CN106597026B - 磁-电-热多参量耦合显微镜探针、其制备方法与探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁‑电‑热多参量耦合显微镜探针，包括探针臂，以及与探针臂相连的针尖本体，自探针臂与针尖本体表面向外，依次覆盖着金属热电阻层、导热绝缘层、磁性导电层；金属热电阻层与外部电路构成热电回路；磁性导电层与样品、外部电路构成导电回路。该探针结构简单、制备难度低，能够原位微区探测磁电功能材料的磁信号、电信号和热信号，并且能够有效避免热电回路与电回路之间的信号干扰。

Description

磁-电-热多参量耦合显微镜探针、其制备方法与探测方法

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜的探针，特别是涉及到一种磁-电-热多参量耦合显微镜探针、其制备方法与探测方法。

背景技术

近些年来，纳米科学技术正迎来前所未有的飞速发展，纳米材料的制备与表征、测量技术受到越来越多的重视，相应的仪器手段也得到了广泛的关注与迅速的发展。

作为一种新型的显微工具，扫描探针显微镜正在发挥越来越重要的作用。扫描探针显微镜在扫描隧道显微镜的基础上发展起来，并已经进一步发展出各种新型的探针显微镜，它具有极高的分辨率、实时观测、以及使用环境宽松等优点，广泛适用于各种工作环境下的科学实验。在实验过程中，可以通过探测探针与样品表面之间相互作用产生的物理量，例如电流、相互作用力等来表征样品的表面形貌以及其他物理性质，从而相应发展出了原子力显微镜、磁力显微镜、压电力显微镜、导电力显微镜等技术，分别应用于样品表面形貌、畴结构、微区电导、等物理参量的测量。近几年来，扫描热探针技术得到快速发展，将扫描探针显微镜技术推向新的热学研究领域，使得可以进一步地对样品表面微区温度、导热等热学性能的空间分布进行更深入的研究。

小型化与集成化已经成为目前电子器件发展的主流趋势，器件以及器件之间的距离都已经迈入纳米尺度。但与此同时，器件小型化、集成化带来的发热与散热的问题却严重制约了其向高密度与高集成度的发展。在这种背景下，针对微米，尤其是纳米尺度下与热相关物性的表征，以及上述发热和散热的物理过程的理解已发展成为一门崭新的热科学分支─微/纳尺度热科学。在微/纳尺度下，材料的微观结构和畴结构对热学性质有重要的影响，材料某处的一个空穴、微裂纹、晶界、乃至一个畴壁都可能对材料的热学性质产生很大的影响。以目前受到广泛研究的多铁材料为例，其在外场驱动下的磁/电畴翻转(或畴壁移动)和漏电流都会引起微区发热。然而到目前为止，人们只能通过基于扫描探针显微镜的微区热成像技术单一地获得相应的热学信息，对于原位同步观测其他物性信息则无能为力，如磁畴结构、铁电/压电畴结构、导电畴结构等，无法同时进行磁-电-热等多种物性的耦合成像。

为此，专利文献CN201410494759.X提出了一种热电偶结构的探针，该探针包括探针臂与针尖，针尖由针尖本体与覆盖层组成，覆盖层由位于针尖本体表面的薄膜一、薄膜一表面的薄膜二、薄膜二表面的薄膜三组成；薄膜一具有导电性、薄膜二具有电绝缘性、薄膜三具有磁性与导电性，薄膜一与薄膜三的材料不同；并且，薄膜一、薄膜二和薄膜三构成热电偶结构，即：在针尖本体的尖端部位，薄膜一表面为薄膜三，除本体尖端之外的其余部位，薄膜二位于薄膜一与薄膜三之间。该探针用于探测样品的热信号时，电信号施加单元、薄膜一、薄膜三形成闭合的热电回路，探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖与样品表面相接触，电信号施加单元对针尖施加电信号，电流流入针尖并对其进行加热，针尖与样品进行热交换，使热学回路中的电压信号发生改变，经采集电压信号的变化得到样品的热信号，经中心控制单元分析得到样品的热信号图像。该探针用于探测样品的电信号时，电信号施加单元、薄膜一、薄膜三以及样品形成闭合的电学回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖表面与样品表面相接触，电信号施加单元对针尖施加电信号，该电信号流入薄膜一、薄膜三以及样品，形成电压信号，经电信号采集单元得到样品的电信号，经中心控制单元分析得到样品的电信号图像。

