CN116460425B - 基于激光的单颗粒微电极制备装置 - Google Patents
基于激光的单颗粒微电极制备装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于激光的单颗粒微电极制备装置，操作平台用于放置颗粒体，激光器具有初始投射路径，激光器被配置为沿着初始投射路径投射激光，投射的激光被配置为用于融化连接材料，融化的连接材料被配置为用于将颗粒体导电连接在提供的探针上。上述基于激光的单颗粒微电极制备装置中，利用激光融化连接材料的过程中，并不需要真空环境，连接材料融化至冷却凝固的过程也不需要真空环境，摒弃了借助于FIB/SEM系统的真空环境，在探针上沉积金属后完成单颗粒微电极的制备方案，不需要在每制备出一个单颗粒微电极后都需要更换探针，再次对FIB/SEM系统的操作室重新抽真空的步骤，从制备原理的根本上解决了单颗粒微电极制备过程耗时长的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及微电极制备技术领域，特别是涉及基于激光的单颗粒微电极制备装置。
背景技术
现有技术中，单颗粒微电极的制备一般需要利用FIB/SEM系统(同时具有聚焦离子束和扫描电子显微镜的系统)进行操作，FIB/SEM系统的操作室内具有微纳操作器，微纳操作器用来夹持探针，在探针上沉积金属后完成单颗粒微电极的制备，每当一个单颗粒微电极制备完成后，需要更换操作室内的探针，然后将经过绝缘物质包覆的探针靠近颗粒，在探针上沉积金属后完成微电极制备。
但是，由于每次更换探针后都需要再次对FIB/SEM系统的操作室重新抽真空，导致制备过程耗时较长，常规情况下一个单颗粒微电极的制备过程至少需要一个小时的抽真空时间，并且，频繁打开操作室容易导致灰尘进入，污染操作室，进而导致系统的损坏。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于激光的单颗粒微电极制备装置。
一种基于激光的单颗粒微电极制备装置，所述单颗粒微电极制备装置包括：
操作平台，所述操作平台用于放置颗粒体；
激光器，所述激光器具有初始投射路径，所述激光器被配置为沿着所述初始投射路径投射激光，投射的所述激光被配置为用于融化连接材料，融化的所述连接材料被配置为用于将所述颗粒体导电连接在提供的探针上。
在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置包括：
显微镜，所述显微镜具有观测路径，所述激光器沿着所述显微镜的观测路径向所述颗粒体投射所述激光。
在其中一个实施例中，所述激光器的初始投射路径与所述显微镜的观测路径重合。
在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置包括：
折射组件，所述折射组件位于所述操作平台和所述激光器之间，所述激光器的初始投射路径与所述显微镜的观测路径呈角度，所述折射组件用于将所述激光器投射的激光折射至所述显微镜的观测路径，并沿着所述显微镜的观测路径向所述颗粒体投射。
在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置包括：
微纳手，所述微纳手与所述探针控制连接，用于控制所述探针相对于所述颗粒体移动。
在其中一个实施例中，所述操作平台具有操作台面，所述操作台面上划分为多个颗粒定位区，每个所述颗粒定位区用于定位一个所述颗粒体，所述微纳手用于控制不同的所述探针依次运动至不同的所述颗粒定位区，朝向不同的所述颗粒体移动。
在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置包括：
平移组件，所述平移组件与所述显微镜控制连接，用于控制所述显微镜依次运动至不同的所述颗粒定位区，使得所述显微镜的观测路径对准不同的所述颗粒体。
在其中一个实施例中，所述激光器为飞秒激光器，所述飞秒激光器投射的激光为飞秒激光。
在其中一个实施例中，所述连接材料为涂覆在所述探针的尖端的金属涂层，所述探针的尖端和所述颗粒体通过融化的金属涂层导电连接。
