CN104764905B - 一种原子力显微镜扫描热探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子力显微镜扫描热探针及其制备方法，得到的原子力显微镜扫描热探针包括探针悬臂、探针针尖、石墨烯薄膜层和低导热层，所述低导热层的热传导率为0.2W/mK～2W/mK；所述探针针尖位于所述探针悬臂的一端，石墨烯薄膜层包覆在所述探针针尖外面；所述低导热层包覆在所述石墨烯薄膜层外面，且仅包覆所述石墨烯薄膜层对应所述探针针尖主体的部分，不包覆所述石墨烯薄膜层对应所述探针针尖尖端的部分。本发明的原子力显微镜扫描热探针及其制备方法，可以提高原子力显微镜热学测试的精确度和分辨率。

Description

一种原子力显微镜扫描热探针及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及原子力显微镜领域，特别地，涉及一种原子力显微镜扫描热探针及其制备方法。

【背景技术】

原子力显微镜利用原子间、分子间的相互作用力对材料表面形貌精确成像，当探针针尖接近样品表面时，两者之间的相互作用力使悬臂发生弯曲，四象限光电探测器用来检测弯曲，用胡克定律可以计算出作用力的大小，通过探针在不同扫面点承受的力可以推测出样品的表面形貌。自1986年发明以来，从最开始的形貌表征到目前的力学、电学、磁学、热学表征，功能已经相当完备，已用于物理、化学、材料、生物、医学等诸多学科领域，成为学术界和产业界都是不可或缺的测试手段。

材料的热学性质测试需求巨大，因为相对力学、光学、电学，热学性质更为复杂，有更多未知因素需要探索，与此同时，原子力显微镜在热学方面的测试技术进展较为缓慢。热学测试的机理和形貌测试差别很大，热学测试用的探针称为扫描热探针，它的针尖是一个热敏电阻，作为原子力显微镜控制电路中惠斯通电桥的一臂，扫描热测试过程中，通过检测这个热敏电阻的功率或电阻值的变化推断有多少热量从探针针尖释放出，该探针针尖释放的热量等效为样品吸收的热量，进而推断出样品表面的温度分布或样品的热导率。然而，现有的原子力显微镜的扫描热探针测量样品热学性质时存在误差大，精确度不高的问题。当探针和样品接触面存在水膜时，误差更大，并且测试的空间分辨率也下降严重。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种原子力显微镜扫描热探针及其制备方法，可以提高原子力显微镜热学测试的精确度和分辨率。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种原子力显微镜扫描热探针，所述原子力显微镜扫描热探针包括探针悬臂(12)、探针针尖(11)、石墨烯薄膜层(2)和低导热层(3)，所述低导热层(3)的热传导率为0.2W/mK～2W/mK；所述探针针尖(11)位于所述探针悬臂(12)的一端，石墨烯薄膜层(2)包覆在所述探针针尖(11)外面；所述低导热层(3)包覆在所述石墨烯薄膜层(2)外面，且仅包覆所述石墨烯薄膜层对应所述探针针尖主体的部分，不包覆所述石墨烯薄膜层对应所述探针针尖尖端的部分。

一种原子力显微镜扫描热探针的制备方法，包括如下步骤：步骤一：以光刻的方式在探针悬臂(12)上覆盖光刻胶；步骤二：通过石墨烯溶液中捞起的方式在探针本体上覆盖石墨烯薄膜；步骤三：去除光刻胶以及其上覆盖的石墨烯薄膜；步骤四：用步骤一的方法在探针悬臂上覆盖光刻胶，同时仅在探针针尖的尖端位置覆盖光刻胶；步骤五：通过化学气相沉积法在探针针尖上沉积低导热材料，所述低导热材料的热传导率为0.2W/mK～2W/mK；步骤六：去除光刻胶以及其上覆盖的低导热材料。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

