CN113376405A - 一种光纤探针及其组装方法 - Google Patents

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杨树明
李少博
王飞
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Abstract

本发明公开了一种光纤探针及其组装方法，该光纤探针包括锥形光纤探针和一维纳米材料，一维纳米材料的一端通过金属层与锥形光纤探针的尖端连接，锥形光纤探针和一维纳米材料同轴，所述一维纳米材料采用纳米线或纳米管，长径比≥10：1。组装方法包括如下过程：将锥形光纤探针的尖端和一维纳米材料的一端接触；在锥形光纤探针和一维纳米材料的接触部位，利用电子束沉积的方法诱导沉积一层金属，沉积的金属层将一维纳米材料固定在锥形光纤探针的尖端位置；对沉积的金属层利用微纳加工方法进行修饰加工，得到所述光纤探针。本发明中，探针表面未受到破坏、表面光滑，能够避免现有技术中由于组装光纤探针时探针表面受到破坏、表面粗糙带来的缺陷。

Description

一种光纤探针及其组装方法
技术领域
本发明属于微纳米制造技术领域，特别是涉及一种光纤探针及其组装方法。
背景技术
微型航天器控制和惯性制导器件、飞行器隐身等军事装备功能的实现依赖于高精度复杂微纳结构的特殊功能，其特征尺寸一般在纳米级别(＜50nm)，且深度可能达到微米级。对于复杂微纳结构，特别是高深宽比微纳结构，现有技术难以进行精确三维结构测量以指导精确加工并保证其功能应用的有效性。
目前，在纳米测量领域，仍以扫描探针显微镜等高端显微镜作为主要测量仪器，其中，探针的尺寸形状决定着成像性能。但由于扫描探针为锥形或金字塔形，虽然能得到10nm左右的横向分辨率，但本身的形状限制了其在大深宽比微纳结构中的测量应用。如，普通原子力探针在测量深沟槽结构时会出现加宽效应，这种假象成像导致其不能准确测量沟槽深度。为了解决大深宽比微纳结构测量，基于AFM探针的大长径比探针被提出并应用于深沟槽结构的测量，并得到较好的成像分辨率。但基于AFM探针的大长径比探针仅适合接触测量，仅能得到样品的横向和纵向尺寸，对于样品的材料、应力等光谱信息测量无能为力，而这些光学信息也是决定微纳结构器件功能的关键信息，为了得到大深宽比微纳结构的形状、性质等多重信息测量结构，迫切需要设计并制备一种能够将光学测量和普通原子力接触式测量相结合的一种大长径比光纤探针来解决上述测量难题。
传统的大长径比探针制备方法需要破坏原子力探针(如孔隙生长法)或者腐蚀并导致原子力探针表面结构破坏(如基于溶液的生长法和组装发)，这些方法仅适用于普通原子力探针结合一维纳米材料。对于需要光滑探针表面导光和大长径比一维纳米材料精确定位的光纤式大长径比探针，如果按照现有传统的大长径比探针制备方法进行组装，使得光纤探针的表面会被破坏，则无法利用其进行导光，进而无法用于光学测量。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种光纤探针及其组装方法，本发明的光纤探针中，光纤探针表面未受到破坏，表面光滑，能够保证光纤探针的导光能力，进而能够用于光学测量。
本发明采用的技术方案如下：
一种光纤探针，包括锥形光纤探针和一维纳米材料，一维纳米材料的一端通过金属层与锥形光纤探针的尖端连接，锥形光纤探针和一维纳米材料同轴，所述一维纳米材料采用纳米线或纳米管，长径比≥10：1。
优选的，锥形光纤探针表面镀有金属膜层，金属膜层材料为金、银或铝，厚度为10nm～150nm。
优选的，锥形光纤探针形状为锥体，锥体角为10°～80°，锥体针尖直径为5nm～200nm。
优选的，所述一维纳米材料直径为5nm～200nm，长度为50nm～2μm，尖端直径不大于10nm。
优选的，所述金属层材料为金、银或铝。
本发明还提供了一种光纤探针的组装方法，包括如下过程：
将锥形光纤探针的尖端和一维纳米材料的一端接触，锥形光纤探针和一维纳米材料同轴，所述一维纳米材料采用纳米线或纳米管；
在锥形光纤探针和一维纳米材料的接触部位，利用电子束沉积的方法诱导沉积一层金属，沉积的金属层将一维纳米材料固定在锥形光纤探针的尖端位置；
对沉积的金属层利用微纳加工方法进行修饰加工，使一维纳米材料的长径比不小于10:1，得到所述光纤探针。
优选的，将锥形光纤探针的尖端和一维纳米材料的一端接触的过程包括：
将锥形光纤探针固定在纳米操作机械手上；
将一维纳米材料放置于载玻片上，所述载玻片利用导电胶固定在金属载物台上；
将纳米操作机械手和金属载物台放置于扫描电子显微镜真空腔室内，在电子显微镜观察下控制纳米操作机械手，使锥形光纤探针接近并吸附载玻片上的一维纳米材料的一端，实现锥形光纤探针的尖端和一维纳米材料的一端接触。
优选的，对一维纳米材料利用微纳加工方法进行修饰加工时，将一维纳米材料的尖端直加工为径不大于10nm，得到最终的光纤探针，其中所述微纳加工方法包括聚焦离子束加工方法或激光加工方法。
优选的，电子束沉积金属材料包括金、银或铝。
优选的，所述锥形光纤探针为表面镀有金属膜层的锥形光纤探针；所述金属膜层材料为金、银或铝，厚度为10nm～150nm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明光纤探针中，一维纳米材料的一端通过金属层与锥形光纤探针的尖端直接连接，该连接形式是一种非破坏式的连接结构，因此不会破坏锥形光纤探针表面质量，能够得到光滑的光纤探针表面，保证导光性，并用于导光进行光学信息测量。一维纳米材料的长径比≥10：1，可以看出，该一维纳米材料为大长径比的结构，因此，本发明的光纤探针可被用于高深宽比微纳结构的测量，使得能够进行精确三维结构测量以指导精确加工并保证其功能应用的有效性，满足大深宽比微纳功能结构的形状、性质等多重信息测量要求。