在其中一个实施例中，所述连接材料为涂覆在所述探针的尖端的粘接涂层，所述探针的尖端与所述颗粒体导电接触，所述探针通过融化的粘接涂层与所述颗粒体粘接固定。
上述基于激光的单颗粒微电极制备装置中，利用激光融化连接材料的过程中，并不需要真空环境，连接材料融化至冷却凝固的过程也不需要真空环境，因此，将探针和颗粒体导电连接的过程中，整个工艺过程不再需要真空环境，摒弃了借助于FIB/SEM系统的真空环境，在探针上沉积金属后完成单颗粒微电极的制备方案，不需要在每制备出一个单颗粒微电极后都需要更换探针，再次对FIB/SEM系统的操作室重新抽真空的步骤，从制备原理的根本上解决了单颗粒微电极制备过程耗时长的技术问题，也根本上地解决了频繁打开操作室导致灰尘进入，污染操作室，导致系统损坏的问题。
附图说明
图1为本发明一个实施例中提供的基于激光的单颗粒微电极制备装置的使用状态示意图；
图2为本发明另一个实施例中提供的基于激光的单颗粒微电极制备装置的使用状态示意图；
图3为本发明一个实施例中提供的探针的光学显微镜图；
图4为本发明一个实施例中提供的探针的尖端的光学显微镜图；
图5为本发明一个实施例中提供的探针的尖端和颗粒体导电连接的光学显微镜图。
附图标号：
A、探针；B、颗粒体；C、连接材料；
1000、操作平台；2000、激光器；3000、显微镜；4000、折射组件；5000、微纳手；1000a、操作台面；2000a、激光；2000b、初始投射路径；3000a、观测路径。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1和图2所示，图1和图2分别展示了两种不同的单颗粒微电极制备装置，其中，图1中的单颗粒微电极制备装置是未借助于折射组件4000投射激光2000a的形式，图2中的单颗粒微电极制备装置是需要借助于折射组件4000投射激光2000a的形式，具体将在下文详细阐述。本发明一实施例提供了一种基于激光2000a的单颗粒微电极制备装置，所述单颗粒微电极制备装置包括操作平台1000和激光器2000，所述操作平台1000用于放置颗粒体B，所述激光器2000具有初始投射路径2000b，所述激光器2000被配置为沿着所述初始投射路径2000b投射激光2000a，投射的所述激光2000a被配置为用于融化连接材料C，融化的所述连接材料C被配置为用于将所述颗粒体B导电连接在提供的探针A上。在其中一个实施例中，所述激光器2000可以采用为飞秒激光器2000，所述飞秒激光器2000投射的激光2000a为飞秒激光2000a。提供飞秒激光的时间为可以限定在1min至10min之间、飞秒激光器的功率可以控制在10mW至200mW之间。连接材料的每次施加量可以控制在1mg左右，本领域技术人员可以根据需求调整，在此不做限定。
结合图1至图5所示，探针A采用为可导电的金属探针A，金属探针A上包覆有绝缘层，探针A的材质可以采用为易加工的硬质金属，如钨、钨钢合金、铍铜合金等材料，绝缘层可以采用为聚四氟乙烯、PFA、无定形氟树脂溶液等其他溶液。其中，探针A的尖端露出，露出的尖端用于连接颗粒体B，在其中一个实施例中，可以采用铂丝(直径10微米以上)作为金属探针A，将聚四氟乙烯或者玻璃等绝缘材料包覆于铂丝上形成绝缘层，铂丝露出尖端，用来连接颗粒体B。探针A的尖端裸露长度越小，绝缘效果越好，例如，探针A的尖端裸露长度L<100微米。颗粒体B采用为商用电池材料，即待测电池的材料，颗粒体B的粒径范围约为0.1-30μm。
在对探针A和颗粒体B进行导电连接过程中，连接材料C可以选择采用能够被激光2000a融化的材料，例如金属材料、粘接材料等，金属材料和粘接材料等需要具备特定的熔点，材料被融化后能够在撤离激光2000a照射时自主冷却凝固，进而实现对探针A和颗粒体B的连接。当利用本发明提供的单颗粒微电极制备装置制备单颗粒微电极时，由于激光2000a能够顺利地在空气中投射，因此，利用激光2000a融化连接材料C，并利用连接材料C连接探针A和颗粒体B的过程中，并不需要借助于真空环境进行导电连接，而是仅需要在常规的实验室环境中操作即可，不需要针对性地提供特殊的操作环境，因此，可以减少构建真空环境的时间和成本。