但是，该探针结构存在如下不足：(1)结构复杂，制备难度大；(2)薄膜一与薄膜三在针尖处连通，造成在同时探测热信号与导电信号时这两种信号易产生相互干扰。

另外，该专利文献CN201410494759.X还提出了另一种探针结构：其针尖包括针尖本体与位于其表面的磁性导电层，在探针臂上距离针尖一定间隔设置热电阻材料层，导电层与热电阻材料层相电连通，并且导电层与磁性导电层相电连通。但是，该结构中热电阻层与磁电层直接连接，仍然没有避免热信号与电信号的干扰问题。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供了一种磁-电-热多参量耦合显微镜探针，其结构简单，可实现对磁、电、热等多物理参量的原位、同步测量，并且能够避免热信号与电信号的干扰问题。

本发明的技术方案为：一种磁-电-热多参量耦合显微镜探针，包括探针臂，以及与探针臂相连的针尖本体，所述探针本体的尖端用于与样品接触或者非接触，以测量样品信号；其特征是：自探针臂与针尖本体表面向外，依次覆盖着金属热电阻层、导热绝缘层、磁性导电层；

所述的金属热电阻层作为第一层覆盖着至少部分探针臂与部分针尖本体表面，并且覆盖着探针本体的尖端；所述的金属热电阻层与外部电路构成热电回路；

所述的导热绝缘层作为第二层覆盖着整个探针臂与针尖本体表面；

所述的磁性导电层作为第三层覆盖着整个探针臂与针尖本体表面；所述的磁性导电层与样品、外部电路构成导电回路。

所述的针尖本体的三维结构不限，可以是棱锥、圆锥、棱台、圆台等。

为了确保热电回路电流通过针尖本体尖端，作为优选，所述的金属热电阻层仅覆盖部分探针臂表面与部分针尖本体表面，同时也有利于提高热电阻探测灵敏度。

作为优选，自探针臂与针尖本体表面向外，依次覆盖着过渡层、金属热电阻层、导热绝缘层与磁性导电层，即，过渡层位于探针臂、针尖本体与金属热电阻层之间，用于提高金属热电阻层与探针臂、针尖本体的结合力。所述的过渡层材料不限，包括铬、钛、镱等金属。

所述的金属热电阻层具有导电性，当其温度变化时会影响其电阻值的大小，其材料不限，包括具有良好导电性能的金属和半导体中的一种材料或者两种以上的组合材料，例如钯、金、铋(Bi)、镍(Ni)、钴(Co)、钾(K)等金属以及其合金，石墨、石墨烯等半导体中的至少一种。

所述的导热绝缘层具有电绝缘性，其材料不限，包括具有一定绝缘性能的半导体、无机材料或者有机材料，例如氧化锌(ZnO)、铁酸铋(BiFeO₃)、钴酸锂(LiCoO₂)、氧化镍(NiO)、氧化钴(Co₂O₃)、氧化铜(Cu_xO)、二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN_x)、二氧化钛(TiO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、氧化钨(WO_x)、二氧化铪(HfO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化石墨烯、非晶碳、硫化铜(Cu_xS)、硫化银(Ag₂S)、非晶硅、氮化钛(TiN)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PAI)、聚西弗碱(PA)、聚砜(PS)等中的至少一种。

所述的磁性导电层具有磁性与导电性，其材料不限，包括铁磁性金属铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)及磁性合金等。

本发明还提供了一种制备上述磁-电-热多参量耦合显微镜探针的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积金属热电阻层；

步骤2：利用磁控溅射技术或者脉冲激光技术在金属热电阻层表面沉积导热绝缘层；

步骤3：利用磁控溅射技术在导热绝缘层表面沉积磁性导电层。

为了提高金属热电阻层与探针、针尖本体之间的结合力，作为优选，自探针臂与针尖本体表面向外，依次覆盖着过渡层、金属热电阻层、导热绝缘层与磁性导电层，即，所述的金属热电阻层与探针、针尖本体之间存在过渡层。所述的过渡层的材质不限，包括铬、钛、镱等金属。

当所述的金属热电阻层作为第一层仅覆盖部分探针臂与部分针尖本体表面时，假设整个探针臂与针尖本体表面中，被金属热电阻层所覆盖的区域为区域A，剩余未被金属热电阻层所覆盖的区域为区域B，即，区域A与区域B构成了探针臂与针尖本体表面，那么：

(1)当所述的金属热电阻层与探针、针尖本体之间不存在过渡层时，上述步骤1与步骤2如下：

步骤1：利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积金属热电阻层；然后，用聚焦离子束技术去除覆盖在区域B表面的金属热电阻层；