本发明光纤探针的组装方法中，在锥形光纤探针和一维纳米材料的接触部位，利用电子束沉积的方法诱导沉积一层金属，沉积的金属层将一维纳米材料固定在锥形光纤探针的尖端位置，利用电子束沉积的方法不会导致锥形光纤探针表面破坏的问题，利用微纳加工方法进行修饰加工，得到最终的具有预设长径比的光纤探针。综上，本发明的组装方法能够得到表面未被破坏的光纤探针，使得具有一维纳米材料长径比不小于10:1的光纤探针能够用于导光、进行光学信息测量。
进一步的，将纳米操作机械手和金属载物台放置于扫描电子显微镜真空腔室内进行组装，能够实时监控组装过程，精确控制光纤探针和一维纳米材料的组装位置。
附图说明
图1是本发明光纤探针组装示意图；
图2是本发明实施例中沉积并固定光纤探针针尖处一维纳米材料示意图。
图中，1-扫描电子显微镜真空腔室，2-锥形光纤探针，3-纳米操作机械手，4-石英音叉谐振传感器，5-碳纳米管，6-载玻片，7-金属载物台，8-电子束，9-金属层。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方法对本发明做清楚、具体的说明。
参照图2，本发明的光纤探针包括锥形光纤探针2和一维纳米材料，一维纳米材料的一端通过金属层与锥形光纤探针2的尖端连接，锥形光纤探针2和一维纳米材料同轴；所述一维纳米材料采用纳米线或纳米管，长径比≥10：1。
作为本发明优选的实施方案，锥形光纤探针2表面镀有金属膜层，金属膜层材料为金、银或铝，厚度为10nm～150nm。
作为本发明优选的实施方案，锥形光纤探针2形状为锥体，锥体角为10°～80°，锥体针尖直径为5nm～200nm。
作为本发明优选的实施方案，所述一维纳米材料直径为5nm～200nm，长度为50nm～2μm。
作为本发明优选的实施方案，所述金属层材料为金、银或铝。
本发明还提供了一种光纤探针的组装方法，包括如下过程：
将锥形光纤探针2的尖端和一维纳米材料的一端接触，锥形光纤探针2和一维纳米材料同轴，所述一维纳米材料采用纳米线或纳米管；
在锥形光纤探针2和一维纳米材料的接触部位，利用电子束沉积的方法诱导沉积一层金属，沉积的金属层将一维纳米材料固定在锥形光纤探针2的尖端位置；
对沉积的金属层利用微纳加工方法进行修饰加工，使得一维纳米材料达到最终的尺寸，使一维纳米材料的长径比不小于10:1，得到所述光纤探针。
作为本发明优选的实施方案，将锥形光纤探针2的尖端和一维纳米材料的一端接触的过程包括：
将锥形光纤探针2固定在纳米操作机械手上；
将一维纳米材料放置于载玻片上，所述载玻片利用导电胶固定在金属载物台上；
将纳米操作机械手和金属载物台放置于扫描电子显微镜真空腔室内，在电子显微镜观察下控制纳米操作机械手，使锥形光纤探针2接近并吸附载玻片上的一维纳米材料的一端，实现锥形光纤探针2的尖端和一维纳米材料的一端接触。
作为本发明优选的实施方案，对一维纳米材料利用微纳加工方法进行修饰加工，使一维纳米材料的尖端直径不大于10nm，得到最终的光纤探针，其中所述微纳加工方法包括聚焦离子束加工方法或激光加工方法。
作为本发明优选的实施方案，电子束沉积金属材料包括金、银或铝。
作为本发明优选的实施方案，上述制备方法中，锥形光纤探针2为表面镀有金属膜层的锥形光纤探针；所述金属膜层材料为金、银或铝，厚度为10nm～150nm。
实施例1
本实施例光纤探针的组装方法包括以下步骤：
(1)将镀有金属膜层的锥形光纤探针2固定在石英音叉谐振传感器针脚的侧壁上，利用纳米操作机械手3夹持石英音叉谐振传感器的另一针脚；
(2)将分散的一维纳米材料放置于载玻片6上，利用导电胶将载玻片6固定到金属载物台7上；
(3)将纳米操作机械手3和金属载物台7放置于扫描电子显微镜真空腔室1内，在电子显微镜观察下控制纳米操作机械手3，使石英音叉上的锥形光纤探针2接近并吸附金属载物台7上的一维纳米材料；
(4)利用电子束诱导沉积一层金属将一维纳米材料固定在锥形光纤探针尖端的位置；
(5)利用微纳加工方法对位于光纤探针针尖位置的一维纳米材料进行修饰加工，得到光纤探针。
实施例2
本实施例提供一种大长径比的光纤探针组装方法，如图1所以，包括以下步骤：
(1)将镀有80nm厚的金膜层的锥形光纤探针2固定在石英音叉谐振传感器4针脚侧壁上，利用纳米操作机械手夹持石英音叉另一针脚，其中，锥形光纤探针2探针锥角为30°、锥尖直径为50nm；
(2)将分散的碳纳米管5放置于载玻片6上，利用导电胶将载玻片6固定到金属载物台7上；
(3)将纳米操作机械手3和金属载物台7放置于扫描电子显微镜真空腔室1内，在电子显微镜下首先找到直径为10nm，长度>100nm的碳纳米管5，然后控制纳米操作机械手3，使石英音叉上的光纤探针2接近并吸附载物台7上的碳纳米管5；
(4)利用电子束8诱导沉积金材料9，将碳纳米管5固定在光纤探针2尖端位置；
(5)利用聚焦离子束加工对位于光纤探针针尖位置的碳纳米管进行修饰加工，得到长径比10：1的光纤探针。
由上述可以看出，本发明基于纳米操作机械手的大长径比光纤探针组装方法：(1)制备过程中无需破坏光纤探针表面质量，能够得到光滑的光纤探针表面用于导光进行光学信息测量；(2)能够实时监控组装过程，精确控制光纤探针和一维纳米材料的组装位置。本发明的大长径比光纤探针组装方法能够得到探针表面光滑的大长径比光纤探针，满足大深宽比微纳功能结构的形状、性质等多重信息测量要求。