因为，借助于FIB/SEM系统(同时具有聚焦离子束和扫描电子显微镜3000的系统)制备单颗粒微电极时，制备原理是利用离子或电子诱导的方式，气体分子需要被阻隔掉，所以不能缺少真空环境，但是，本发明采用了完全不同的制备原理，激光2000a投射并融化连接材料C的过程中完全不需要真空环境，制备过程完全脱离于FIB/SEM系统，并不依赖于FIB/SEM系统进行探针A和颗粒体B的连接加工。
由此可知，基于激光2000a的单颗粒微电极制备装置的优点在于：利用激光2000a融化连接材料C的过程中，并不需要真空环境，连接材料C融化至冷却凝固的过程也不需要真空环境，因此，将探针A和颗粒体B导电连接的过程中，整个工艺过程不再需要真空环境，摒弃了借助于FIB/SEM系统(同时具有聚焦离子束和扫描电子显微镜3000的系统)的真空环境，在探针A上沉积金属后完成单颗粒微电极的制备方案，不需要在每制备出一个单颗粒微电极后都需要更换探针A，再次对FIB/SEM系统的操作室重新抽真空的步骤，从制备原理的根本上解决了单颗粒微电极制备过程耗时长的技术问题，也根本上地解决了频繁打开操作室导致灰尘进入，污染操作室，导致系统损坏的问题。
融化后又冷却凝固的连接材料C将所述探针A和所述颗粒体B导电连接，包括了所述探针A和所述颗粒体B直接地导电连接，或者是所述探针A和所述颗粒体B通过连接材料C间接地导电连接，因此，就要取决于连接材料C的特性。在其中一个实施例中，所述探针A的尖端与所述颗粒体B直接地导电接触，因此，此时所述连接材料C可以采用为非导电的粘接剂，粘接剂仅具备粘接功能、而不具备导电特性，因此，所述探针A的尖端和所述颗粒体B之间的导电连接主要依靠所述探针A的尖端与所述颗粒体B之间的导电接触，而所述粘接剂仅用于将所述探针A的尖端和所述颗粒体B粘接连接。
此时，粘接剂可以单独施加在探针A的尖端和颗粒体B之间，或者粘接剂可以直接预先涂覆在所述探针A的尖端，在探针A的尖端形成粘接涂层，激光2000a直接投射到探针A的尖端即可完成对连接材料C的融化，使得所述探针A通过融化的粘接涂层与所述颗粒体B粘接，并在粘接图层冷却凝固后完成对探针A的尖端和颗粒体B的连接固定。
或者，在其中一个实施例中，所述连接材料C可以采用为具备导电性的金属材料，例如，所述连接材料C为涂覆在所述探针A的尖端的金属涂层，所述探针A的尖端和所述颗粒体B通过融化的金属涂层导电连接。此时，所述探针A的尖端与所述颗粒体B可以不直接导电接触，而是通过融化的金属涂层导电连接。例如，金属涂层采用为镀铜涂层或镀镍涂层等，当连接材料C不同时，只需要调整激光器2000的功率以适应相应材料的熔点即可，本领域技术人员可以根据需求选择，在此不做限定。
单颗粒微电极制备装置制备单颗粒微电极的过程中，需要将探针A和颗粒体B靠近或接触，以便粘连接材料C能够在合理的空间内将探针A和颗粒体B粘连，因此，单颗粒微电极的过程中涉及探针A和颗粒体B的相对移动、以及激光2000a投射的精准度，由于探针A和颗粒体B的尺寸很小，通常需要在尺寸为几微米的区域内进行操作，并精确地掌握探针A和颗粒体B之间的相对位置。
因此，在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置包括显微镜3000，显微镜3000可以用来观测探针A的尖端和颗粒体B，以及观测连接材料C的位置、融化和冷却过程等，其中，所述显微镜3000具有观测路径3000a，观测路径3000a即工作人员通过显微镜3000观测探针A、颗粒体B以及连接材料C过程中实时观测到的场景，因此，借助于显微镜3000的观测路径3000a，所述激光器2000沿着所述显微镜3000的观测路径3000a向所述颗粒体B投射所述激光2000a，当工作人员利用显微镜3000观测探针A的尖端、颗粒体B以及连接材料C时，一旦探针A的尖端、颗粒体B以及连接材料C移动至同一位置，做好激光2000a融化准备时，激光器2000沿着观测路径3000a投射激光2000a便能够直接地投射至连接材料C上，将连接材料C融化，而不必再另外调节激光2000a的投射路径，所见即所得，提高连接效率。
