一种用于金属纳米探针的制备的辅助装置
技术领域
本发明涉及一种用于金属纳米探针的制备的辅助装置,特别是辅助纳米探针制备的一种全自动、实时监控、自动声音提示装置,属于凝聚态物理实验科学仪器领域。
背景技术
纳米级金属探针常用于扫描隧道显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)、场离子显微镜(FIM)、场发射电子显微镜(FEM)等高级科研仪器。高品质的纳米针尖有利于获得高质量的实验图像和数据,充分发挥仪器的性能。
目前常用的金属探针多为仪器制造商提供的商业化的金属探针。这种探针往往价格昂贵,使用寿命有限,极大地增加了研科研实验的成本。不少实验室组成员都试图通过简单的电化学腐蚀来自主制作获得廉价的金属针尖。
在实验室中制作纳米探针的通常做法是:肉眼观察显微镜中的针尖形状来制作,进而判断针尖的腐蚀程度。腐蚀过程都需要肉眼注视,制备过程中的参数只能通过观测估计,无法实现定量获得质量稳定的针尖。并且高品质针尖的获得与制备过程中很多因素有关,必须保证金属丝与液面垂直、保证合适的金属插入深度、合适的电化学腐蚀的电流与电压、合适的收取针尖的方法等等,这些操作过程往往比较繁琐,造成了极大的劳动强度并导致实验人员疲劳。
发明内容
本发明的目的在于,解决上述问题,设计了本发明,解决现有金属纳米探针电解腐蚀制备过程中无法监控开始和结束时刻的问题,通过电路放大的原理,利用制备开始和结束时电流信号与腐蚀过程中电信号的变化从而准确把握腐蚀制备过程,把控纳米探针的制备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明公开一种用于金属纳米探针的制备的辅助装置,包括以探针体作为阳极的电解池和电源,电源连接电解池并构成电解回路;所述电源包括响应机构、放大电路和比较电路;所述放大电路和比较电路均与响应机构电连接,放大电路用于放大电解电路中的电流以启动响应机构,比较电路比较设定值与电解电路中的电流以停止或开启响应机构。
本装置中利用电解池将探针体腐蚀为纳米探针,能够提高腐蚀速度,同时能够在一定程度上实现实现腐蚀进度的监控,采用响应机构作为腐蚀开始和腐蚀结束时的提示,能够配合声光提示保证腐蚀过程的可控性;当探针体接触电解液时,由于探针体与电解回路的其他材质不同特性,在电解池处能够形成原电池结构,使电解回路中形成感应电流,感应电流经过放大后,使响应机构动作,然后使电源对电解池供电,使探针体接触电解液的部分腐蚀,当腐蚀为纳米探针时,由于探针体与电解液接触面积降低,造成电解回路中的电流降低,当降低至一定程度后,比较电路接通响应机构,响应机构再次响应,完成纳米探针腐蚀制备。
进一步,响应机构为声光发生器,响应机构为蜂鸣器、电磁开关、指示灯和/或电动机。利用声光发生器,保证腐蚀为纳米探针的开始阶段和结束阶段能够被检测到。
进一步,所述响应机构包括蜂鸣器和指示灯;电源电压为5v,放大电路与比较电路并联,蜂鸣器串联在放大电路与比较电路之间。
利用比较电路和放大电路两个简单的结构能够实现电路结构的简化,降低电源的成本,比较电路也可以采用其他具有电流比较功能的设计代理,比如常用的一些微控制器。
进一步,所述放大电路包括LM358芯片和电阻一,LM358芯片具有VI+、VI-、V+、V-和Vo五个连接端,VI+和VI-为信号输入端,V+和V-为电源端,Vo为输出端;电阻一的一端连接5v电压源另一端连接探针体和VI-端,VI+和V+均连接5v电压源,Vo端连接蜂鸣器,V-端连接LED指示灯的引极端,指示灯的另一端连接探针体。
进一步,所述比较电路包括LM358芯片、电阻二、滑动变阻器和开关,LM358芯片具有VI+、VI-、V+、V-和Vo五个连接端,VI+和VI-为信号输入端,V+和V-为电源端,Vo为输出端;电阻二的两端分别连接VI+端和阴极环,开关的两端分别连接VI+端和V+端,Vo端连接探针体,滑动变阻器的两端分别连接5v电压源和接地极,滑动变阻器的滑动端连接VI-端,V-端连接蜂鸣器。
进一步,还包括支架机构,所述支架机构包括基座、支撑梁、升降座、臂杆和升降杆,支撑梁固定在基座上,升降座设于支撑梁上,升降杆与升降座螺纹配合并控制升降座竖向升降,臂杆与升降座活动连接,探针体固定在臂杆上并随臂杆和升降座同步升降以将探针体伸入电解液。该结构中的支架机构能够有效控制探针体的升降,从而进一步保证探针体接触电解液距离的可控性,保障纳米探针的长度。
进一步,臂杆与升降座可转动连接,在臂杆上设置有竖向的阳极套,探针体固定于阳极套内且探针体伸出阳极套外。通过臂杆的设计,和阳极套的设计,能够更有效的控制探针体与电解液液面的垂直关系。
进一步,电解池包括阴极环、所述探针体、隔离罩和电解池体,电解池体内装设电解液,隔离罩固定于电解池体内并限位以隔离阴极环与探针体;所述电解池体固定在基座上并限位。所述电解池采用限位的隔离罩能够保证纳米探针在重复制备过程中的进度,同时能够控制电解阳极和阴极之间的距离,进而降低阴阳极之间的距离对纳米探针制备的影响。
进一步,所述放大电路可放大电解回路中的感应电流以使响应机构响应;所述比较电路比较设定值与电解回路中的实际值,实际值大于设定值时,响应机构停止响应。