(1)本发明的原子力显微镜扫描热探针包含了石墨烯薄膜层，石墨烯薄层包围探针针尖，低导热层包覆石墨烯薄膜层，且不包覆石墨烯薄膜层对应所述探针针尖尖端的部分，这样，测试时，石墨烯薄膜层和样品表面直接接触，一方面，石墨烯具有高导热性，使热量尽快传导到样品，而低导热层包覆石墨烯薄层，进一步减小热量通过探针针尖主体传导至空气中产生的热量损失，通过上述两方面使探针针尖产生的热量尽可能全部且快速地传导到样品表面，减少了热量通过其它途径流失带来的误差，提高测试精确度。另一方面，缩短测试过程中探针针尖和样品达到热平衡的时间，提高测试的时间分辨率。

(2)石墨烯薄层包围探针针尖，测试时，石墨烯薄层和样品表面直接接触，石墨烯疏水，减少了石墨烯和样品之间水膜存在的几率或存在的量，避免了传统探针带来的水膜问题，避免水膜带来的探针和样品接触面积的扩大及水膜对热量的吸收，提高测试的精确度和空间分辨率。

(3)石墨烯薄层包围探针针尖，石墨烯可以阻隔氧气，硫化氢等分子接触探针针尖，防止腐蚀发生，保证精确度。

(4)石墨烯薄层包围探针针尖，石墨烯的杨氏模量1100GPa，断裂强度130GPa，使得探针针尖耐磨损，延长使用寿命。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式中的原子力显微镜扫描热探针的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中的原子力显微镜扫描热探针的优选结构示意图；

图3是图1所示的原子力显微镜扫描热探针的制备过程示意图；

图4是本发明具体实施方式中的原子力显微镜扫描热探针用于材料热学性质测试时的示意图。

附图标记说明：

1——探针本体；11——探针悬臂；12——探针针尖；2——石墨烯薄膜；3——低导热层；4——样品；5——激光器；7——计算机；8——光刻胶；9——高导热绝缘层。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

本发明从探针检测时的误差来源进行分析，探针放出的热量，一部分被通过探针和样品间的热传导被样品表面吸收，一部分进入探针针尖周围的空气中，还有一部分通过悬臂热传导释放，这使得在确定被样品吸收的那部分热量时，如直接将探针针尖释放的热量等效为样品吸收的热量，则存在较大误差。鉴于上述分析，可知探针检测的精确度和探针与样品之间的热传导密切相关，本发明及从改善探针热传导的角度出发，改进探针针尖的结构，在探针针尖上增加石墨烯薄膜层和低导热层，从而使探针针尖产生的热量尽可能全部且快速集中地传导到样品表面，减少误差，提高精确度、时间分辨率及空间分辨率。

图1是本具体实施方式中的原子力显微镜扫描热探针的结构示意图，包括探针本体1、石墨烯薄膜层2和低导热层3。探针本体1包括探针悬臂12和探针针尖11。扫描热探针针尖部分包括三层结构，里层是探针针尖11；中间层是石墨烯薄膜层2，石墨烯薄膜层2只覆盖探针针尖11，不覆盖探针悬臂12；外层是热传导率为0.2W/mK～2W/mK的低导热层3，低导热层3覆盖石墨烯薄膜层2，且不完全覆盖，仅包覆石墨烯薄膜层2对应所述探针针尖11主体的部分，不包覆石墨烯薄膜层2对应所述探针针尖11尖端的部分，这样使得石墨烯薄膜层2覆盖在探针针尖尖端的部分能与外界样品直接接触。

图2是本具体实施方式中的原子力显微镜扫描热探针的优选结构示意图，相比图1的结构还包括一层高导热绝缘层9，设置位于探针针尖11和石墨烯薄膜层2之间，且高导热绝缘层9仅覆盖探针针尖11的主体部分，不覆盖探针针尖11的尖端部分，石墨烯薄层覆盖绝缘层9和探针针尖11的尖端部分。这样，通过增设一层高导热绝缘层9，可以减少了石墨烯薄膜层2和探针针尖11的接触面积，减少石墨烯薄膜层2对探针针尖11(主要为热敏电阻)电学性质的影响，确保探针针尖11保持自身的电阻和温度关系。此外，绝缘层9可以对探针针尖11起到加固作用，使其可以承受更大的外力外用，也即通过绝缘层9对探针针尖11的保护作用，从而延长探针针尖11在测试过程中的使用寿命。

