一种超低粗糙度钨探针的制备装置及方法与流程

本发明涉及钨探针的制备装置及方法，具体涉及一种超低粗糙度钨探针的制备装置及方法。

背景技术：

钨探针由于具备较好的强度和刚度，在机械操作中不易弯折，而且具备良好的导电性及导热性，使其在电化学分析、材料微观结构分析(STM、AFM)、生命科学分析、电学性能测试系统中得到广泛的应用。特别是在材料微观结构分析与生命科学分析中除了对钨探针的针尖有较高的要求(针尖曲率半径越小、形状越对称，分辨率和图像的质量越高)外，对钨探针表面粗糙度也提出了很高的要求。钨针表面粗糙度越低，对于生命科学中需分析的生物材料破坏也越小，与此同时分析结果的一致性和重复性就越好。

目前对于钨探针的制备方法主要包括机械方法和物理化学方法。机械方法包括机械剪切、磨削、抛光、离子刻蚀等。相比机械方法，物理化学方法，尤其是电化学腐蚀方法，由于其能够稳定的制备具有较好的几何形貌、较小的尖端曲率半径及锥角的特点，在近来成为制备钨探针的主要方法。目前对于电化学腐蚀方法制备钨探针提出了很多的改进及优化方案，比如倒置腐蚀法、液膜法、脉冲修饰法等。但是这些方法都缺乏对于制备过程中腐蚀液参数、电源参数、电极系统参数、控制系统参数的系统性研究，因此钨探针制备的重复性、可操作性都有所缺乏，对针尖质量(针尖曲率半径、针尖锥度、针尖长-径比、针尖表面粗糙度)的可控性较低，特别是对低表面粗糙度纳尺度针尖的制备工艺方面还未见相关研究。

在利用电化学腐蚀制备钨探针过程中，一般采取静态腐蚀、单向动态腐蚀、双向动态腐蚀。其中静态腐蚀由于易于控制，操作及设计简便，已经有了相当成熟的制备工艺，只需有效控制腐蚀液浓度，电极相对位置，腐蚀电压等因素，就可以得到纳尺度的钨针尖。但是在静态腐蚀下，制备所得针尖的外形轮廓为双曲型，这使得制备的针尖的锥度和长-径比无法得到有效的控制。动态腐蚀利用步进电机或者压电陶瓷，通过控制腐蚀过程中钨丝与对电极的相对运动，能够实现对针尖长-径比的有效控制。但是单向动态腐蚀由于无法对断针进行有效的标定，因此无法对长-径比进行精确控制；并且在腐蚀过程中，为得到针尖曲率半径较小的针尖，单向动态腐蚀对钨丝运动的稳定性要求较高，这将增大腐蚀系统的搭建成本，降低腐蚀系统的可操作性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超低粗糙度钨探针的制备装置及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明基于动态电化学腐蚀原理，在有效控制针尖轮廓和长-径比的前提下，制备出超低粗糙度纳尺度钨探针。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超低粗糙度钨探针的制备装置，包括减震平台，减震平台上连接有L型固定支架，L型固定支架上连接有用于带动钨丝运动的运动控制系统，减震平台上还设置有装有腐蚀溶液的容器，且装有腐蚀溶液的容器位于钨丝的正下方，装有腐蚀溶液的容器中设置铜环对电极，装有腐蚀溶液的容器中还设有用于将铜环对电极和钨丝隔离的对电极隔离系统，且铜环对电极和钨丝分别连接至数控直流电源的负极和正极。

进一步地，运动控制系统包括设置在L型固定支架上且垂直于减震平台的轨道，轨道中设置有滑块，滑块上连接有用于驱动滑块沿轨道运动的步进电机，钨丝通过钨丝夹具连接在步进电机的底部。

进一步地，减震平台和装有腐蚀溶液的容器之间设置有手动升降台。

进一步地，所述手动升降台包括两块平行设置的平板以及设置在两块平板之间的升降架，升降架上设有用于控制升降架的手动操作杆。

进一步地，对电极隔离系统包括对电极支架，铜环对电极设置在对电极支架上，且铜环对电极和钨丝之间设置有隔离管。

进一步地，对电级支架和隔离管均为聚四氟乙烯材料；铜环对电极的外径为10mm，内径为8mm，高度为2mm；隔离管的外径为5mm，内径为4mm，高度为5mm；且铜环对电极和隔离管同心设置。

