/ms时，自动切断电压信号，电解后的钨丝段在氢氟酸溶液或丙酮溶液中浸泡2分钟，以去除探针表面的氧化层，得到倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针。

所述施加电压信号对钨丝段进行电解的具体实施形式为：电压信号先采用6.3V直流电压，当电解电流下降至1.6mA后，电压信号改为幅值6.3V、占空比为50%的脉宽电压。

实施例3

1）将质量百分比纯度为99.9999%、直径为0.3钨丝拉直截取成12的钨丝段作为阳极，将0.8铂金丝绕成直径为9mm的铂金圈作为阴极，将浓度为2mol/L的 KOH溶液作为电解液；

Figure 2011100781642100002DEST_PATH_IMAGE007

所述施加电压信号对钨丝段进行电解的具体实施形式为：电压信号先采用5V直流电压，当电解电流下降至1.6mA后，电压信号改为幅值5V、占空为30%的脉宽电压。

Claims

1.一种倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺，其特征在于它的步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺，其特征在于所述钨丝段穿过铂金圈中心浸入电解液中浸没深度的计算公式为：

。

3.根据权利要求1所述的一种倒指数形状、高长-径比扫描隧道显微镜探针的制备工艺，其特征在于所述施加电压信号对钨丝段进行电解的具体实施形式为：电压信号先采用4.3-6.3V直流电压，当电解电流下降至1.6mA后，电压信号改为幅值4.3-6.3V占空比可调的脉宽电压，电压信号占空比为20%-50%。