步骤2：利用磁控溅射技术在步骤1制得的仅覆盖着区域A的金属热电阻层的表面，以及区域B的表面沉积导热绝缘层；

(2)当所述的金属热电阻层与探针、针尖本体之间存在过渡层时，上述步骤1与步骤2如下：

步骤1：利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积过渡层；利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积金属热电阻层；然后，用聚焦离子束技术去除覆盖在区域B表面的过渡层与金属热电阻层；

步骤2：利用磁控溅射技术在步骤1制得的仅覆盖着区域A的金属热电阻层的表面，以及区域B的表面沉积导热绝缘层。

当采用上述制得的表面覆盖金属热电阻层、导热绝缘层、磁性导电层的探针探测样品的形貌与磁信号、热信号以及电信号时，其探测方法如下：

(1)用于探测样品的表面形貌与磁信号

探针驱动单元驱动探针，使其针尖本体的尖端位移至样品表面某初始位置，探针自该初始位置沿横向对样品表面进行定向扫描，扫描过程中控制针尖本体的尖端与样品表面点接触或振动点接触，采集针尖本体的纵向位移信号或振动信号，经分析得到样品的形貌信号；

探针返回至所述的初始位置并且向上抬高一定距离，然后按照所述的横向定向对样品表面进行扫描，扫描过程中控制针尖本体的尖端沿所述的形貌图像进行纵向位移或者振动，采集针尖本体的纵向位移信号或振动信号，经分析得到样品的磁信号图像。

(2)用于探测样品的热信号

外部电路与探针的金属热电阻层形成闭合的热电回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖本体的尖端与样品表面相接触，外部电路对针尖本体的尖端施加电信号，电流流入针尖本体并对其进行加热，针尖本体与样品进行热交换，使热学回路中的电压信号发生变化，经采集、分析，得到样品的热信号图像。

(3)用于探测样品的电信号

外部电路、探针的磁性导电层，以及样品形成闭合的电学回路。探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖本体的尖端与样品表面相接触，外部电路对针尖施加电信号，该电信号流入探针的磁性导电层以及样品，形成电压信号，经采集，分析，得到样品的电信号图像。

与现有技术相比，本发明提供的磁-电-热多参量耦合显微镜探针能够对磁电功能材料的磁信号、电信号和热信号原位微区探测，包括在微米、纳米尺度下的磁信号、电信号和热信号的原位微区探测。与热电偶型磁-电-热多参量耦合显微镜探针相比，具有如下优点：

(1)金属热电阻层、导热绝缘层、磁性导电层依次覆盖在针尖本体的尖端，因此无需在针尖本体的尖端去除导热绝缘层而导致制备难度提高；

(2)金属热电阻层与外电源独立构成热电回路，待测样品、磁性导电层与外电源独立构成电回路，因此与热电偶型磁-电-热多参量耦合显微镜探针相比相比，热电回路结构简单，电回路结构简单；

(3)导热绝缘层位于整个金属热电阻层与磁性导电层之间，有效阻隔了热电回路与电回路之间的信号干扰。

附图说明

图1是本发明实施例1中的磁-电-热多参量耦合显微镜探针的探针臂与针尖本体的正面结构示意图；

图2是图1的侧面结构示意图；

图3是本发明实施例1中的磁-电-热多参量耦合显微镜探针中探针臂与针尖本体表面的区域示意图；

图4是本发明实施例1中经沉积后的针尖本体的正面结构放大图。

其中：1探针臂、2针尖本体、3区域A、5针尖本体的正面、6针尖本体的背面、7过渡层、8金属热电阻层、9导热绝缘层、10磁性导电层。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，不以任何方式限制本发明。

实施例1：

本实施例中，选用市售的无涂层Si探针，其结构如图1所示，包括探针臂1以及与探针臂1相连的针尖本体2。如图1、2所示，针尖本体2呈四面体棱锥结构，由正面5，与正面相对的背面6，以及两个侧面构成。

如图3所示，整个探针臂与针尖本体的表面分为区域A与区域B。图3中横线填充的区域为区域A，该区域A由探针臂1的部分表面(图3中横线填充的探针臂表面)与针尖本体2的两个侧面(图3中横线填充的针尖本体表面)组成，并且该区域A包括针尖本体的尖端。整个探针臂与针尖本体的表面中，除去区域A之外的其余表面即为区域B。

