CN110967525A - 扫描探针 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种扫描探针，所述扫描探针包括探针主体，延伸体和弯钩部。所述延伸体设置于探针主体的一端。所述弯钩部，设置于所述延伸体远离所述探针主体的一端。所述弯钩部可以增加散射截面，进而提高拉曼散射。

Description

扫描探针

技术领域

本申请涉及精密仪器领域，特别是涉及一种扫描探针。

背景技术

传统的基于光学衍射测量方法已不能满足人们对自然界日益增的长从介观到纳米的测量需求，更甚至是量子效应下原子、分子尺度的分析与表征。扫描探针是通过探针与物质表面直接相互作用，提取物质的结构参数与性能，是现代精密测量的发展趋势，并已经形成的测量技术有：原子力显微镜、扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜、扫描近场光学显微、针尖增强拉曼测量系统等。这些测量仪器系统围绕纳米尺度上光与针尖、物质相互作用，通过提取其相互作用的光电信号，可以对纳材料分析、半导体器件与物理、微电子集成电路、光子芯片等进行高效率、高稳定性、高分辨率的分析表征，但是传统的扫描探针拉曼散射低，这都影响了扫描探针的使用。

发明内容

基于此，有必要针对传统的扫描探针拉曼散射低的问题，提供一种扫描探针。

一种扫描探针，包括：

探针主体；

延伸体，设置于探针主体的一端；

弯钩部，设置于所述延伸体远离所述探针主体的一端。

在一个实施例中，所述弯钩部包括弯折体，所述弯折体与所述延伸体垂直连接。

在一个实施例中，所述弯钩部包括螺旋体，所述螺旋体的一端与所述延伸体远离所述探针主体的一端连接。

在一个实施例中，所述螺旋体的螺距从所述延伸体朝向所述螺旋体延伸的方向逐渐变小。

在一个实施例中，还包括标志部，设置于所述延伸体或者所述弯钩部的表面。

在一个实施例中，所述标志部包括设置于所述延伸体表面的凸起。

在一个实施例中，所述延伸体或者所述弯钩部的表面设置有凹槽。

在一个实施例中，所述延伸体和所述弯钩部的表面设置有散射层。

在一个实施例中，所述散射层为贵金属材料。

在一个实施例中，所述探针主体、所述延伸体和所述弯钩部一体成型。

本实施例中，所述探针主体110可以为金属丝。所述金属丝材料可以为钨丝、银丝、金丝、铂丝。所述延伸体120连接于所述弯钩部130和所述探针主体110之间。所述延伸体120可以为渐进梯度双曲结构。所述延伸体120横截面积小的一端可以与所述弯钩部130直接连接。所述弯钩部130可以增加散射截面，进而提高拉曼散射。

附图说明

图1为本申请实施例提供的扫描探针示意图；

图2为本申请实施例提供的光学显微镜下的扫描探针的示意图；

图3为本申请另一个实施例提供的扫描探针示意图；

图4为本申请另一个实施例提供的扫描探针示意图；

图5为本申请另一个实施例提供的光学显微镜下的扫描探针示意图；

图6为本申请实施例提供的腐蚀电流与腐蚀时间关系图；

图7为本申请另一个实施例提供的光学显微镜下的扫描探针示意图。

附图标记说明

扫描探针 10

探针主体 110

延伸体 120

弯钩部 130

弯折体 131

螺旋体 132

拉长结构 133

标志部 140

凸起 141

凹槽 142

散射层 143

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的扫描探针进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1-2，本申请实施例提供一种扫描探针10，所述扫描探针10包括探针主体110，延伸体120和弯钩部130。所述延伸体120设置于探针主体110的一端。所述弯钩部130，设置于所述延伸体120远离所述探针主体110的一端。

本实施例中，所述探针主体110可以为金属丝。所述探针主体110的长度可以为25μm～2.5mm。所述金属丝材料可以为钨丝、银丝、金丝、铂丝。所述延伸体120连接于所述弯钩部130和所述探针主体110之间。所述延伸体120可以为渐进梯度双曲结构。所述延伸体120横截面积小的一端可以与所述弯钩部130直接连接。所述弯钩部130可以增加散射截面，进而提高拉曼散射。