图3是图1所示的原子力显微镜扫描热探针的制备过程示意图，包括如下步骤：

步骤一：以光刻的方式在探针悬臂12上覆盖一定厚度的光刻胶。此步骤中，关于光刻的具体工艺，在此不详述。

步骤二：通过从石墨烯溶液中捞起的方式在探针主体上覆盖石墨烯薄膜。石墨烯可通过化学气相沉积法直接沉积在探针主体上，也可以通过石墨剥离方法制得后转移到探针主体上。关于石墨烯制备以及石墨烯转移方法的具体工艺，在此不详述。

步骤三：去除光刻胶以及其上覆盖的石墨烯薄膜。

步骤四：用步骤一的方法在探针悬臂上覆盖光刻胶，同时仅在探针针尖尖端位置覆盖光刻胶。

步骤五：通过化学气相沉积法在探针针尖上沉积一定厚度的低导热材料，低导热材料的热传导率为0.2W/mK～2W/mK，例如沉积二氧化硅材料。

步骤六：去除光刻胶以及其上覆盖的低导热材料。

以上在其他制备探针方法中，如果用化学气相沉积技术方法在探针针尖上生长石墨烯，先磁控溅射一层50nm厚的铜薄膜，然后再按照上述六个步骤形成石墨烯薄膜层和低导热层，也可以在探针针尖上先生长碳化硅，再以热裂解的方法得到石墨烯。

图4是采用本具体实施方式的原子力显微镜扫描热探针进行材料热学性质测试的示意图：用激光器5照射样品4的下表面，样品4也可以用氙灯照射，如果样品4是导体或者半导体材料，可以用通电加热，另外，样品4可以放在热台上，用热台加热。给样品4加热的目的就是制造一个温度分布，激光器照射有个好处，就是激光光斑很小，是局部加热，有利于形成一个有区域差异温度场。在接触模式下，把探针针尖11靠近样品，从而位于针尖尖端位置的石墨烯薄膜与样品上表面接触，探针针尖11的温度大于样品4上表面，从而通过石墨烯薄膜层2和样品上表面进行热交换，探针针尖11放出热量后，自身电阻值改变，探针针尖11作为原子力热学测试系统中惠斯通电桥的一臂，在探针针尖11放出热量之前，惠斯通电桥处于平衡状态，当探针针尖放出热量，自身电阻值改变以后，电桥失去平衡，电桥有一电压差值信号输出，这个电压信号和探针针尖电阻改变值对应，电阻值改变和探针向样品传递的热量对应，探针向样品传递的热量和探针与样品的温度差，样品表面的粗糙度，即样品和探针的接触面积，还有样品自身热导率这三个因素有关，对于图4中的同一样品，样品自身的热导率可以认为固定，样品表面平滑，探针针尖温度可设定为一个常数比如70℃，那么探针和样品的温度差就对应样品表面的温度，因而，在热扫描过程的每一个测试点，惠斯通电桥输出的电压信号对应样品表面接触点的温度，电压信号输入到计算机7，经过软件拟合计算可以得到样品表面的温度。原子力显微镜扫描一个区域就是采集这个区域内很多个不同的位置点的温度，最终得到样品4表面的温度分布。进一步，根据激光功率、照射时间、样品厚度以及原子力显微镜测试获取的温度分布可以获得热扩散系数及热导率的信息。

本具体实施方式的原子力显微镜扫描热探针能够提高上述热学测试的精确度，具体为：

(1)在本具体实施方式的原子力显微镜扫描热探针的结构中，石墨烯薄膜层2包围探针针尖11，低导热层3包覆石墨烯薄膜层，且不包覆石墨烯薄膜层对应所述探针针尖尖端的部分，这样，测试时，石墨烯薄膜层和样品表面直接接触，石墨烯的高热导率，使热量尽快传导到样品，而低导热层包覆石墨烯薄层，进一步减小热量通过探针针尖主体传导至空气中产生的热量损失，通过上述两方面使探针针尖的产生热量尽可能全部且快速地传导到样品表面，减少了热量通过其它途径流失带来的误差，提高测试精确度。

