一种制备原子力显微镜针尖的方法与流程

本发明涉及一种纳米结构的原子力显微镜针尖的制备领域，特别是能够在常温大气条件下直接在原来的针尖上制备符合实验需求的针尖、制备方法简单有效的一种制备原子力显微镜针尖的方法。

背景技术：

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的仪器，其基本原理为：通过将一根纳米级尺度的探针固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当针尖与样品非常接近时，针尖尖端的原子与样品表面原子之间的作用力会使所述微米级弹性悬臂弯曲，偏离原来的位置；同时，有一束激光照射到悬臂上，并反射到激光监测器中，弹性悬臂的弯曲导致了激光的偏向，由此得到光斑的偏移量，根据该偏移量以及其振动频率、作为反馈信号，经过特定的反馈系统输入计算机中，计算机能够以此来重建三维图像，从而获得样品表面的形貌及成分信息。

原子力显微镜可以在不同模式下工作，这些模式主要有接触模式、轻敲模式、侧向力模式等。在接触模式中，针尖从样品表面划过，从悬臂的偏转可以直接分析出表面的高度图。在轻敲模式或侧向力模式中，有信号源以某个外部参考频率驱动悬臂振动，在扫描样品的过程中悬臂振动的频率会改变，振幅、相位和共振等参数与探针和样品间的作用力相关，这些参数相对信号源提供的外部参考的振动的变化可以反映样品的性质。其中，作为轻敲模式的一项扩展技术，相移模式通过检测驱动悬臂探针振动的信号源的相位角与悬臂探针实际振动的相位角之差(即信号源和实际振动的相移)的变化来成像。

原子力显微镜(AFM)相对于扫描电子显微镜优势明显，第一，原子力显微镜能够提供真正的三维表面图，而扫描电子显微镜只能提供二维图像；第二，原子力显微镜不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害；第三，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作，可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织，就像盲人摸象一样，在物体的表面慢慢抚摸，原子的形状能够很直观的表现。而电子显微镜需要运行在高真空条件下。

原子力显微镜针尖通常是硅材料Si或Si₃N₄制成，根据不同的需要其外部镀有不同的金属层。传统的原子力显微镜探针针尖受到磨损时，其曲率半径会变大、扫描得到样品的图像分辨率会降低，因此原子力显微镜的成像受其探针的影响非常之大，因此原子力显微镜针尖是消耗品，在使用过程中尤其是高精度实验后极易损耗，更换针尖既费时又费力，且耽误实验进度，目前硅针尖尖端生长刺状物的方法有：离子或电子束沉积、聚焦离子束刻蚀、化学气相沉积碳纳米管或金属纳米管等。但是这些方法的缺陷有：一是成本较高，二是需要在真空腔内进行并对真空的要求高，三是不能在原位进行，需要中断实验进程，使得不能方便及时地更换新的针尖，延误实验进度，所述一种制备原子力显微镜针尖的方法能解决这一问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，所述一种制备原子力显微镜针尖的方法通过增设电流反馈系统控制针尖与样品之间的距离，利用第一特定样品和第二特定样品先后使用，生长出垂直于样品表面的符合实验要求的刺状物，能够直接在大气条件下进行操作并显著地提高原子力显微镜针尖的尖锐程度，不用更换针尖既能够在原位制备符合实验需求的针尖，既不需要一个充入了某些保护气体的密闭腔体，也不需要借助更复杂的制备工具，方法有效。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种制备原子力显微镜针尖的方法，实现所述方法的装置主要包括电阻、悬臂、针尖、样品、样品与针尖之间的间隙处、刺状物、电流反馈系统、光电反馈系统、压电驱动器、电源U，其中电源U正极连样品、负极依次连电阻、电流反馈系统、悬臂与针尖，所述针尖固定于所述悬臂下方，所述样品包括第一特定样品和第二特定样品并位于所述针尖下方；当所述针尖逼近所述样品表面到一定距离时，将所述电源U通过所述电阻加到所述针尖，能够在所述样品与针尖之间的间隙处形成一个高电场，从而使得所述针尖前端生长出长度几百纳米的所述刺状物，具有由所述电源U、电阻、电流反馈系统、悬臂、针尖、样品与针尖之间的间隙处和样品组成的电流反馈回路，当所述电流反馈系统开启工作状态时，能够探测所述针尖与所述样品之间的微弱电流、并将其与预先设定的电流值比较，所述电流反馈系统反馈信号输入所述压电驱动器、能够控制所述针尖与所述样品之间的距离；所述样品的第一特定样品表面具有以阵列排布的倒锥体凹陷坑，每隔100nm有一个直径100nm、深度30nm的凹陷坑，第二特定样品表面具有以阵列排布的突起，每隔20nm有一个高20nm、直径10nm的突起。其具体方法为：