请参见图3，在一个实施例中，所述弯钩部130包括弯折体131。所述弯折体131的长度可以为10nm～2.5μm。所述弯折体131与所述延伸体120垂直连接。所述弯折体131可以为杆状，所述延伸体120可以为杆状。所述弯折体131与所述延伸体120连接的位置可以为直角。所述弯折体131的直径朝向所述延伸体120的末端可以逐渐减小。所述弯折体131表面可以形成平台。通过所述弯折体131可以提高拉曼光谱分辨率。

请参见图4，在一个实施例中，所述弯折体131的末端可以设置有与所述延伸体120大致平行的朝向远离所述延伸体120方向延伸的拉长结构133。通过所述拉长结构133可以提高所述扫描探针10的扫描空间分辨比。

在一个实施例中，所述弯钩部130包括螺旋体132。所述螺旋体132的长度可以为200μm-400μm。所述螺旋体132的一端与所述延伸体120远离所述探针主体110的一端连接。所述螺旋体132可以为从所述延伸体120延伸出的圆柱状结构螺旋延伸形成。所述螺旋体132的轴线可以与所述延伸体120的轴线交叉设置。在一个实施例中，所述螺旋体132的轴线可以与所述延伸体120的轴线垂直。所述螺旋体132可以提高所述扫描探针10的散射界面。

在一个实施例中，所述螺旋体132的螺距从所述延伸体120朝向所述螺旋体132延伸的方向逐渐变小。所述螺旋体132的直径可以逐渐变小，因此所述螺旋体132的末端尺寸更小，便于实验中操作。

在一个实施例中，所述扫描探针10还包括标志部140。所述标志部140设置于所述延伸体120或者所述弯钩部130的表面。所述标志部140可以用以在暗场光学显微镜下观察所述扫描探针10的位置。所述标志部140可以为设置在所述延伸体120或者所述弯钩部130的异形结构，可以为凸起141或者波纹等结构。所述标志部140可以为一个，也可以为多个。

在一个实施例中，所述延伸体120或者所述弯钩部130的表面设置有凹槽142。所述凹槽142可以为多个。所述凹槽142可以用以耦合光提高激发效率。

在一个实施例中，所述延伸体120和所述弯钩部130的表面设置有散射层143。所述散射层143可以用以增强表面等离激元共振，进而提高拉曼散射。

在一个实施例中，所述散射层143可以为贵金属材料。所述散射层143可以为金、银。

在一个实施例中，制作所述扫描探针10的方法如下：

1、选取扫描探针10材料，如钨丝、银丝、金丝、铂丝等。

2、选择化学腐蚀试剂：盐酸、硝酸、稀硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、硫酸镁、硫酸铜、氯化钠、氯化铜等。

3、选择仪器设备：电机控制针尖制备装置、暗场光学显微镜、3～5Wa输出功率1550nm的激光器、微量移液进样器等。

4、环境要求：

i)恒温20℃±0.5℃、恒湿：>70％、

ii)通风：大环境保持气流稳定，不要在求通风橱中进行；

5、整体工艺：

S10；根据金属丝材料属性和化学性质的要求，配置特定浓度的化学蚀剂及化学蚀剂缓冲溶液，如NaOH/NaHCO3溶液等。

S20；化学蚀剂安装在石英材料的U形连通化学反应器中。U形器内径Ф1cm，外径Ф2.4cm。端口可封闭。使电化学反应在相对密闭环境中进行。且U形器外有循环水冷淋，保持电化学反应过程中管内温度恒定。

S30；选取一段0.5mm～1cm金属丝，夹持在上电级(阳极)，保持金属丝与夹具成稳定的角度，如30度，以便于后续浸没式与液体界面角度控制；

S40；保持夹具/金属丝平移浸没到化学试剂中，浸没在液面下的金属丝任意长度，实验中为了便于调整角度，设置为0.5mm。

S50；通过显微镜观察金属丝/液面，通过微调夹具旋钮，尽可能保持金属丝与液面垂直。

S60；链接并开通电源，压电陶瓷块同步驱动夹具垂直移动金属丝，位移精度在纳米级。

首先制作形貌渐进直的扫描探针：

在上述第S60步骤过程中，将压电陶瓷块驱动设置为零，即静态腐蚀。

由于液体表面张力和爬杆效应，沿着金属丝方向约50～300μm高，在液体自身重力作用下，爬杆而上的液体表现为渐进梯度双曲。

化学反应溶液爬杆高度决定电化学腐蚀后针尖的长径比。长径比决定性因素是化学反应试剂的浓度和电流大小。

步骤S50中，静态电化学腐蚀开始后，电化学反应在液体-空气界面处进行，将金属丝腐蚀。爬杆而上的一段液体同步进行腐蚀。由于化学反应物质的量和体积的差异，(可以计算出各微小区域化学的物质的量)，爬杆而上的这一段长度的腐蚀保持液面的渐进梯度双曲面型。继续反应一段时间后，直到浸没在液面以下的部分与液面上表面的金属丝自发断开，即可获得面型为直的扫描探针针尖，如图5所示。