进一步地，腐蚀溶液为2mol/L的KOH溶液。

一种超低粗糙度钨探针的制备方法，采用上述超低粗糙度钨探针的制备装置，包括以下步骤：

1)采用碱性溶液超声波清洗钨丝表面附着物，将清洗完的钨丝在无水乙醇中保存备用；

2)将清洗完的钨丝连接在运动控制系统底部，调节装有腐蚀溶液的容器的位置，使钨丝浸入腐蚀溶液中；

3)根据所需钨针要求，设置步进电机运动参数，调节电流参数开始自动腐蚀，当发生断针时，切断电源，结束腐蚀过程；

4)依次用稀盐酸、去离子水和无水乙醇分别清洗腐蚀后的钨丝即得超低粗糙度钨探针。

进一步地，减震平台和装有腐蚀溶液的容器之间设置有手动升降台，当结束腐蚀过程时，利用手动升降台使钨丝与腐蚀溶液分离。

进一步地，对电极隔离系统包括设置在腐蚀溶液中的对电极支架，铜环对电极设置在对电极支架上，且铜环对电极和钨丝之间设置有隔离管。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

通过系统的实验研究发现规律变化的OH^-与的离子浓度分布是决定所制备钨针尖表面粗糙度的关键。然而在实际腐蚀过程中由于负极上会产生气泡，而这些气泡的不规律运动会严重影响钨丝附近OH^-与的浓度分布，这将使得腐蚀所得的钨针尖具有较高的粗糙度。基于以上理论本发明设计并实现了超低粗糙度钨探针制备装置，本装置通过设置对电极隔离系统，将钨丝和铜环对电极隔离开，使腐蚀过程中的气泡对钨丝附近OH^-与的浓度分布影响降到最低，另外只需确定不同针尖需求下制备过程中的电极运动参数、电流参数、电极参数等即可制备超低粗糙度的钨探针，本发明的特点在于：在满足对针尖轮廓、曲率半径、长-径比的需求下，实现了超低粗糙度钨探针的制备。

进一步地，通过设置轨道、滑块以及步进电机，能够精准的控制钨丝浸入腐蚀溶液的长度。

进一步地，减震平台和装有腐蚀溶液的容器之间设置有手动升降台，在发生断针后可以有效分离钨丝与腐蚀溶液，防止钨探针针尖被过度腐蚀。

进一步地，手动升降台由两块平行设置的平板以及设置在两块平板之间的弹簧构成，使用时仅需压缩弹簧即可，操作方便。

进一步地，通过设置对电极支架支撑铜环对电极，使铜环对电极位于腐蚀溶液中，通过在铜环对电极和钨丝之间设置隔离管使腐蚀过程中的气泡对钨丝附近OH^-与的浓度分布影响降到最低。

本发明方法采用上述装置，基于动态电化学腐蚀原理，在有效控制针尖轮廓和长-径比的前提下，制备出超低粗糙度纳尺度钨探针。

附图说明

图1为本发明中的制备系统示意图；

图2为图1中a处的放大分解图；

图3为本发明中制备所得的钨探针针尖SEM显微照片。

其中，1-步进电机驱动器；2-步进电机；3-数控直流电源；4-装有腐蚀溶液的容器；5-钨丝夹具；6-L型固定支架；7-手动升降台；8-减震平台；9-钨丝；10-隔离管；11-铜环对电极；12-对电极支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种超低粗糙度钨探针的制备装置，包括减震平台8，减震平台8为光学减震平板，减震平台8上连接有L型固定支架6，L型固定支架6上连接有用于带动钨丝9运动的运动控制系统，运动控制系统包括设置在L型固定支架6上且垂直于减震平台8的轨道，轨道中设置有滑块，滑块上连接有用于驱动滑块沿轨道运动的步进电机2，钨丝9通过钨丝夹具5连接在步进电机2的底部，减震平台8上还设置有装有腐蚀溶液的容器4，减震平台8和装有腐蚀溶液的容器4之间设置有手动升降台7，手动升降台7由两块平行设置的平板以及设置在两块平板之间的弹簧构成，且装有腐蚀溶液的容器4位于钨丝9的正下方，腐蚀溶液为2mol/L的KOH溶液，装有腐蚀溶液的容器4中设置铜环对电极11，装有腐蚀溶液的容器4中还设有用于将铜环对电极11和钨丝9隔离的对电极隔离系统，且铜环对电极11和钨丝9分别连接至数控直流电源3的负极和正极，对电极隔离系统包括对电极支架12，铜环对电极11设置在对电极支架12上，且铜环对电极11和钨丝9之间设置有隔离管10，对电极支架12和隔离管10均为聚四氟乙烯材料；铜环对电极11的外径为10mm，内径为8mm，高度为2mm；隔离管10的外径为5mm，内径为4mm，高度为5mm；且铜环对电极11和隔离管10同心设置，钨丝9位于隔离管10的中心。

