CN1838332A - 将磁性纳米线附于物体上的方法和系统及由其形成的设备 - Google Patents

Abstract

提供用于将一个或多个纳米结构附着于物体上的方法和系统和由其形成的设备。一种用于将一个或多个磁性纳米线附着于物体的尖端的电泳方法，包括在液体介质中提供一个或多个磁性纳米线。该方法还包括将物体的尖端定位于该液体介质中。而且该方法可以包括向液体介质施加电场以将一个或多个磁性纳米线粘附于该尖端上。

Description

将磁性纳米线附于物体上的方法和系统及由其形成的设备

政府利益

本发明在国家宇航局(NASA)授于的授权号为5-5-58595的美国政府支持下完成的。美国政府拥有本发明的某些权利。

相关申请的交叉参考

本申请要求2005年3月18日提交的美国临时专利申请No.60/663,128的利益；本申请是2004年5月10日提交的美国专利申请No.10/842,357的继续申请；该美国专利申请的全部内容在此引作参考。

技术领域

在此描述的主题涉及一种用于将纳米结构附着于物体上的方法和系统及由其形成的设备。更特别地，在此描述的主题涉及用于将一个或多个磁性纳米线附着于物体上的方法和系统及由其形成的设备，以及涉及一种用于使用磁性纳米线制造磁力显微镜探针的电泳方法。

背景技术

磁力显微镜(MFM)是用于研究系统例如磁存储介质的表面磁结构的非破坏性的实验技术。MFM的分辨率和敏感度主要依赖于MFM探针的几何形状和磁性能。MFM探针通常通过使用硬铁磁材料例如钴基合金层涂覆原子力显微镜(AFM)悬臂的尖端来制成。这种工艺增加了探针的尖端半径。通过增加了探针尖端半径，MFM的空间分辨率增加至100nm数量级。因此，希望减小MFM探针的尖端半径。

已经研究和形成了用于产生半径减小的MFM探针的技术。这些技术包括使用电子束沉积或者聚焦离子束研磨。在一种技术中，生长碳纳米管(CNT)，并且将其附着于探针硅悬臂的顶点。CNT具有纳米尺寸直径和大的纵横比。CNT的使用增加了HFM的空间分辨率和探查深度。

已经形成了几种不同的技术以产生包括CNT的MFM探针。在一种技术中，由磁性催化剂颗粒覆盖的单个、多壁碳纳米管(MWNT)安装到扫描电子显微镜(SEM)的腔体内部商用硅悬臂的顶点上。在另一技术中，使用直接化学气相沉积(CVD)在无尖端(tipless)的Si悬臂上生长碳纳米纤维。在尖端生长CVD工艺中，密封的磁性颗粒被置于纳米纤维顶部并且提供磁力。在再另一技术中，通过在安装或者结晶生长在硅悬臂上的CNT的外部表面上溅射一层磁性膜来生产MFM探针。尽管通过使用CNT磁性探针获得的成像结果较好，但还是希望提供具有提高的分辨率和探查深度的探针。

鉴于现有磁性显微镜装置的缺点，需要提供用于改进这些装置的性能和制造工艺的方法和系统及由其产生的设备。

发明内容

根据本公开提供用于将磁性纳米线附着到物体和由其产生的设备上的以及用于使用磁性纳米线电泳制造磁力显微镜探针的新系统和方法。

因此，本公开的一个目的在于提供一种用于将磁性纳米线附着到物体上的新系统和方法及由其形成的装置，以及提供一种用于使用磁性纳米线制造磁力显微镜探针的新颖的电泳方法，以改进例如磁性显微镜装置的装置的制造工艺和分辨率。通过在此描述的主题可以至少完全或部分地实现从本公开中变得显而易见的这个和其它目的。

