CN110333371A - 一种金纳米探针制备装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金纳米探针制备装置及其制备方法，包括信号发生器、放大器、示波器、电流测量装置、升降台、储液皿和金丝容纳件，金丝容纳件通过绝缘件与升降台的升降端连接，储液皿置于金丝容纳件的下方，储液皿内中部水平设有一个由铂丝绕成的铂丝圈，储液皿内装有电解液，且铂丝圈浸没在电解液中，金丝竖直置于金丝容纳件上，且其下端突出于金丝容纳件的下端，放大器的输入端与信号发生器的输出端电连接，信号发生器与市电电连接，铂丝的一端延伸至储液皿外并与放大器输出端的正极或负极电连接，放大器输出端另一极与金丝容纳件电连接，示波器的输入端分别与放大器的输出端电连接。其优点是制备出的金纳米探针尖端直径能达50nm级别，且用时短。

Description

一种金纳米探针制备装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及扫描隧道显微镜金探针制备领域，尤其涉及一种金纳米探针制备装置及其制备方法。

背景技术

随着单分子器件这一概念的提出，单分子电导测量技术得到了迅猛的发展。对单个分子的电子传输特性进行研究的首要任务是要把分子连接到电路中，构成电极/分子/电极分子结。由于单个分子的尺寸过小，这就给纳米间隙电极的制备带来了一定的难度。由于发展技术的限制，前期主要是通过线上光刻法、电迁移法等对分子电导进行测量的。随着技术的进一步发展，目前常用的较为成熟的单分子电导测量技术主要有扫描隧道显微镜裂结法，以及扫描隧道显微镜静态捕获等方法。这种借助STM实施测量的新方法不仅能够构造出更微小的电极间隙，而且具有很好的机动灵活性。常用于扫图的STM探针主要是用Pt-Ir合金材料或钨丝材料制成的，但这些材料不适合用作单分子电导测量中的电极(单分子测量所用电极材料需要具有高度的稳定性和延展性)。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种结构简单，且使用方便的金纳米探针制备装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种金纳米探针制备装置，包括信号发生器、放大器、示波器、电流测量装置、升降台、储液皿和金丝容纳件，所述储液皿为绝缘材质制成，所述金丝容纳件为金属材料制成，所述金丝容纳件通过绝缘件与所述升降台的升降端连接，所述储液皿置于所述金丝容纳件的下方，且所述储液皿内中部水平设有一个由一根铂丝绕成的铂丝圈，所述储液皿内装有电解液，且所述铂丝圈浸没在所述电解液中，金丝竖直置于所述金丝容纳件上，且其下端突出于所述金丝容纳件的下端，所述放大器的输入端与所述信号发生器的输出端电连接，所述信号发生器与市电电连接，所述铂丝的一端延伸至所述储液皿外并与所述放大器输出端的正极或负极电连接，所述放大器输出端的另一极与所述金丝容纳件电连接，所述示波器的输入端分别与所述放大器的输出端电连接，所述升降台可通过升降端驱使所述金丝容纳件带动金丝移动至下端伸入到所述铂丝圈的环内，并浸没在所述电解液中，以对所述金丝的下端进行电化学腐蚀,所述电流测量装置用以测量所述放大器输出的电流值。

上述技术方案的有益效果在于：通过电解液对金丝下端浸没到液面下的部分进行电化学腐蚀，并使得金丝下端形成锥形，并使得其锥尖端的直径能达到几十纳米级别，且金丝具有极好的稳定性和延展性，能更好的应用于STM探针。

上述技术方案中所述储液皿为玻璃皿或塑料皿。

上述技术方案的有益效果在于：避免储液皿与电解液反应。

上述技术方案中所述电解液为浓盐酸与无水乙醇按照体积比1:1配制而成。

上述技术方案的有益效果在于：盐酸与金丝在电解条件下生成(AuCl₄)^-和氢气，通过金丝与电解液液面接触处逐渐进行反应来形成锥尖端。

上述技术方案中所述金丝容纳件包括横杆、容纳杆和针管，所述横杆和所述容纳杆均为铜质杆，所述针管为铁质管，所述横杆水平设置，其一端通过所述绝缘件与所述升降台的驱动端连接，其另一端设有上下贯穿其的圆孔，所述放大器输出端的正极或负极与所述横杆电连接；所述容纳杆竖直设置且与所述圆孔相配合，所述容纳杆下端由上向下穿过所述圆孔，且所述容纳杆上端设有挂接在所述横杆上的外翻边，所述容纳杆内设有上下贯穿其容纳室，且所述容纳室的下端呈喇叭形收口，所述金丝套设在所述针管内，且其一端突出于所述针管，所述针管竖直放置在所述容纳室内，且所述金丝突出于所述针管的一端朝下并突出于所述容纳杆的下端。