初次生长刺状物过程：选用所述第一特定样品，使用原子力显微镜轻敲模式将所述针尖水平移动至所述凹陷坑上方位置，关闭光电反馈系统，开启电流反馈系统，电流设定值为1pA，接下来开启所述电源U，并使电源U的输出电压在2秒时间内从0增加到20V到90V之间的某个特定值，保持2秒后关闭电源U，相比平整的样品表面，针尖处于凹陷坑位置时聚焦电场更强，更容易产生所述刺状物，为了使刺状物生长得更长，使用所述第一特定样品，完成初次生长刺状物过程后，使用原子力显微镜轻敲模式将所述针尖水平移动到所述第一特定样品表面另一个凹陷坑上方，然后重复初次生长刺状物过程。

再次生长刺状物过程：初次生长刺状物过程结束后，将所述第一特定样品换成所述第二特定样品，原子力显微镜以轻敲模式工作，开启光电反馈系统，关闭电流反馈系统，再开启电源U，并使电源U的输出电压保持在10V到20V之间的某个特定值，然后针尖开始扫描样品，由于在扫描过程中所述针尖与所述第二特定样品表面突起的轻微接触，从而能够使原先生长的方向任意性较大的刺状物略微改变方向，并生长出垂直于所述样品表面的符合实验要求的所述刺状物。

并用如下的参数检验所述针尖是否尖锐：使用另一个表面较为平整的样品，原子力显微镜以相移模式工作，设一个初始振幅为A0，扫描距离15nm，设定值为0.6AO，如果在平整的表面相移为负，则认为是尖锐的针尖，能达到实验要求；如果相移不为负，需要重复加所述电源U以在所述样品与针尖之间的间隙处形成一个高电场的过程，直至生长出一个垂直于所述样品表面的符合实验要求的所述刺状物。

初次生长刺状物过程，关闭电源U之前可以先在5秒内将输出电压值从原设定值降至0，能够使所述刺状物与所述针尖结合得更牢固。

所述第二特定样品表面的所述突起，可以是向同一朝向倾斜的突起，采用具有该倾斜突起的第二特定样品进行单一方向行扫描、且使扫描的方向与该倾斜突起的朝向相对时能够取得更好效果，一行扫描结束后将针尖抬离样品，返回到行起点进行下一行的扫描，依次重复。

所述样品可以是导体金属镍、钴、金、铂等的薄膜，也可以是半导体材料Si或GaAs；所述针尖可以是半导体材料，也可以具有金属镀膜；所述电阻为20G欧姆镇流电阻，防止电流反馈回路中电流过大。

刺状物形成原理：电场能在样品表面附近的一个相对受约束的区域保持一个较大的值，此时样品与针尖上均会形成纳米结构生长，空间上，因为其中一个电极是针尖的尖端，该电场是不均匀的，样品表面的吸附物在不均匀电场中的转移，并分解，后又自组装，从而使得针尖上形成刺状物。刺状物组成材料的来源是吸附在针尖和样品表面的大气环境中的碳氢化合物的吸附物，组成吸附物的碳氢化合物的分解，在针尖和样品表面形成碳纳米结构。通过施加电源，在样品和针尖上都会有沉积，多数情况下，沉积下来的材料是碳，由吸附的碳氢化合物分解而来。