附图说明

现在参考附图将解释本主题的示例性实施例，其中：

图1是根据在此描述的主题的实施例的将一个或者多个磁性纳米线附着到物体的尖端上的示例性系统示意图；

图2是根据在此描述的主题的实施例的将一个或者多个磁性纳米线附着到物体的尖端上的典型工艺流程图；

图3是根据在此描述的主题的实施例的通过电沉积法合成的镍磁性纳米线的TEM图像；

图4是根据在此描述的主题的实施例的具有附着于悬臂尖端的单个磁性纳米线的原子力显微镜悬臂的示意图；

图5是根据在此描述的主题的实施例的具有附着于悬臂尖端的多个磁性纳米线的原子力显微镜悬臂的示意图；

图6是根据在此描述的主题的实施例的具有附着的镍磁性纳米线的示例性磁探针的SEM图像；

图7是根据在此描述的主题的实施例的具有附着的镍磁性纳米线的示例性磁探针的另一SEM图像；

图8、9和10是根据在此描述的主题的实施例的包括粘附的镍磁性纳米线的示例性磁力显微镜探针的SEM图像；

图11是根据在此描述的主题的实施例的使用具有磁性纳米颗粒的原子力显微镜获得的磁记录带的形貌像；

图12是根据在此描述的主题的实施例的使用具有磁性纳米颗粒的原子力显微镜获得的磁记录带的磁像；

图13A是用传统的Si原子力显微镜探针测量的校准样品的高度轮廓图；

图13B是用根据在此描述的主题的使用包括附着的镍磁性纳米线的原子力显微镜探针测量的校准样品的高度轮廓图；以及

图13C是使用包括附着至其的碳纳米管的原子力显微镜探针测量的校准样品的高度轮廓图。

具体实施方式

根据在此描述的主题的系统和方法可以用于将一个或者多个磁性纳米线附着(attaching)到物体的尖端上。例如，根据在此描述的主题的系统和方法可以用于将一个或者多个磁性纳米线附着到原子力显微镜的尖端上。

图1是根据在此描述的主题的实施例的将一个或者多个磁性纳米线MN附着到物体O的尖端TP上的通常用100表示的示例性系统示意图。在该实施例中，物体O可以是原子力显微镜的悬臂(cantilever)。可选择地，物体O可以是表面光度仪、探针、电子场致发射阴极、气体放电管、照明装置、微波功率放大器、离子枪、电子束平板印刷装置、高能加速器、自由电子激光器和平板显示器的一部分。系统100可以包括电极E、电源PS和通常用LM表示的液体介质。电极E、尖端TP和磁性纳米线MN可以置于液体介质LM中。电源PS可以在尖端TP和电极E之间施加电压差用于在液体介质LM中产生电场(通常用EF表示)。电场EF可以导致磁纳米线MN朝向尖端TP移动(在通过方向箭头A指示的方向)并且附着到尖端TP上。特别地，磁性纳米线MN的末端可以附着到尖端TP上。

图2是根据在此描述的主题的实施例的将一个或者多个磁性纳米线附着到物体的尖端上的示例性工艺流程图。在该实施例中，磁性纳米线经由正介电电泳工艺(dielectrophoresis process)被附着。参考图2，在方框200中，磁性纳米线可以合成或者其它的方法制造。磁性纳米线可以使用具有直径为15-50nm孔的阳极氧化铝模板通过电沉积来制造。电沉积可以在室温下或者在任何其它的适合温度下进行。包含硫酸镍和硼酸的水溶液可以用作电解液。在电沉积之后，纳米线可以通过在磷酸中室温下或者其它适合的温度下溶解氧化铝模板来获得。然后，纳米线可以浸在没有表面活化剂的去离子水中、离心分离并且在超声波浴中均匀化。

磁性纳米线可以是包含下述磁性材料：镍(Ni)、钴(Co)和铁(Fe)中至少一种的纳米线。

图3是根据在此描述的主题的实施例的通过电沉积法合成的镍磁性纳米线的TEM图像。纳米线的长度在大约300nm至800nm之间变化。纳米线的直径在大约20至40nm之间。

磁性纳米线可以任意选择利用包括过滤、离心分离和色谱分离法的几种技术提纯以从混合物中分离纳米线和根据直径和长度分类该纳米线。然后，对磁性纳米线进行进一步处理例如利用化学蚀刻或者利用机械加工工艺例如球磨以缩短长度。

根据另一实施例，提纯的磁性纳米线可以利用机械研磨来缩短。根据该技术，提纯的磁性纳米线材料的样品连同适合的研磨介质被置于适合的容器内部。然后，关闭容器并且将该容器置于球磨机的适合固定器中。样品研磨的时间可以改变。适合的研磨时间可以通过检查研磨的纳米线容易地确定。

