专利名称：扫描热显微镜探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描热显微镜探针。
背景技术：
近年来，随着纳米科学技术的飞速发展，一系列可以针对纳米材料的测量技术应运而生，其中最引人注目的是原子力显微镜技术，其具有极高的分辨率。扫描热显微镜技术是在原子力显微镜技术基础上发展起来的，其通过在原子力显微镜探针上制作微型热电偶，利用温差电动势来测量纳米材料的温度和表面结构。同时利用原子力显微镜卓越的空间分辨本领来实现对温度空间分布的精确测量。
扫描热显微镜在量测材料的表面结构时，首先将探针稳定在样品表面，并向结点通直流电来加热，当探针散失到空气中的热量等于电流提供的能量时，尖端的温度达到稳定状态，这时探针比环境温度高几度。当探针接近样品时，热量向样品传输。由于样品是固体，其传热性比空气好，探针的热量散失速率将增加，因此探针尖端开始冷却，热电偶结上电压也随之下降。通过用反馈回路调节探针和样品间隙，从而控制恒温扫描，可获得材料的表面起伏情况。
扫描热显微镜在量测材料的表面的温度分布时，直接通过其探针尖端接触材料表面，由于利用材料表面不同位置温度的不同，相应的其所产生的温差电动势也不同，从而可测量纳米材料温度空间分布状况。
现有技术提供一种扫描热显微镜探针，该扫描热显微镜探针包括一第一金属层，一第二金属层，以及一设在所述第一金属层和第二金属层之间的一绝缘层，其中所述第一金属层、绝缘层和第二金属层在某一区域共同突起，形成一探针，所述第一金属层和第二金属层在探针尖端处相连，从而构成微型热电偶。然而，所述探针的空间分辨率一般局限在50纳米以上，即便是最新报道的实验结果也在20纳米左右，这种分辨率显然无法满足更细微的纳米结构的温度表征。
有鉴于此，提供一种具有高空间分辨率的扫描热显微镜探针实为必要。
发明内容以下，将以实施例说明一种具有高空间分辨率的扫描热显微镜探针。
一种扫描热显微镜探针，其包括一悬臂；一第一导电层，形成在所述悬臂表面；一绝缘层，覆在所述第一导电层表面，其具有一通孔；一第二导电层，覆在所述绝缘层表面，所述第一导电层和第二导电层在所述通孔处相连形成一热电偶区；以及一碳纳米管，其形成在所述热电偶区，该碳纳米管一端和热电偶区处的第二导电层相连，另一端为自由端。
相对于现有技术，所述扫描热显微镜探针，将碳纳米管置于扫描热显微镜探针尖端，利用碳纳米管的微小尺寸和轴向高热传导性能，可以显著提高扫描热显微镜的空间分辨率和热敏感程度，且由于扫描热显微镜探针利用碳纳米管做尖端，因此对热电偶区域无需精确控制，从而可减小蚀刻难度，降低成本。另外，由于碳纳米管具有良好的机械性能，使得上述扫描热显微镜探针耐磨不易损坏。
图1是本发明的实施例所提供的扫描热显微镜探针示意图。
具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，为本发明实施例提供的扫描热显微镜探针10，其包括一悬臂16；一第一导电层11，形成在所述悬臂16表面；一绝缘层12，覆在所述第一导电层11表面，其具有一通孔；一第二导电层13，覆在所述绝缘层12表面，所述第一导电层11和第二导电层13在所述通孔处相连形成一热电偶区14；以及一碳纳米管15，其形成在所述热电偶区14，一端和热电偶区14处的第二导电层13相连，另一端为自由端。优选地，碳纳米管15基本垂直于热电偶区14向外延伸。
所述热电偶区14为第一导电层11和第二导电层13在绝缘层12的通孔处相连形成，所述第一导电层11和第二导电层13在绝缘层12的通孔处相连的方式包括第一导电层11局部由通孔中突出所述绝缘层12外，和第二导电层13相连；第二导电层13局部通过通孔向第一导电层11突起，和第一导电层11相连。本实施例中第一导电层11局部由通孔中突出所述绝缘层12外，和第二导电层13相连。
所述第一导电层11使用的材料可选自钨、铜、硅或镁中的一种或几种的混合。所述第二导电层13使用的材料可选自金、镍或铬中的一种或几种的混合。所述碳纳米管15可为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，优选地，所述碳纳米管15为单壁碳纳米管，由于单壁碳纳米管的直径更小，因此使用单壁碳纳米管可使扫描热显微镜探针10获得更高的空间分辨率，达到10纳米以下。
所述碳纳米管15的形成方法可使用直接生长法和组装法，直接生长法包括化学气相沉积法和电弧放电法等直接在热电偶区14上生长出碳纳米管15。组装法包括在电场作用下把碳纳米管15吸附到热电偶区14，以及使用粘合物质来将碳纳米管15连接到热电偶区14。