请参见图6，电流发生突变。发生突变后，采用压电陶瓷大行程驱动将所述探针主体110从液面移开用清水淋洗数次，即可得到高性能直针尖。

在所述直针尖基础上制备带有所述弯钩部130的扫描探针10。具体工艺如下：

S100；断电。所述直针尖电流响应跳变后，通过系统反馈程序关闭电化学腐蚀装置电源。

S200；拉离。通过压电陶瓷快驱动，将所述直针尖与溶液分离，拉离U型管管口2cm。

S300；淋洗。在压电陶瓷驱动拉离液面的同时，采用饱和浓度NaHCO3缓冲溶液淋洗所述直针尖2次，再采用异丙醇淋洗针尖表面2次，保持在很短时间内终止针尖金属的化学腐蚀反应。

S400；定位。保持所述直针尖与夹具的夹持角度不变，在暗场光学显微镜下确定所述直针尖的空间位置。固定暗场显微镜成像系统，通过压电陶瓷驱动所述直针尖空间向上移动，移动精度为纳米量级。并确定所述直针尖移动高度。调整聚焦到针尖表面。

S500；微区化学试剂定位。采用微量化学移液管，并填装2.5μL电化学腐蚀溶液，滴加到聚焦光斑的位置。

S600；3～5W输出功率的1550nm激光定位。基于暗场光学显微镜系统，链接3～5W输出功率的激光进入光路，并导向针尖上液滴/焦点的位置。在光照后，促进化学试剂的腐蚀。由于激光热效应，化学反应快速进行约3～5秒后自发终止。这样在焦点位置，形成一个平整的微小表面，这一表面将在应用中起到定位和参考面的作用。高功率激光进一步对这个参考面加热，30秒后所述直针尖在热效应和重力作用下发生弯曲构成所述弯钩部130，所述直针尖未弯曲的部分构成所述探针主体110和所述延伸体120。所述弯钩部130弯曲的角度可以用激光加热时间来确定。并可以在暗场光学成像系统中直接观察到弯曲角度。达到预期角度，关闭高功率激光器。用异丙醇淋洗针尖，清洗掉针尖表面残留的化学蚀剂和反应产物，针尖冷却到室温，从而得到所需要角度所述扫描探针10。如图7所示。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种扫描探针，其特征在于，包括：

探针主体(110)；

延伸体(120)，设置于探针主体(110)的一端；

弯钩部(130)，设置于所述延伸体(120)远离所述探针主体(110)的一端。

2.如权利要求1所述的扫描探针，其特征在于，所述弯钩部(130)包括弯折体(131)，所述弯折体(131)与所述延伸体(120)垂直连接。

3.如权利要求1所述的扫描探针，其特征在于，所述弯钩部(130)包括螺旋体(132)，所述螺旋体(132)的一端与所述延伸体(120)远离所述探针主体(110)的一端连接。

4.如权利要求3所述的扫描探针，其特征在于，所述螺旋体(132)的螺距从所述延伸体(120)朝向所述螺旋体(132)延伸的方向逐渐变小。

5.如权利要求1所述的扫描探针，其特征在于，还包括标志部(140)，设置于所述延伸体(120)或者所述弯钩部(130)的表面。

6.如权利要求5所述的扫描探针，其特征在于，所述标志部(140)包括设置于所述延伸体(120)表面的凸起(141)。

7.如权利要求1所述的扫描探针，其特征在于，所述延伸体(120)或者所述弯钩部(130)的表面设置有凹槽(142)。

8.如权利要求1所述的扫描探针，其特征在于，所述延伸体(120)和所述弯钩部(130)的表面设置有散射层(143)。

9.如权利要求8所述的扫描探针，其特征在于，所述散射层(143)为贵金属材料。

10.如权利要求1所述的扫描探针，其特征在于，所述探针主体(110)、所述延伸体(120)和所述弯钩部(130)一体成型。

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