上述技术方案的有益效果在于：其结构简单，组装方便，且调节灵活。

上述技术方案中所述横杆远离所述绝缘件的一端沿其长度方向设有上下贯通的通槽，且所述通槽延伸至与所述圆孔贯通。

上述技术方案的有益效果在于：便于容纳杆从横杆上取下，避免在取下容纳杆时将金丝下端碰断。

上述技术方案中所述绝缘件为塑料块。

上述技术方案的有益效果在于：获取容易，绝缘效果好。

本发明的目的之二在于提供一种采用上述装置制备金纳米探针的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种采用如上所述装置制备金纳米探针的方法：包括如下步骤：

步骤S1:取内径0.3mm的针管和直径为0.2mm的金丝，将金丝套在所述针管内，且其一端穿出所述针管，将穿有金丝的针管竖向放置在所述容纳室内,且所述金丝突出于所述针管的一端朝下并突出于所述容纳杆(72)下端0.5-1.5cm；

步骤S2：将信号发生器通电并使其输出的5V、4.2KHz且波形为占空比为50％的方波的交流电，且其输出的交流电再由放大器放大为峰-峰值为54V的方波信号，再调节升降台使其升降端下降至所述金丝下端浸没在所述电解液中，且所述电流表显示电流为0.9-1.2mA即可，直至反应结束；

步骤S3:调节放大器将其输出的峰-峰值电压调整至24V，再调节升降台驱动端向下移动至所述金丝下端在此伸入到电解液中后，再迅速调整升降台驱动端上升至容纳杆至电解液液面上，即完成对金丝下端的腐蚀，断开对所述信号发生器通电；

步骤S4：将针管从容纳杆内取出，取出针管和金丝，并对金丝的针尖端进行洗涤，即完成金纳米探针的制备。

上述技术方案的有益效果在于：该制备方法步骤简单，所加工出来的金丝的锥尖端能达到50nm级别，比现有钨丝刻蚀后的锥尖端要尖，能显著的提高STM扫图成像的分辨率。

上述技术方案中所述步骤S4中的洗涤时的洗涤液为piranha溶液。

上述技术方案的有益效果在于：其可清洁金丝锥尖端所有的有机质，其清洗效果好。

附图说明

图1为本发明实施例1所述制备装置的简图；

图2为本发明实施例1所述制备装置中升降台、绝缘件以及金丝容纳件的结构简图；

图3为本发明实施例1所述横杆的结构简图；

图4为本发明实施例1所述升降台的结构简图；

图5为本发明实施例2中金丝在电解液中电解并形成锥尖端的原理图；

图6为本发明实施例2所制备的金纳米探针针尖端的电镜图。

图中：1信号发生器、2放大器、3示波器、4电流测量装置、5升降台、51绝缘件、6储液皿、61铂丝圈、7金丝容纳件、71横杆、711圆孔、712通槽、72容纳杆、721容纳室、73针管、8金丝。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供了一种金纳米探针制备装置，包括信号发生器1、放大器2、示波器3、电流测量装置4、升降台5、储液皿6和金丝容纳件7，所述储液皿6为绝缘材质制成，所述金丝容纳件7为金属材料制成，所述金丝容纳件7通过绝缘件51与所述升降台5的升降端连接，所述储液皿6置于所述金丝容纳件7的下方，且所述储液皿6内中部水平设有一个由一根铂丝绕成的铂丝圈61，所述储液皿6内装有电解液，且所述铂丝圈61浸没在所述电解液中，金丝8竖直置于所述金丝容纳件7上，且其下端突出于所述金丝容纳件7的下端，所述放大器2的输入端与所述信号发生器1的输出端电连接，所述信号发生器1与市电电连接，所述铂丝的一端延伸至所述储液皿6外并与所述放大器2输出端的正极或负极电连接，所述放大器2输出端的另一极与所述金丝容纳件7电连接，所述示波器3的输入端分别与所述放大器2的输出端电连接，调节所述升降台5的水平高度使得所述金丝8的下端伸入到所述铂丝圈61的环内并浸没在所述电解液中以对所述金丝8的下端进行电化学腐蚀,所述电流测量装置4为电流表，所述电流表设置在所述放大器2与所述铂丝圈61或金丝容纳件7的电连接线路上。通过电解液对金丝下端浸没到液面下的部分进行电化学腐蚀，并使得金丝下端形成锥形，并使得其锥尖端的直径能达到几十纳米级别，且金丝具有极好的稳定性和延展性，能更好的应用于STM探针。其中，优选的，所述升降台为丝杆顶升机构，具体如图4所示(其属于现有技术)，其包括一个U形支架、丝杆、滑块和手轮，且U形支架槽口朝水平方向，所述丝杆竖向设置并与所述U形支架上下两侧转动连接，且所述丝杆上端向上延伸至穿出所述U形支架的上端，所述手轮同轴安装在所述丝杆的上端，所述滑块与所述丝杆螺纹连接，且其靠近所述U形支架槽底的一侧延伸至与所述U形支架槽底滑动抵接，所述滑块构成所述升降台的驱动端。