本实施例中采用化学气相沉积法直接在热电偶区生长碳纳米管，其步骤包括步骤一提供一扫描热显微镜探针，其包括一第一导电层；一绝缘层，覆在所述第一导电层表面；一第二导电层，覆在所述绝缘层表面，所述第一导电层和第二导电层局部相连形成一热电偶区。所述第一导电层使用的材料可选自钨、铜、硅或镁中的一种或几种的混合。所述第二导电层使用的材料可选自金、镍或铬中的一种或几种的混合。
步骤二在所述热电偶区形成碳纳米管。本实施例中，首先沉积催化剂在所述热电偶区。催化剂层的厚度为5～30纳米，催化剂层沉积的方法可选用真空热蒸镀挥发法，也可选用电子束蒸发法。催化剂的材料可选用铁、钴、镍或其合金，本实施例中选用铁作为催化剂材料，其沉积的厚度为10纳米。然后，通入碳源气，在热电偶区生长碳纳米管。具体地，将带有催化剂层的热电偶区置于空气中，在300℃下退火，以使催化剂层氧化、收缩成为纳米级的催化剂颗粒。待退火完毕，再将分布有催化剂颗粒的热电偶区置于反应室(图未示)内，通入碳源气乙炔，利用化学气相沉积法，在上述催化剂颗粒上生长碳纳米管，碳源气也可选用其它含碳的气体，如乙烯等。采用上述方法形成的碳纳米管可为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，所述碳纳米管的生长高度可通过反应时间来控制，反应时间越长，碳纳米管长度越长，反应时间越短，则碳纳米管越短。
相对于现有技术，所述扫描热显微镜探针，将碳纳米管置于扫描热显微镜探针尖端，利用碳纳米管的微小尺寸和轴向高热传导性能，可以显著提高扫描热显微镜的空间分辨率达10纳米以下，且由于扫描热显微镜探针利用碳纳米管做尖端，因此对热电偶区域无需精确控制，从而可减小蚀刻难度，降低成本。且由于碳纳米管具有良好的机械性能，使得上述扫描热显微镜探针耐磨不易损坏。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种扫描热显微镜探针，其包括一悬臂；一第一导电层，形成在所述悬臂表面；一绝缘层，覆在所述第一导电层表面，其具有一通孔；一第二导电层，覆在所述绝缘层表面，所述第一导电层和第二导电层在所述通孔处相连形成一热电偶区；以及一碳纳米管，其形成在所述热电偶区，该碳纳米管一端和热电偶区处的第二导电层相连，另一端为自由端。
2.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述碳纳米管基本垂直于热电偶区。
3.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述第一导电层使用的材料选自钨、铜、硅或镁中的一种或几种的混合。
4.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述第二导电层使用的材料选自金、镍或铬中的一种或几种的混合。
5.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
6.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述碳纳米管是通过化学气相沉积法或电弧放电法形成在所述热电偶区。
7.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述碳纳米管是通过在电场作用下把碳纳米管吸附到热电偶区形成在所述热电偶区。
8.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述碳纳米管是通过粘合物质来将碳纳米管连接形成在所述热电偶区。
9.如权利要求1所述的扫描热显微镜探针，其特征在于所述扫描热显微镜探针的分辨率达10纳米以下。
全文摘要
本发明提供一种扫描热显微镜探针，其包括一悬臂；一第一导电层，形成在所述悬臂表面；一绝缘层，覆在所述第一导电层表面，其具有一通孔；一第二导电层，覆在所述绝缘层表面，所述第一导电层和第二导电层在所述通孔处相连形成一热电偶区；以及一碳纳米管，其形成在所述热电偶区，该碳纳米管一端和热电偶区处的第二导电层相连，另一端为自由端。本发明提供的扫描热显微镜探针，将碳纳米管置于扫描热显微镜探针尖端，利用碳纳米管的微小尺寸及轴向导热性能，可以显著提高扫描热显微镜的空间解析度。
文档编号B81B7/02GK1937094SQ200510037509
公开日2007年3月28日 申请日期2005年9月22日 优先权日2005年9月22日
发明者姚湲, 刘长洪, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司