Claims (10)

1.一种光纤探针，其特征在于，包括锥形光纤探针(2)和一维纳米材料，一维纳米材料的一端通过金属层与锥形光纤探针(2)的尖端连接，锥形光纤探针(2)和一维纳米材料同轴；
所述一维纳米材料采用纳米线或纳米管，长径比≥10：1。
2.根据权利要求1所述的一种光纤探针，其特征在于，锥形光纤探针(2)表面镀有金属膜层，金属膜层材料为金、银或铝，厚度为10nm～150nm。
3.根据权利要求1所述的一种光纤探针，其特征在于，锥形光纤探针(2)形状为锥体，锥体角为10°～80°，锥体针尖直径为5nm～200nm。
4.根据权利要求1所述的一种光纤探针，其特征在于，所述一维纳米材料直径为5nm～200nm，长度为50nm～2μm，尖端直径不大于10nm。
5.根据权利要求1所述的一种光纤探针，其特征在于，所述金属层材料为金、银或铝。
6.一种光纤探针的组装方法，其特征在于，包括如下过程：
将锥形光纤探针(2)的尖端和一维纳米材料的一端接触，锥形光纤探针(2)和一维纳米材料同轴，所述一维纳米材料采用纳米线或纳米管；
在锥形光纤探针(2)和一维纳米材料的接触部位，利用电子束沉积的方法诱导沉积一层金属，沉积的金属层将一维纳米材料固定在锥形光纤探针(2)的尖端位置；
对一维纳米材料利用微纳加工方法进行修饰加工，使一维纳米材料的长径比不小于10:1，得到所述光纤探针。
7.根据权利要求6所述的一种光纤探针的组装方法，其特征在于，将锥形光纤探针(2)的尖端和一维纳米材料的一端接触的过程包括：
将锥形光纤探针(2)固定在纳米操作机械手上；
将一维纳米材料放置于载玻片上，所述载玻片利用导电胶固定在金属载物台上；
将纳米操作机械手和金属载物台放置于扫描电子显微镜真空腔室内，在电子显微镜观察下控制纳米操作机械手，使锥形光纤探针(2)接近并吸附载玻片上的一维纳米材料的一端，实现锥形光纤探针(2)的尖端和一维纳米材料的一端接触。
8.根据权利要求6所述的一种光纤探针的组装方法，其特征在于，对一维纳米材料利用微纳加工方法进行修饰加工时，将一维纳米材料的尖端直径加工为不大于10nm，得到最终的光纤探针，其中所述微纳加工方法包括聚焦离子束加工方法或激光加工方法。
9.根据权利要求6所述的一种光纤探针的组装方法，其特征在于，电子束沉积金属材料包括金、银或铝。
10.根据权利要求6所述的一种光纤探针的组装方法，其特征在于，所述锥形光纤探针(2)为表面镀有金属膜层的锥形光纤探针；所述金属膜层材料为金、银或铝，厚度为10nm～150nm。
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