(2)石墨烯薄层包围探针针尖，测试时，石墨烯薄层和样品表面直接接触，石墨烯疏水，减少了石墨烯和样品之间水膜存在的几率或存在的量，避免了传统探针带来的水膜问题，避免水膜带来的探针和样品接触面积的扩大及水膜对热量的吸收，提高测试的精确度。

在原子力显微镜数据处理过程中，默认探针针尖产生的热量100％热传导到样品表面。上述因素确保，热传导到样品表面的热量接近探针针尖传出的总热量，因而提高了测试的精确度。

本具体实施方式的原子力显微镜扫描热探针能够提高上述热学测试的分辨率，具体为：

一方面，本具体实施方式的原子力显微镜扫描热探针的结构中，石墨烯薄膜层包围探针针尖，测试时，石墨烯薄膜层和样品表面直接接触，石墨烯的高热导率，加快探针针尖和样品表面的热交换，缩短测试过程中探针针尖和样品达到热平衡的时间，提高测试的时间分辨率。

另一方面，石墨烯疏水，减少了石墨烯和样品之间水膜存在的几率或存在的量，避免了常规探针带来的水膜问题，避免水膜带来的探针和样品接触面积的扩大，提高测试的空间分辨率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述原子力显微镜扫描热探针包括探针悬臂(12)、探针针尖(11)、石墨烯薄膜层(2)和低导热层(3)，所述低导热层(3)的热传导率为0.2W/mK～2W/mK；所述探针针尖(11)位于所述探针悬臂(12)的一端，石墨烯薄膜层(2)包覆在所述探针针尖(11)外面，所述石墨烯薄膜层(2)是通过从石墨烯溶液中捞起的方式覆盖在探针针尖外面；所述低导热层(3)包覆在所述石墨烯薄膜层(2)外面，且仅包覆所述石墨烯薄膜层对应所述探针针尖主体的部分，不包覆所述石墨烯薄膜层对应所述探针针尖尖端的部分；通过所述石墨烯薄膜层(2)和低导热层(3)使得测试时所述探针针尖(11)上的热量尽可能全部且快速地传导到样品表面。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述探针针尖(11)和石墨烯薄膜层(2)之间还包括一个高导热绝缘层(9)，所述高导热绝缘层(9)的热传导率为20W/mK～300W/mK。

3.根据权利要求2所述的原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述高导热绝缘层(9)的材料为类金刚石薄膜。

4.根据权利要求1所述的原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述石墨烯薄膜层(2)的厚度为3-20nm。

5.根据权利要求1所述的原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述石墨烯薄膜层(2)是一个石墨烯或者是多个石墨烯的组合。

6.根据权利要求5所述的原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述的石墨烯薄膜层(2)为多个石墨烯的组合时，70％～90％的石墨烯为薄层石墨烯，薄层是指石墨烯的层数小于10层。

7.根据权利要求1所述的原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述低导热层(3)的材料是二氧化硅或聚四氟乙烯高分子材料。

8.根据权利要求1所述的原子力显微镜扫描热探针，其特征在于：所述探针针尖(11)的高度为15～30μm，针尖尖端的半径为30～100nm。

9.一种根据权利要求1所述的原子力显微镜扫描热探针的制备方法，其特性在于：包括如下步骤：

步骤一：以光刻的方式在探针悬臂(12)上覆盖光刻胶；

步骤二：通过石墨烯溶液中捞起的方式在探针本体上覆盖石墨烯薄膜；

步骤三：去除光刻胶以及其上覆盖的石墨烯薄膜；

步骤四：用步骤一的方法在探针悬臂上覆盖光刻胶，同时仅在探针针尖的尖端位置覆盖光刻胶；

步骤五：通过化学气相沉积法在探针针尖上沉积低导热材料，所述低导热材料的热传导率为0.2W/mK～2W/mK；

步骤六：去除光刻胶以及其上覆盖的低导热材料。