再参考图2，在方框202中，磁性纳米线可以提供在液体介质中例如图1中示出的液体介质LM。液体介质可以选择那些在其中能形成未加工的纳米线的稳定悬浮液的介质。根据一个实施例，液体介质包括至少一种下述材料：去离子水、甲醇、乙醇、酒精和二甲基甲酰胺(DMF)。为了促进稳定悬浮液的形成，将纳米线添加至液体介质时，混合物可以经受超声能或搅拌例如使用磁性搅拌棒。施加超声能的时间量可以是适合的时间例如大约两个小时。

在方框204中，物体的尖端可以置于液体介质中。例如，物体O的尖端TP可以逐渐由液体介质LM的外部位置移动至液体介质LM的内部位置，如图1所示。在一个实施例中，电极E可以是置于液体介质LM中的金属环。而且，电极E和物体O可以安装在分离的移动台(translation stage)上并且置于用于观察的光学显微镜下面。电极E可以被移动以接触液体介质LM并且移动至如图1所示的位置。尖端TP可以置于液体介质LM中预定时间。而且，尖端TP可以朝向液体介质LM移动直至在电极E和尖端TP之间建立电连接。

在方框206中，为了将磁性纳米颗粒附着到尖端上可以向液体介质施加电场。为了在物体O和电极E之间产生电场预定时间，可以控制电源PS以在物体O和电极E上施加电压。当电压施加给物体O和电极E时，物体O可以用作为电极。而且，施加的电压可以变化地控制以给物体O和电极E施加交流电(AC)或直流电(DC)。在一个实施例中，施加的电压可以是2MHz的大约1-10V。电场可以导致磁性纳米颗粒朝向尖端TP移动并且附着到尖端TP上。在物体O和电极E之间施加的电场可以是大约0.1-1000V/cm，0.1-200mA/cm²的DC可以施加1秒至1小时。

在光学显微镜的引导下，在施加电场的过程中电极E可以从液体介质LM撤出(withdrawn)。一个或多个磁性纳米线的一端可以附着到尖端TP上。附着的磁性纳米线可以形成具有尖端TP的磁性尖端。磁性尖端的长度可以由在电场中物体O和电极E被彼此移开(move away)的距离来控制。在电场中物体O和电极E彼此远离的移动可以导致纳米线在移动方向上伸直并且对准。

在一个实施例中，在一个或多个磁性纳米线与物体组合(assembly)完成后，可以给该磁性纳米线和/或该物体施加保护材料。保护材料的一个实例是可以保护纳米线免遭破坏并且增加该组合结构的机械稳定性的聚合物涂覆层。

根据一个实施例，“充电器(charger)”可以添加到液体介质中以促进电泳沉积。典型的充电器包括MgCl₂、Y(NO₃)₃、AlCl₃和氢氧化钠。可以利用任何适合的量。可以使用的量为相对于含纳米线材料的量按重量计从小于大约1％直到大约50％。根据另一实施例，液体介质可以含有小于1％的充电器。

磁性纳米线移动的方向可以通过充电器材料的选择来控制。例如，使用“负”充电器，例如氢氧化钠(NaOH)将负电荷给予纳米线，由此，产生纳米线朝向正电极(阴极)移动的倾向。相反，当使用“正”充电器材料时，例如MgCl₂，正电荷被给予纳米线，由此产生纳米线朝向负电极(阳极)移动的倾向。

磁性纳米线的粘附力可以通过结合粘附促进材料例如粘结剂来提高。这些材料可以通过例如下述工序之一来引入：纳米线和粘附促进材料的颗粒共沉积、顺序沉积、预沉积粘附促进材料层等。在一个实施例中，为了附着于物体的尖端可以退火磁性纳米线。可以在适合的温度退火，例如100℃至600℃。而且，磁性纳米线可以退火适合的时间周期，例如大约1-60分钟。退火可以在大约10^-6Torr压力下或其它适合的真空压力下进行。

在一个实施例中，粘结剂例如聚合物粘结剂可以添加到磁性纳米线材料的悬浮液中，然后搅拌或声波处理以获得均匀的悬浮液。适合的聚合物粘结剂包括聚(乙烯基缩丁醛共乙烯醇共醋酸乙烯酯)和聚(偏二氟乙烯)。选择适合的充电器使得在施加的电场中，无论DC还是AC，粘结剂和纳米结构将移动至相同的电极以使用纳米结构和粘结剂的紧密混合物形成涂覆层。