在该探针表面制备如下覆盖层。

(1)用50000Hz的超声波清洗该无涂层Si探针，清洗时间为5min。

(2)将经过超声清洗的无涂层Si探针固定在磁控溅射的样品腔中，将磁控溅射设备样品腔抽真空，达到工作气压5×10^-5Pa以下，然后在磁控溅射样品腔中通入氩气，使得样品腔中的工作气压达到0.2Pa。通过磁控溅射设备将Cr溅射到无涂层Si探针表面，包括探针臂1的整个表面与针尖本体2的整个表面，溅射时间为1分钟，溅射功率为20瓦，得到厚度为5nm的Cr过渡层；即，Cr过渡层作为第一层覆盖着探针臂1的整个表面与针尖本体2的整个表面。

(3)继续用磁控溅射设备将Pd溅射到Cr过渡层表面，溅射时间为2分钟，溅射功率为25瓦，得到厚度为10nm的Pd热电阻层。即，Pd热电阻层作为第二层覆盖着探针臂1的整个表面与针尖本体2的整个表面。

(4)将探针放入FIB样品室内，抽真空到工作气压5×10^-4Pa以下，打开电子束或离子束，采用聚焦离子束将探针臂1与针尖本体2表面中除图3所示的区域A之外的其他区域，即区域B的Cr过渡层与Pd热电阻层刻蚀掉，使Cr过渡层与Pd热电阻层仅覆盖探针臂1与针尖本体2表面的区域A，该区域A表面的Pd热电阻层与外电路构成热电回路，用于测量样品的热信号。

(5)运用脉冲激光沉积的技术在上述制得的Pd热电阻层表面，以及探针臂1与针尖本体2表面中除区域A之外的其余表面沉积SiO₂绝缘层。

(6)将探针放入磁控溅射设备样品腔抽真空，达到工作气压5×10^-5Pa以下，然后在磁控溅射样品腔中通入氩气，使得样品腔中的工作气压达到0.2Pa。通过磁控溅射设备将Co溅射到SiO₂绝缘层表面，溅射时间为1分钟，溅射功率为50瓦，得到厚度为10nm的Co磁性导电层。该Co磁性导电层与样品、外电路构成电回路，用于测量样品的电信号。

经上述沉积后，从正面看，针尖本体2的表面覆盖层如图3所示，即，自针尖本体2的表面向外依次覆盖着过渡层7、金属热电阻层8、导热绝缘层9与磁性导电层10。

当采用上述制得的表面覆盖金属热电阻层、导热绝缘层、磁性导电层的探针探测样品的形貌与磁信号、热信号以及电信号时，其探测方法如下：

(1)用于探测样品的表面形貌与磁信号

探针驱动单元驱动探针，使其针尖本体的尖端位移至样品表面某初始位置，探针自该初始位置沿横向对样品表面进行定向扫描，扫描过程中控制针尖本体的尖端与样品表面点接触或振动点接触，采集针尖本体的纵向位移信号或振动信号，经分析得到样品的形貌信号；

探针返回至所述的初始位置并且向上抬高一定距离，然后按照所述的横向定向对样品表面进行扫描，扫描过程中控制针尖本体的尖端沿所述的形貌图像进行纵向位移或者振动，采集针尖本体的纵向位移信号或振动信号，经分析得到样品的磁信号图像；

(2)用于探测样品的热信号

外部电路与探针的金属热电阻层形成闭合的热电回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖本体的尖端与样品表面相接触，外部电路对针尖本体的尖端施加电信号，电流流入针尖本体并对其进行加热，针尖本体与样品进行热交换，使热学回路中的电压信号发生变化，经采集、分析，得到样品的热信号图像；

(3)用于探测样品的电信号

外部电路、探针的磁性导电层，以及样品形成闭合的电学回路。探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖本体的尖端与样品表面相接触，外部电路对针尖施加电信号，该电信号流入探针的磁性导电层以及样品，形成电压信号，经采集，分析，得到样品的电信号图像。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种热信号与导电信号可同时探测并且互不干扰的磁-电-热多参量耦合显微镜探针，包括探针臂，以及与探针臂相连的针尖本体，所述探针本体的尖端用于与样品接触或者非接触，以测量样品的热、电、磁信号；其特征是：自探针臂与针尖本体表面向外，依次覆盖着金属热电阻层、导热绝缘层、磁性导电层；

所述的金属热电阻层覆盖着至少部分探针臂与部分针尖本体表面，并且覆盖着探针本体的尖端；所述的金属热电阻层与外部电路构成热电回路；

所述的导热绝缘层覆盖着整个探针臂与针尖本体表面；

所述的磁性导电层覆盖着整个探针臂与针尖本体表面；所述的磁性导电层与样品、外部电路构成导电回路。

2.根据权利要求1所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针，其特征是：所述的针尖本体的三维结构包括棱锥、圆锥、棱台、圆台。