其中，上述技术方案中所述储液皿6为玻璃皿或塑料皿，如此可避免储液皿与电解液反应。

其中，上述技术方案中所述电解液为浓盐酸与无水乙醇按照体积比1:1配制而成。

其中，其所述金丝在电解液中的主要反应如下：

其中，上述技术方案中所述金丝容纳件7包括横杆71、容纳杆72和针管73，所述横杆71和所述容纳杆72均为铜质杆，所述针管73为铁质管，所述横杆71水平设置，其一端通过所述绝缘件51与所述升降台5的驱动端连接，其另一端设有上下贯穿其的圆孔711，所述放大器1输出端的正极或负极与所述横杆71电连接；所述容纳杆72竖直设置且与所述圆孔711相配合，所述容纳杆72下端由上向下穿过所述圆孔711，且所述容纳杆72上端设有挂接在所述横杆71上的外翻边，所述容纳杆72内设有上下贯穿其容纳室721，且所述容纳室的下端呈喇叭形收口，所述金丝8套设在所述针管73内，且其一端突出于所述针管73，所述针管73竖直放置在所述容纳室721内，且所述金丝8突出于所述针管73的一端朝下并突出于所述容纳杆72的下端，其结构简单，组装方便，且调节灵活。

其中，上述技术方案中所述横杆71远离所述绝缘件51的一端沿其长度方向设有上下贯通的通槽712，且所述通槽712延伸至与所述圆孔711贯通，便于容纳杆从横杆上取下，避免在取下容纳杆时将金丝下端碰断。

上述技术方案中所述绝缘件51为塑料块，其绝缘效果好。

实施例2

本实施例提供了一种采用如实施例1所述装置制备金纳米探针的方法：包括如下步骤(且下述各步骤依次按顺序进行)：

步骤S1:取内径0.3mm的针管73和直径为0.2mm的金丝8，将金丝8套在所述针管73内，且其一端穿出所述针管73，将穿有金丝8的针管7竖向放置在所述容纳室721内,且所述金丝8突出于所述针管7的一端朝下并突出于所述容纳杆72下端0.5-1.5cm；

步骤S2：将信号发生器1通电并使其输出的5V、4.2KHz且波形为占空比为50％的方波的交流电，且其输出的交流电再由放大器2放大为峰-峰值为54V的方波信号，再调节升降台5使其升降端下降至所述金丝8下端浸没在所述电解液中，且所述电流表显示电流为0.9-1.2mA即可，直至反应结束(具体参阅图5，其中，金丝下端在伸入到电解液液面下，液面在靠近所述金丝的位置会向上凸起，而随着电解反应的不断进行，电解液中金离子增多，导致电解反应最剧烈处便是金丝靠近液面的位置，此时会使得金丝靠近液面的位置的之间越来越小，在将金丝靠近液面处反应至金丝靠近液面处断裂，此时金丝余下部分的下端会脱离液面，从而电解反应结束)；

步骤S3:调节放大器2将其输出的峰-峰值电压调整至24V，再调节升降台5驱动端向下移动至所述金丝8下端在此伸入到电解液中后，再迅速调整升降台5驱动端上升至容纳杆至电解液液面上，即完成对金丝8下端的腐蚀，断开对所述信号发生器1通电(当然步骤S3中调节升降台升降也可反复多次，即迅速的将金丝下端浸没在电解液中又迅速的从电解液中拔出，并反复进行多次，其作用是为了对金丝下端锥尖端进行打磨)；

步骤S4：将针管73从容纳杆72内取出，再用镊子将金丝8从针管73下端拔出，再将金丝8的针尖端进行洗涤，即完成金纳米探针的制备。该制备方法步骤简单，所加工出来的金丝的锥尖端能达到50nm级别，且腐蚀时间用时不超两分钟，比现有钨丝刻蚀后的锥尖端要尖，能显著的提高STM扫图成像的分辨率。