本发明的有益效果是：

所述一种制备原子力显微镜针尖的方法通过增设电流反馈系统控制针尖与样品之间的距离，利用第一特定样品和第二特定样品先后使用，生长出垂直于样品表面的符合实验要求的刺状物，通过在样品与针尖之间的间隙处加上一个高电场，能够直接在大气条件下制备针尖并显著地提高原子力显微镜针尖的尖锐程度，既不需要在真空腔内进行，也不需要借助更复杂的制备工具，方法有效，能够方便及时地更换新的符合实验需求的针尖，进而继续进行实验，加快实验进程，且成本低。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明示意图；

图2是样品与针尖之间的间隙处的放大示意图；

图3是第一特定样品放大示意图；

图4是第二特定样品之一放大示意图；

图5是第二特定样品之二放大示意图。

图中，1.电阻，2.悬臂，3.针尖，4.样品，5.样品与针尖之间的间隙处，6.刺状物，7.电流反馈系统，8.光电反馈系统，9.压电驱动器。

具体实施方式

如图1是本发明示意图，实现所述方法的装置主要包括电阻1、悬臂2、针尖3、样品4、样品与针尖之间的间隙处5、刺状物6、电流反馈系统7、光电反馈系统8、压电驱动器9、电源U，其中电源U正极连样品4、负极依次连电阻1、电流反馈系统7、悬臂2与针尖3，所述针尖3固定于所述悬臂2下方，所述样品4包括第一特定样品和第二特定样品并位于所述针尖3下方；具有由所述电源U、电阻1、电流反馈系统7、悬臂2、针尖3、样品与针尖之间的间隙处5和样品4组成的电流反馈回路，当所述电流反馈系统7开启工作状态时，能够探测所述针尖3与所述样品4之间的微弱电流、并将其与预先设定的电流值比较，所述电流反馈系统7反馈信号输入所述压电驱动器9、能够控制所述针尖3与所述样品4之间的距离。

如图2是样品与针尖之间的间隙处的放大示意图，当所述针尖3逼近所述样品4表面到一定距离时，将所述电源U通过所述电阻1加到所述针尖3，能够在所述样品与针尖之间的间隙处5形成一个高电场，从而使得所述针尖3前端生长出长度几百纳米的所述刺状物6。

如图3是第一特定样品放大示意图，所述第一特定样品表面具有以阵列排布的凹陷坑，每隔100nm有一个直径100nm、深度30nm倒锥体的凹陷坑。

如图4是第二特定样品之一放大示意图，所述第二特定样品表面具有以阵列排布的突起物：每隔20nm有一个高20nm、直径10nm的突起。

如图5是第二特定样品之二放大示意图，所述第二特定样品表面的所述突起，可以是向同一朝向倾斜的突起，采用具有该倾斜突起的第二特定样品进行单一方向行扫描、且使扫描的方向与该倾斜突起的朝向相对时能够取得更好效果，一行扫描结束后将针尖抬离样品，返回到行起点进行下一行的扫描，依次重复。

所述一种制备原子力显微镜针尖的方法，实现所述方法的装置主要包括电阻1、悬臂2、针尖3、样品4、样品与针尖之间的间隙处5、刺状物6、电流反馈系统7、光电反馈系统8、压电驱动器9、电源U，其中电源U正极连样品4、负极依次连电阻1、电流反馈系统7、悬臂2与针尖3，所述针尖3固定于所述悬臂2下方，所述样品4包括第一特定样品和第二特定样品并位于所述针尖3下方；当所述针尖3逼近所述样品4表面到一定距离时，将所述电源U通过所述电阻1加到所述针尖3，能够在所述样品与针尖之间的间隙处5形成一个高电场，从而使得所述针尖3前端生长出长度几百纳米的所述刺状物6，具有由所述电源U、电阻1、电流反馈系统7、悬臂2、针尖3、样品与针尖之间的间隙处5和样品4组成的电流反馈回路，当所述电流反馈系统7开启工作状态时，能够探测所述针尖3与所述样品4之间的微弱电流、并将其与预先设定的电流值比较，所述电流反馈系统7反馈信号输入所述压电驱动器9、能够控制所述针尖3与所述样品4之间的距离；所述样品4的第一特定样品表面具有以阵列排布的倒锥体凹陷坑，每隔100nm有一个直径100nm、深度30nm的凹陷坑，第二特定样品表面具有以阵列排布的突起，每隔20nm有一个高20nm、直径10nm的突起。