3.根据权利要求1所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针，其特征是：自探针臂与针尖本体表面向外，依次覆盖着过渡层、金属热电阻层、导热绝缘层与磁性导电层。

4.根据权利要求3所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针，其特征是：所述的过渡层材料包括铬、钛、镱中的一种金属及其合金。

5.根据权利要求1所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针，其特征是：所述的金属热电阻层材料包括钯、金、铋、镍、钴、钾、石墨、石墨烯中的一种或者两种以上的组合。

6.根据权利要求1所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针，其特征是：所述的导热绝缘层材料包括氧化锌、铁酸铋、钴酸锂、氧化镍、氧化钴、氧化铜、二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、五氧化二钽、五氧化二铌、氧化钨、二氧化铪、氧化铝、氧化石墨烯、非晶碳、硫化铜、硫化银、非晶硅、氮化钛、聚酰亚胺、聚酰胺、聚西弗碱、聚砜中的一种或者两种以上的组合。

7.根据权利要求1所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针，其特征是：所述的磁性导电层材料包括铁磁性金属铁、钴、镍及磁性合金。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积金属热电阻层；

步骤2：利用磁控溅射技术或者脉冲激光技术在金属热电阻层表面沉积导热绝缘层；

步骤3：利用磁控溅射技术在导热绝缘层表面沉积磁性导电层。

9.根据权利要求8所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针的制备方法，其特征是：当所述的金属热电阻层与探针、针尖本体之间存在过渡层时，在所述步骤1之前进行如下步骤：

利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积过渡层。

10.根据权利要求8所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针的制备方法，其特征是：当所述的金属热电阻层仅覆盖部分探针臂与部分针尖本体表面时，假设整个探针臂与针尖本体表面中，被金属热电阻层所覆盖的区域为区域A，剩余未被金属热电阻层所覆盖的区域为区域B，那么：

(1)当所述的金属热电阻层与探针、针尖本体之间不存在过渡层时，上述步骤1与步骤2如下：

步骤1：利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积金属热电阻层；然后，用聚焦离子束技术去除覆盖在区域B表面的金属热电阻层；

步骤2：利用磁控溅射技术在步骤1制得的仅覆盖着区域A的金属热电阻层的表面，以及区域B的表面沉积导热绝缘层；

(2)当所述的金属热电阻层与探针、针尖本体之间存在过渡层时，上述步骤1与步骤2如下：

步骤1：利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积过渡层；利用磁控溅射技术在整个探针臂与针尖本体表面沉积金属热电阻层；然后，用聚焦离子束技术去除覆盖在区域B表面的过渡层与金属热电阻层；

步骤2：利用磁控溅射技术在步骤1制得的仅覆盖着区域A的金属热电阻层的表面，以及区域B的表面沉积导热绝缘层。

11.采用权利要求1至7中任一权利要求所述的磁-电-热多参量耦合显微镜探针探测样品的形貌与磁信号、热信号以及电信号的方法如下：

(1)用于探测样品的表面形貌与磁信号

探针驱动单元驱动探针，使其针尖本体的尖端位移至样品表面某初始位置，探针自该初始位置沿横向对样品表面进行定向扫描，扫描过程中控制针尖本体的尖端与样品表面点接触或振动点接触，采集针尖本体的纵向位移信号或振动信号，经分析得到样品的形貌图像；

探针返回至所述的初始位置并且向上抬高一定距离，然后按照所述的横向对样品表面进行定向扫描，扫描过程中控制针尖本体的尖端沿所述的形貌图像进行纵向位移或者振动，采集针尖本体的纵向位移信号或振动信号，经分析得到样品的磁信号图像；

(2)用于探测样品的热信号

外部电路与探针的金属热电阻层形成闭合的热电回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖本体的尖端与样品表面相接触，外部电路对针尖本体的尖端施加电信号，电流流入针尖本体并对其进行加热，针尖本体与样品进行热交换，使热学回路中的电压信号发生变化，经采集、分析，得到样品的热信号图像；

(3)用于探测样品的电信号

外部电路、探针的磁性导电层，以及样品形成闭合的电学回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖本体的尖端与样品表面相接触，外部电路对针尖施加电信号，该电信号流入探针的磁性导电层以及样品，形成电压信号，经采集，分析，得到样品的电信号图像。