一种超低粗糙度钨探针的制备方法，采用上述的一种超低粗糙度钨探针的制备装置，包括以下步骤：

1)采用碱性溶液超声波清洗钨丝9表面附着物，将清洗完的钨丝9在无水乙醇中保存备用；

2)将清洗完的钨丝9连接在运动控制系统底部，调节装有腐蚀溶液的容器4的位置，使钨丝9浸入腐蚀溶液中；

3)根据所需钨针要求，设置步进电机2运动参数，调节电流参数开始自动腐蚀，当发生断针时，切断电源，结束腐蚀过程，利用手动升降台7使钨丝与腐蚀溶液分离；

4)用稀盐酸、去离子水和无水乙醇分别清洗腐蚀后的钨丝即得超低粗糙度钨探针。

下面对本发明的实施过程作进一步详细描述：

本发明所用的电化学方程式如下：

正极反应：

负极反应：

6H₂O(l)+6e^-＝3H₂(g)+60H^-(aq)

总反应

如图1所示，本发明所述的钨探针制备系统由减震平台8、运动控制系统、数控直流电源3、对电极隔离系统、装有腐蚀溶液的容器4等构成。减震平台8为光学减震平板，减震平台8上固定有L型固定支架6和手动升降台7，其中手动升降台7能够在发生断针后有效分离钨丝与腐蚀溶液，防止钨探针针尖被过度腐蚀。运动控制系统由直线型步进电机2、步进电机驱动器1组成。步进电机2固定在滑块上，能够控制滑块沿设置于L型固定支架6上的轨道运动，轨道方向垂直于减震平台平面，钨丝9通过钨丝夹具5固定于步进电机2底部。步进电机驱动器1通过控制步进电机2，进而带动滑块在沿轨道运动，从而控制钨丝9与铜环对电极11的相对运动模式。铜环对电极11外径为10mm，内径为8mm，高度为2mm；对电极支架12由聚四氟乙烯制成，目的在于支撑铜环对电极11，使其浸没于腐蚀液面下；隔离管10为外径5mm，内径4mm，高度5mm的透明聚四氟乙烯管，其目的主要在于隔离钨丝9与铜环对电极11，防止铜环对电极11上产生的气体在运动过程中对钨丝9周边溶液产生扰乱，影响钨丝9周边溶液中OH^-与的规律变化，从而影响制备所得钨探针的表面粗糙度，铜环电极11与隔离管10共心。腐蚀溶液是2mol/L的KOH溶液。腐蚀溶液与铜环对电极11以及对电极隔离系统置于烧杯中，烧杯置于手动升降台7上。

使用时：

1)将直径为0.5mm，纯度为99.95％的钨丝截成长度约为50mm钨丝，配置碱性溶液，超声波清洗钨丝表面附着物，将清洗完的钨丝在无水乙醇中保存备用；

2)配置2mol/L的KOH溶液，将溶液倒入放有对电极隔离系统的烧杯中，使溶液表面刚刚淹没铜环对电极11的上表面，且低于隔离管10的上表面；

3)将清洗完的钨丝置于钨丝夹具5中，调节烧杯位置及手动升降台7高度，使得钨丝9恰好置于铜环对电极11圆心位置，浸入KOH溶液中，且浸入长度为4-6mm；

4)根据所需钨针要求，设置步进电机运动参数，调节电流参数开始自动腐蚀。此处可根据钨针要求灵活设定，如需较大长-径比钨探针，可加大步进电机往复运动的行程；如需微米尺度针尖钨探针，可加大断针电流，加快腐蚀速率，提高制备效率；当发生断针时，切断电源，结束腐蚀过程，并利用手动升降台使钨针与腐蚀液分离。

5)根据4)所述，此处以制备超低粗糙度表面纳尺度钨探针为例。步进电机参数设定为：往复运动；3mm行程；0.25mm/s行进速度；电流参数设定为：恒流腐蚀；粗腐蚀阶段使用100mA(18min)，50mA(4min)，细腐蚀阶段使用30mA(2min)，10mA(时间因不同钨针而异)。当发生断针时，及时切断电源，防止钨针过腐蚀，利用手动升降台分离钨针与腐蚀溶液。该例中腐蚀所得的钨针SEM图如图3所示。

6)依次用稀盐酸、去离子水、无水乙醇清洗腐蚀所得钨探针后保存于真空腔中。