其具体方法为：

初次生长刺状物过程：选用所述第一特定样品，使用原子力显微镜轻敲模式将所述针尖3水平移动至所述凹陷坑上方位置，关闭光电反馈系统8，开启电流反馈系统7，电流设定值为1pA，接下来开启所述电源U，并使电源U的输出电压在2秒时间内从0增加到20V到90V之间的某个特定值，保持2秒后关闭电源U，相比平整的样品表面，针尖处于凹陷坑位置时聚焦电场更强，更容易产生所述刺状物6，为了使刺状物生长得更长，使用所述第一特定样品，完成初次生长刺状物过程后，使用原子力显微镜轻敲模式将所述针尖3水平移动到所述第一特定样品表面另一个凹陷坑上方，然后重复初次生长刺状物过程。

再次生长刺状物过程：初次生长刺状物过程结束后，将所述第一特定样品换成所述第二特定样品，原子力显微镜以轻敲模式工作，开启光电反馈系统8，关闭电流反馈系统7，再开启电源U，并使电源U的输出电压保持在10V到20V之间的某个特定值，然后针尖开始扫描样品，由于在扫描过程中所述针尖3与所述第二特定样品表面突起的轻微接触，从而能够使原先生长的方向任意性较大的刺状物略微改变方向，并生长出垂直于所述样品4表面的符合实验要求的所述刺状物6。

并用如下的参数检验所述针尖3是否尖锐：使用另一个表面较为平整的样品，原子力显微镜以相移模式工作，设一个初始振幅为A0，扫描距离15nm，设定值为0.6AO，如果在平整的表面相移为负，则认为是尖锐的针尖，能达到实验要求；如果相移不为负，需要重复加所述电源U以在所述样品与针尖之间的间隙处5形成一个高电场的过程，直至生长出一个垂直于所述样品4表面的符合实验要求的所述刺状物6。

初次生长刺状物过程，关闭电源U之前可以先在5秒内将输出电压值从原设定值降至0，能够使所述刺状物6与所述针尖3结合得更牢固。

所述第二特定样品表面的所述突起，可以是向同一朝向倾斜的突起，采用具有该倾斜突起的第二特定样品进行单一方向行扫描、且使扫描的方向与该倾斜突起的朝向相对时能够取得更好效果，一行扫描结束后将针尖抬离样品，返回到行起点进行下一行的扫描，依次重复。

所述样品4可以是导体金属镍、钴、金、铂等的薄膜，也可以是半导体材料Si或GaAs；所述针尖3可以是半导体材料，也可以具有金属镀膜；所述电阻1为20G欧姆镇流电阻，防止电流反馈回路中电流过大。

刺状物形成原理：电场能在所述样品4表面附近的一个相对受约束的区域保持一个较大的值，此时所述样品4与所述针尖3上均会形成纳米结构生长，空间上，因为其中一个电极是针尖的尖端，该电场是不均匀的，所述样品4表面的吸附物在不均匀电场中的转移，并分解，后又自组装，从而使得所述针尖3上形成刺状物。刺状物组成材料的来源是吸附在所述针尖3和所述样品4表面的大气环境中的碳氢化合物的吸附物，组成吸附物的碳氢化合物的分解，在所述针尖3和所述样品4表面形成碳纳米结构。通过施加电源，在所述针尖3和所述样品4上都会有沉积，多数情况下，沉积下来的材料是碳，由吸附的碳氢化合物分解而来。