参阅图1所示，在其中一个实施例中，所述激光器2000的初始投射路径2000b与所述显微镜3000的观测路径3000a重合，此时，激光器2000和显微镜3000同时朝向探针A的尖端和颗粒体B，激光器2000投射激光2000a时只需要按着初始投射路径2000b投射激光2000a即可控制激光2000a沿着观测路径3000a投射至探针A的尖端和颗粒体B。或者参阅图2所示，所述激光器2000的初始投射路径2000b与所述显微镜3000的观测路径3000a呈角度，在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置包括折射组件4000，所述折射组件4000位于所述操作平台1000和所述激光器2000之间，所述折射组件4000用于将所述激光器2000投射的激光2000a折射至所述显微镜3000的观测路径3000a，并沿着所述显微镜3000的观测路径3000a向所述颗粒体B投射，本领域技术人员可以选择合适的方式投射激光2000a，在此不做限定。
继续参阅图2所示，折射组件4000可以包含一个或多个折射部件，折射部件可以为具有折射功能的折射镜等，在其中一个具体的实施例中，所述折射组件4000可以包括三个折射部件，即第一折射部件、第二折射部件和第三折射部件，所述第一折射部件用于将所述激光器2000投射的激光2000a折射至朝向第一折射路径投射，所述第一折射路径垂直于所述激光器2000的初始投射路径2000b，所述第二折射部件用于将所述第一折射部件折射后的激光2000a折射至朝向第二折射路径投射，所述第二折射路径垂直于所述第一折射路径，所述第三折射部件用于将所述第二折射部件折射后的激光2000a折射至朝向第三折射路径投射，所述第三折射路径垂直于所述第二折射路径，所述第三折射路径与所述显微镜3000的观测路径3000a重合，本领域技术人员可以选择合适数量的折射部件构建折射组件4000，在此不做限定。
单颗粒微电极制备装置制备单颗粒微电极的过程中，需要将探针A和颗粒体B靠近或接触，以便粘连接材料C能够在合理的空间内将探针A和颗粒体B粘连，因此，单颗粒微电极的过程中涉及探针A和颗粒体B的相对移动，由于探针A和颗粒体B的尺寸很小，通常需要在尺寸为几微米的区域内进行操作，并精确地掌握探针A和颗粒体B之间的相对位置，所以，在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置可以包括微纳手5000，所述微纳手5000与所述探针A控制连接，用于控制所述探针A相对于所述颗粒体B移动，借助于微纳手5000的精准控制位移，能够在几微米的尺寸范围内实施对探针A的位移控制，使得需要连接探针A和颗粒体B时，能够将探针A朝向颗粒体B移动，从而精确地对准颗粒体B，在几微米的尺寸范围内形成位置的精确把控，同时，能够在更换探针A，制备下一个单颗粒微电极时准确的夹持控制更换的探针A，至于微纳手5000的具体结构形式和尺寸，本领域技术人员可以基于实际操作需求进行选择，在此不做限定。
操作平台1000可以采用多种结构形式，只要能够用来放置颗粒体B即可，例如，在其中一个实施例中，所述操作平台1000可以具有操作台面1000a，所述操作台面1000a上划分为多个颗粒定位区，每个所述颗粒定位区用于定位一个所述颗粒体B，所述微纳手5000用于控制不同的所述探针A依次运动至不同的所述颗粒定位区，朝向不同的所述颗粒体B移动，因此，借助于操作台面1000a上划分出来的多个颗粒定位区，能够一次性地将多个颗粒体B均匀地放置在操作台面1000a上，基于颗粒定位区的精准划分，微纳手5000可以借助于图象识别等自动化识别技术，通过自动化控制的方式自动地实施更换探针A、移动探针A，移动到存在颗粒体B的不同颗粒定位区，依次地实施不同探针A和不同颗粒体B的粘连，高效地实施大量单颗粒微电极的制备工作，提高制备效率。
基于操作台面1000a上颗粒定位区的精准划分，在其中一个实施例中，所述单颗粒微电极制备装置还可以包括平移组件，平移组件可以采用为机械臂等能够实施显微镜3000位移微控制的机构，所述平移组件与所述显微镜3000控制连接，用于控制所述显微镜3000依次运动至不同的所述颗粒定位区，使得所述显微镜3000的观测路径3000a对准不同的所述颗粒体B。微纳手5000可以单独控制探针A朝向颗粒体B移动，同时，平移组件可以同步地控制所述显微镜3000切换不同的观测对象，即不同的探针A和颗粒体B。