上述技术方案中所述步骤S4中的洗涤时的洗涤液为piranha溶液，其可清洁金丝锥尖端所有的有机质，其清洗效果好。

如图6所示，为本实施例所述方法所制备金纳米探针针尖端的电镜图，从图中可得知其尖端锋利，表面较为光滑。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种金纳米探针制备装置，其特征在于，包括信号发生器(1)、放大器(2)、示波器(3)、电流测量装置(4)、升降台(5)、储液皿(6)和金丝容纳件(7)，所述储液皿(6)为绝缘材质制成，所述金丝容纳件(7)为金属材料制成，所述金丝容纳件(7)通过绝缘件(51)与所述升降台(5)的升降端连接，所述储液皿(6)置于所述金丝容纳件(7)的下方，且所述储液皿(6)内中部水平设有一个由一根铂丝绕成的铂丝圈(61)，所述储液皿(6)内装有电解液，所述铂丝圈(61)浸没在所述电解液中，金丝(8)竖直置于所述金丝容纳件(7)上，且其下端突出于所述金丝容纳件(7)的下端，所述放大器(2)的输入端与所述信号发生器(1)的输出端电连接，所述信号发生器(1)与市电电连接，所述铂丝的一端延伸至所述储液皿(6)外，并与所述放大器(2)输出端的正极或负极电连接，所述放大器(2)输出端的另一极与所述金丝容纳件(7)电连接，所述示波器(3)的输入端分别与所述放大器(2)的输出端电连接，所述升降台(5)可通过升降端驱使所述金丝容纳件(7)带动金丝(8)移动至下端伸入到所述铂丝圈(61)的环内，并浸没在所述电解液中，以对所述金丝(8)的下端进行电化学腐蚀,所述电流测量装置(4)用于测量所述放大器(2)输出电流值。

2.根据权利要求1所述的金纳米探针制备装置，其特征在于，所述储液皿(6)为玻璃皿或塑料皿。

3.根据权利要求1所述的金纳米探针制备装置，其特征在于，所述电解液为浓盐酸与无水乙醇按照体积比1:1配制而成。

4.根据权利要求1所述的金纳米探针制备装置，其特征在于，所述金丝容纳件(7)包括横杆(71)、容纳杆(72)和针管(73)，所述横杆(71)和所述容纳杆(72)均为铜质杆，所述针管(73)为铁质管，所述横杆(71)水平设置，其一端通过所述绝缘件(51)与所述升降台(5)的驱动端连接，其另一端设有上下贯穿其的圆孔(711)，所述放大器(1)输出端的正极或负极与所述横杆(71)电连接；所述容纳杆(72)竖直设置且与所述圆孔(711)相配合，所述容纳杆(72)下端由上向下穿过所述圆孔(711)，且所述容纳杆(72)上端设有挂接在所述横杆(71)上的外翻边，所述容纳杆(72)内设有上下贯穿其容纳室(721)，且所述容纳室的下端呈喇叭形收口，所述金丝(8)套设在所述针管(73)内，且其一端突出于所述针管(73)，所述针管(73)竖直放置在所述容纳室(721)内，且所述金丝(8)突出于所述针管(73)的一端朝下，并突出于所述容纳杆(72)的下端。

5.根据权利要求4所述的金纳米探针制备装置，其特征在于，所述横杆(71)远离所述绝缘件(51)的一端沿其长度方向设有上下贯通的通槽(712)，且所述通槽(712)延伸至与所述圆孔(711)贯通。

6.根据权利要求1所述的金纳米探针制备装置，其特征在于，所述绝缘件(51)为塑料块。

7.一种采用如权利要求1-6任一项所述金纳米探针制备装置制备金纳米探针的方法：其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1:取内径0.3mm的针管(73)和直径为0.2mm的金丝(8)，将金丝(8)套在所述针管(73)内，且其一端穿出所述针管(73)，将穿有金丝(8)的针管(7)竖向放置在所述容纳室(721)内,且所述金丝(8)突出于所述针管(7)的一端朝下并突出于所述容纳杆(72)下端0.5-1.5cm；

步骤S2：将信号发生器(1)通电并使其输出的5V、4.2KHz且波形为占空比为50％的方波的交流电，且其输出的交流电再由放大器(2)放大为峰-峰值为54V的方波信号，再调节升降台(5)使其升降端下降至所述金丝(8)下端浸没在所述电解液中，并使所述电流测量装置(4)测得的电流值为0.9-1.2mA即可，直至反应结束；

步骤S3:调节放大器(2)将其输出的峰-峰值电压调整至24V，再调节升降台(5)驱动端向下移动至所述金丝(8)下端在此伸入到电解液中后，再迅速调整升降台(5)驱动端上升至容纳杆至电解液液面上，即完成对金丝(8)下端的腐蚀，断开对所述信号发生器(1)通电；

步骤S4：取出针管(73)和金丝(8)，对金丝(8)的针尖端进行洗涤，即完成金纳米探针的制备。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中的洗涤时的洗涤液为piranha溶液。