粘结剂或粘附促进材料可以添加任何适当的量。可以提供的量为相对于含纳米结构材料的量按重量计从0.1-20％。

图4是根据在此描述的主题的实施例的具有附着于悬臂C的尖端TP的单个磁性纳米线MN的原子力显微镜悬臂C的示意图。参考图4，磁性纳米线MN的端部附着于悬臂C的尖端TP。而且，纳米线MN基本上是直线并且与悬臂C的锥体轴对准。纳米线MN的对准方向与在附着过程中施加的电场方向相同。磁性纳米线MN和悬臂C的组合的尖端400可以具有单磁畴。

图5是根据在此描述的主题的实施例的具有附着于悬臂C的尖端TP的多个磁性纳米线MN1、MN2和MN3的原子力显微镜悬臂C的示意图。参考图5，可以借助在此描述的附着工序，将磁性纳米线MN1、MN2的端部附着于或接近悬臂C的尖端。而且，可以借助在此描述的附着工序，将磁性纳米线MN3附着于磁性纳米线MN1、MN2上。磁性纳米线MN1、MN2和MN3基本上与悬臂C的锥体轴对准并且彼此对准。磁性纳米线MN1、MN2和MN3与悬臂C的组合的尖端500可以具有单磁畴。

图6和7是根据在此描述的主题的实施例的具有附着的镍磁性纳米线的示例性磁探针的SEM图像。探针尖端大约2μm长并且在其尖端直径大约为30nm。一束磁性纳米线附着于探针的尖端。单个磁性纳米线从该束中突出并且提供小的尖端直径。使用钴磁性纳米线形成的探针与使用镍磁性纳米线形成的探针具有相似的结构和形态。

图8、9和10是根据在此描述的主题的实施例的包括附着的镍磁性纳米线的示例性磁力显微镜探针的SEM图像。这些探针包括不同长度和形态的纳米线。这些探针在10^-6Torr真空下退火。在实验过程中发现当在800℃以上的温度退火时Ni和Co纳米线再结晶成大颗粒。虽然在退火后观察到在Si悬臂上涂覆金属的凝聚物，但是在750℃退火大约一个小时可以提高形成尖端的各个纳米线之间的附着力。

通过改变条件例如液体介质中磁性纳米线的浓度和分散度、电场强度以及物体尖端从液体介质表面撤出的速率，可以改变在物体尖端上磁性纳米线的间隔和对准。

图11和12分别是根据在此描述的主题的实施例的使用具有磁性纳米颗粒的原子力显微镜获得的磁记录带的形貌像和磁像。在成像前磁化该显微镜。用于成像的具有镍纳米线的显微镜探针包括在超过4微米×4微米上的大约30nm的尖端直径。这些图像证明了根据在此描述的系统和方法通过磁性纳米线的附着可以获得提高的空间分辨率。

图13A-13C是使用不同的原子力显微镜探针测量的校准样品的高度轮廓图。图13A是由传统的Si原子力显微镜探针提供的测量的高度轮廓图。图13B是由根据在此描述的主题的包括附着的镍磁性纳米线的原子力显微镜探针提供的测量的高度轮廓图。图13C是由包括附着至其的碳纳米管的原子力显微镜探针提供的测量的高度轮廓图。在图13A-13C中测量的侧壁显影角(sidewallangle)分别为68°、78°和84°。实际的侧壁显影角是90°。

根据在此描述的主题的系统和方法可以用于将磁性纳米线结合到表面光度仪和用于电子显微镜的探针、用于例如x射线发生装置的装置的电子场发射阴极、气体放电管、照明装置、微波功率放大器、离子枪、电子束平板印刷装置、高能加速器、自由电子激光器和平板显示器。例如，在此描述的方法可以用于将单个或一束纳米线选择地沉积到尖端上。尖端可以是例如用于包括扫描隧道显微镜(STM)、磁力显微镜(MFM)和化学力显微镜(CFM)在内的显微镜的尖端。

而且，根据在此描述的主题的系统和方法可以用于将任何适当的导电纳米颗粒附着到尖端上。例如，该系统和方法可以用于将包括磁性材料的纳米管例如碳纳米管附着于尖端上。可以使用具有成分B_xC_yN_z(B＝硼、C＝碳、N＝氮)的纳米管结构或具有成分MS₂(M＝钨、钼或氧化钒)的纳米管或同心富勒烯(fullerene)碳笼结构。