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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于激光的单颗粒微电极制备装置，用于制备单颗粒微电极，其特征在于，所述单颗粒微电极包含可导电的金属探针和颗粒体，所述金属探针的一部分包覆有绝缘层，所述金属探针的尖端外露于所述绝缘层，用于导电连接所述颗粒体，所述单颗粒微电极制备装置包括：
操作平台，所述操作平台用于在非真空环境中放置所述颗粒体，所述金属探针的尖端的裸露长度小于100微米，所述颗粒体的粒径范围在0.1微米至30微米之间；
激光器，所述激光器具有初始投射路径，所述激光器被配置为沿着所述初始投射路径投射激光，投射的所述激光被配置为用于融化连接材料，融化的所述连接材料被配置为施加在所述金属探针的尖端；
将所述颗粒体与所述金属探针的尖端导电连接，所述连接材料经冷却凝固将所述颗粒体固定在所述金属探针上，完成所述单颗粒微电极的制备。
2.根据权利要求1所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述单颗粒微电极制备装置包括：
显微镜，所述显微镜具有观测路径，所述激光器沿着所述显微镜的观测路径向所述颗粒体投射所述激光。
3.根据权利要求2所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述激光器的初始投射路径与所述显微镜的观测路径重合。
4.根据权利要求2所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述单颗粒微电极制备装置包括：
折射组件，所述折射组件位于所述操作平台和所述激光器之间，所述激光器的初始投射路径与所述显微镜的观测路径呈角度，所述折射组件用于将所述激光器投射的激光折射至所述显微镜的观测路径，并沿着所述显微镜的观测路径向所述颗粒体投射。
5.根据权利要求2所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述单颗粒微电极制备装置包括：
微纳手，所述微纳手与所述金属探针控制连接，用于控制所述金属探针相对于所述颗粒体移动。
6.根据权利要求5所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述操作平台具有操作台面，所述操作台面上划分为多个颗粒定位区，每个所述颗粒定位区用于定位一个所述颗粒体，所述微纳手用于控制不同的所述金属探针依次运动至不同的所述颗粒定位区，朝向不同的所述颗粒体移动。
7.根据权利要求6所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述单颗粒微电极制备装置包括：
平移组件，所述平移组件与所述显微镜控制连接，用于控制所述显微镜依次运动至不同的所述颗粒定位区，使得所述显微镜的观测路径对准不同的所述颗粒体。
8.根据权利要求1所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述激光器为飞秒激光器，所述飞秒激光器投射的激光为飞秒激光。
9.根据权利要求1所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述连接材料为涂覆在所述金属探针的尖端的金属涂层，所述金属探针的尖端和所述颗粒体通过融化的金属涂层导电连接。
10.根据权利要求1所述的单颗粒微电极制备装置，其特征在于，所述连接材料为涂覆在所述金属探针的尖端的粘接涂层，所述金属探针的尖端与所述颗粒体导电接触，所述金属探针通过融化的粘接涂层与所述颗粒体粘接固定。
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