进一步,响应机构响应后,比较电路为电解池供电使探针体电解。
本发明的有益效果为:
1、全程一键启动,自动完成,带声光提示,极大降低实验人员的工作强度;
2、电路自动判断针尖状态,降低了人为因素干扰,获得针尖品质稳定;
3、阳极套设计使得金属丝易于垂直液面,液面接触报警设计使得易于确定金属丝浸入深度,降低了操作难度。
附图说明
图1为本辅助装置的原理示意图;
图2为本辅助装置结构示意图。
附图标记:1-放大电路,2-比较电路,3-蜂鸣器,4-探针体,5-电解池体,6-隔离罩,7-阴极环,8-基座,9-支撑梁,10-升降座,11-升降控制柄,12-升降杆,13-臂杆,14-阳极套。
具体实施方式
实施例1
如附图所示,本发明的一种用于一种用于金属纳米探针的制备的辅助装置,电解池、电源和支架机构;电源连接电解池并构成电解回路。
电解池包括电解池包括作为阴极的阴极环7、作为阳极的探针体4、隔离罩6和电解池体5,电解池体5内装设电解液,隔离罩6固定于电解池体5内并限位以隔离阴极环7与探针体4。探针体4可以采用钨丝、金丝、铂丝和铂铱合金丝等金属丝。金属丝的直径不大于1毫米。
电源包括响应机构、放大电路1和比较电路2;响应机构连接放大电路1和比较电路2,放大电路1用于放大电解电路中的电流以启动响应机构,比较电路2比较设定值与电解电路中的电流以停止或开启响应机构。当电解回路中具有感应电流时,放大电路1对感应电流进行放大,使响应机构响应;当电解回路中具有电解电流时,比较电路2比较电解电流实际值和设定电流值,从而使使响应机构响应或停止响应,设定电流值有放大电路1中的电阻大小而设定,一般为50-100Ma,实际值大于设定值时,响应机构停止响应。感应电流驱动响应机构响应后,比较电路2为电解池供电使探针体4电解,感应电流不大于设定值。
响应机构为声光发生器,响应机构为蜂鸣器3、电磁开关、指示灯和/或电动机。电源电压为5v,放大电路1与比较电路2并联,蜂鸣器3串联在放大电路1与比较电路2之间。
放大电路1包括LM358芯片和电阻一,LM358芯片具有VI+、VI-、V+、V-和Vo五个连接端,VI+和VI-为信号输入端,V+和V-为电源端,Vo为输出端;电阻一的一端连接5v电压源另一端连接探针体4和VI-端,VI+和V+均连接5v电压源,Vo端连接蜂鸣器3,V-端连接LED指示灯的引极端,指示灯的另一端连接探针体4。
比较电路2包括LM358芯片、电阻二、滑动变阻器和开关,LM358芯片具有VI+、VI-、V+、V-和Vo五个连接端,VI+和VI-为信号输入端,V+和V-为电源端,Vo为输出端;电阻二的两端分别连接VI+端和阴极环7,开关的两端分别连接VI+端和V+端,Vo端连接探针体4,滑动变阻器的两端分别连接5v电压源和接地极,滑动变阻器的滑动端连接VI-端,V-端连接蜂鸣器3。V-端和VI-端之间连接有电压表。
支架机构包括基座8、支撑梁9、升降座10、臂杆13和升降杆12,支撑梁9固定在基座8上,升降座10设于支撑梁9上,升降杆12与升降座10螺纹配合并控制升降座10竖向升降,臂杆13与升降座10活动连接,探针体4固定在臂杆13上并随臂杆13和升降座10同步升降以将探针体4伸入电解液。臂杆13与升降座10可转动连接,在臂杆13上设置有竖向的阳极套14,探针体4固定于阳极套14内且探针体4伸出阳极套14外。电解池体5固定在基座8上并限位。阳极套14内经不小于金属丝直径,长度3-10厘米。材质为不锈钢、铜等耐腐蚀金属。升降控制柄连接升降杆并与升降杆同步转动。
阴极环7对电极采用不锈钢、铜、铂等耐腐蚀金属,可以是环形或者螺线管形。阴极环7依次通过电阻三和电流表接地。
电解液可以为含氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钙溶液等任何浓度的电解液,且不限于所列出的溶液类型。
隔离套为状绝缘材料做成的筒状,材料为玻璃、工程塑料、陶瓷等,隔离套直径为1-3厘米,高度与电解液容器相同。隔离环底端采用限位设计。隔离套避免了对电极产生气泡对针尖腐蚀区液面的扰动
放大电路1和比较电路2中可以采用独立运放元件,也可采用集成运放。
支撑梁9和基座8底座可以采用金属、工程塑料或者聚四氟乙烯块等材料一体成型或分体组装。
实施例2
以上结构中的使用方法进行金属纳米探针制作的制作方法为:
旋转升降控制柄11使探针体4的浸入电解液的液面,当探针体4刚接触液面时,产生感应电流,感应电流通过放大电路1驱动蜂鸣器3发出连续提示音,然后继续旋转升降控制柄11旋转的圈数决定探针体4伸入电解液的,探针体4的浸入液面深度为2-3毫米。
深度调节完毕后,向电解池中通电继续调节,纳米探针针尖腐蚀过程启动,指示灯亮起,蜂鸣器3提示音停止,针尖腐蚀过程结束时,由于探针针尖与电解液接触面积降低,使电解回路中电流降低,降低至一定程度后,比较电路2比较实际电流和设定电流值,指示灯自动熄灭,蜂鸣器3再次发出连续提示音。试验人员根据蜂鸣器3和指示灯状态判断腐蚀的进度。
上述实施例仅仅是为了清楚的说明所做的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。