可以理解，在此描述的主题的各种细节可以改变而不脱离在此描述的主题的范围。而且，上述描述仅仅是说明性的，而不是为了限制的目的。

Claims (30)

1、一种用于将磁性纳米线附着于物体尖端的电泳方法，该方法包括：

(a)在液体介质中提供磁性纳米线；

(b)将物体的尖端定位于该液体介质中；以及

(c)向该液体介质施加电场用于将该磁性纳米线附着于该尖端。

2、权利要求1的方法，其中该磁性纳米线包括选自由镍、钴和铁组成的组中的磁性材料。

3、权利要求1的方法，其中该磁性纳米线包括过渡金属。

4、权利要求1的方法，其中该液体介质包括选自由水和酒精组成的组中的材料。

5、权利要求1的方法，其中提供磁性纳米线包括生产具有预定直径和长度的磁性纳米线。

6、权利要求1的方法，其中该尖端是原子力显微镜探针。

7、权利要求1的方法，其中将物体的尖端定位于该液体介质中包括将该物体的尖端定位于液体介质中预定时间。

8、权利要求1的方法，其中将物体的尖端定位于该液体介质中包括将该物体的尖端朝向该液体介质移动直至在电极和该尖端之间建立电接触。

9、权利要求1的方法，其中向该液体介质施加电场包括将电极定位于该液体介质中并且在该物体和该电极之间施加电压。

10、权利要求9的方法，其中在该尖端和该电极之间施加电压包括施加在大约1-20V之间的AC电压。

11、权利要求9的方法，其中在该尖端和该电极之间施加电压包括控制该电压以给该物体和该电极施加交变电流。

12、权利要求1的方法，包括向该液体介质中添加充电器。

13、权利要求1的方法，包括向该液体介质中添加粘附材料。

14、权利要求1的方法，包括在施加电场过程中从该液体介质中移走该尖端。

15、权利要求1的方法，其中在液体介质中提供磁性纳米线包括在该液体介质中提供多个磁性纳米线，以及其中向该液体介质施加电场包括向该液体介质施加电场以将多个磁性纳米线附着于该尖端。

16、一种包括尖端的装置，该尖端包括根据权利要求1的方法附着在该尖端上的磁性纳米线。

17、一种用于制造磁力显微镜探针的介电电泳方法，其中该方法包括：

(a)将一个或多个预形成的磁性纳米线浸入液体介质；

(b)放置尖端以接触该液体介质；

(c)在该尖端和与该液体介质接触的反电极之间建立电场；其中，该电场将一个或多个磁性纳米线在电场方向上对准并且朝向该尖端吸引该一个或多个磁性纳米线；以及

(d)分离该尖端和该液体介质。

18、一种用于将一个或多个磁性纳米线附着于物体尖端的系统，该系统包括：

(a)包括一个或多个磁性纳米线和物体的尖端的液体介质；

(b)定位于该液体介质中的电极；以及

(c)电源，可操作以在液体介质中在该物体的尖端和该电极之间施加电场以将一个或多个磁性纳米线附着于该尖端。

19、权利要求18的系统，其中该一个或多个磁性纳米线包括选自由镍、钴和铁组成的组中的磁性材料。

20、权利要求18的系统，其中该液体介质包括选自由水和酒精组成的组中的材料。

21、权利要求18的系统，其中该液体介质包括充电器。

22、权利要求18的系统，其中该液体介质包括粘附材料。

23、权利要求18的系统，其中该电源是可操作的以在该物体和该电极之间施加电压。

24、权利要求23的系统，其中该施加的电压在大约1-20V之间。

25、权利要求18的系统，其中该电源是可操作的以在该物体和该电极施加交变电流。

26、权利要求18的系统，其中该电源是可操作的以向该物体和该电极施加直流电。

27、权利要求18的系统，其中该液体介质包括多个磁性纳米线，以及其中该电源是可操作的以在该液体介质中在该物体的尖端和该电极之间施加电场以将多个磁性纳米线附着于该尖端。

28、一种原子力显微镜设备，包括：

(a)包括尖端的物体；和

(b)包括附着于该尖端的端部的至少一个磁性纳米线。

29、权利要求28的原子力显微镜设备，其中该磁性纳米线包括选自由镍、钴和铁组成的组中的磁性材料。

30、权利要求29的原子力显微镜设备，其中该磁性纳米线的端部通过粘附材料附着于该尖端。

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