一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖的制备方法与流程

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖制备方法。

背景技术：

目前超光滑表面在精密光学、航空航天和芯片工业等技术领域具有重要的应用，因此在超精密加工技术方面，积极开展大量的研究工作。化学机械抛光是目前应用最广泛、商业化程度最高的超精密抛光技术，其实质是抛光液中的固体研磨颗粒在一定条件下对材料表面平坦化的效果，通常被加工表面需达到原子级平面度，且对加工表面的损伤、残余应力、缺陷以及晶格完整度都有严格的要求。目前的研究技术中缺乏对单个纳米研磨颗粒的力学性质、物化特性和表面缺陷的研究，尤其在研磨颗粒与加工表面接触方面，缺少对其摩擦作用的物化反应机理的研究，这些都成为了当前超精密抛光技术及高端抛光液研发的瓶颈。与此同时，如何将研磨颗粒与工件表面材料的力学性质、显微结构，与研磨颗粒和抛光界面相互作用的微观动态过程相结合，建立跨尺度的物理模型仍然是是目前研究的热点和难点。

有关纳米针尖与基底的接触、摩擦力学行为和物化反应的研究表明，纳米针尖与基底是经过单颗粒接触的。借助纳米探针技术模拟单个纳米颗粒的接触和摩擦行为，提供了纳米单颗粒与材料表面微观作用过程研究的另一种思路。在纳米针尖研究的基础上，有研究人员通过对纳米针尖的物理和化学修饰，在纳米针尖处获得了纳米单颗粒，为模拟单颗粒在基底表面的微观作用过程提供了技术支持，肯定了界面摩擦物化行为对超精密抛光效果的作用。但利用此法获得的纳米颗粒具有很大的偶然性，无法控制纳米单颗粒的晶粒结构和尺寸，且颗粒与针尖的接触状态难以计算，会造成较大的实验误差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖制备方法，该制备方法解决了加工过程中晶体取向及尺寸可控的问题，有效改善纳米针尖模拟纳米单颗粒技术的可靠性问题，为研究纳米单颗粒与工件表面微观相互作用机制提供一种晶粒取向和尺寸可控的物理模型。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种晶体取向及尺寸可控的纳米针尖的制备方法，包括以下步骤：

1)将待加工的块体材料加工成一端为针尖状并达到微米级的微米棒；

2)对微米棒的针尖部分进行晶体取向分析，根据分析结果在微米棒针尖部分选择适合加工的晶粒，然后采用镓离子束将适合加工的晶粒加工成具备晶体取向及尺寸可控的纳米针尖。

优选地，步骤1)中采用机械切割及磨抛法制备微米棒。

进一步优选地，先将待加工的块体材料通过机械切割成尺寸适合的长方体，再对长方体进行手工磨抛，制得一端具有微米级针尖部分的微米棒。

优选地，步骤2)采用纳米级加工精度的fib系统制备纳米针尖。

进一步优选地，采用fib系统制备纳米针尖，具体包括以下步骤：

a)将微米棒插入压头座中并固定，微米棒粗端直径与压头座匹配；

b)将带有微米棒的压头座放入fib真空舱内，采用fib系统中ebsd探头对微米棒尖端部分的晶体取向进行分析测试，筛选出微米级晶粒。

更进一步优选地，借助体视显微镜将微米棒插入压头座中，并采用金属热固胶将微米棒固定在压头座中，微米棒的针尖部分保留在压头座外部。

优选地，步骤2)中，通过调控镓离子束参数条件调控产物晶体取向及尺寸。

进一步优选地，调控镓离子束参数条件包括调控镓离子束束流、镓离子束与针尖之间的角度、加速电压以及加工时间。

优选地，步骤2)中先利用1na～3na的镓离子束束流对微米棒的针尖部分进行粗加工，再利用5pa以内的镓离子束束流对其进行细加工，最终制得纳米级的针尖尖端。

进一步优选地，粗加工时，镓离子束与微米棒针尖部分轴向成30°夹角，加工出形状为四棱锥形，锥角为60°的纳米针尖；

细加工时，采用镓离子束束流对四棱锥的每个面再次加工，去除粗加工过程中离子损伤以及加工出纳米级的针尖尖端。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明公开的晶体取向及尺寸可控的纳米针尖的制备方法，首先将所需块体材料加工成一端具有微米级针尖状的微米棒，再对微米棒的针尖部分进行晶粒的晶体取向分析，选择出适合加工的晶粒，确保最终得到的纳米针尖的取向可控；最后利用粒子束对选择出的晶粒进行加工，最终制成具备晶体取向并且尺寸可控的纳米针尖。由此方法制得的纳米针尖，其尖端部分可以等效为具有一定曲率半径的球型纳米针尖，可以模拟纳米单颗粒的物化性能，为研究纳米单颗粒与工件表面材料的微观相互作用过程提供纳米单颗粒晶体取向和尺寸可控的物理模型，在某种程度上，对超精密加工技术研究工作提供了技术支持。

进一步地，本发明采用fib系统完成取向分析步骤和尺寸加工步骤，先将微米棒放入与fib系统匹配的压头座中固定，并置于fib真空舱内，便于实施精准的分析和加工操作。

进一步地，利用fib系统中的ebsd探头对微米棒尖端材料的晶体取向进行分析，可以更准确的保证最终加工得到的纳米针尖的晶体取向在同一晶粒中，实现晶体取向的可控性。

进一步地，通过控制fib系统中具体的控制参数，如镓离子束束流大小、镓离子束与针尖之间的角度、加速电压以及加工时间，对微米棒的针尖部分分别进行粗加工和细加工，在满足纳米级加工尺寸的同时除去保证加工精度，更好的实现纳米针尖的尺寸可控性。

附图说明

图1为本发明制备工艺流程图；

图2为利用ebsd探头对微米棒尖端实施晶体取向分析示意图；

图3为利用fib系统制备特定晶体取向和尺寸纳米针尖示意图；

图4为本发明实施例1制得半径r＝120nm的ceo2纳米针尖尖端sem图；

图5为本发明实施例2制得半径r＝180nm的ceo2纳米针尖尖端sem图；

图6为本发明实施例3制得半径r＝270nm的ceo2纳米针尖尖端sem图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

本发明利用fib系统制备晶体取向和尺寸可控的纳米针尖的制备工艺流程参见图1，首先经过机械切割及磨抛的方法制备出尺寸合适的微米棒，借助体式显微镜将微米棒插入压头座并固定，然后利用fib系统制备出晶体取向和尺寸可控的纳米针尖。其中，如图2所示，采用fbi系统中ebsd探头对微米棒针尖部分的晶体取向进行分析，选择出适合加工的晶粒；如图3所示，在选择出的具有一定晶体取向的晶粒上利用镓粒子束制备出具有一定晶体取向及尺寸可控的四棱锥状纳米针尖。

本发明所使用的fib系统设备型号为fei公司生产的helios-600。

实施例1

本实例中制备所得晶体取向及尺寸可控的ceo2纳米针尖尺寸r＝120nm，制备方法包括以下步骤：

1)将前期制备的氧化铈块体材料经机械加工切割为5mm×1mm×1mm长方体。然后采用手工磨抛将形状加工为针尖状，为与ti950压头座匹配，针尖最粗端尺寸不得超过0.2mm，尖端尺寸加工为50μm。

2)在立式显微镜下手工将ceo2微米针尖插入压头座中，采用金属热固胶固定，并将微米针尖与压头座一同放入fib真空仓中。

3)利用fib系统中ebsd探头对微米针尖尖端晶体取向进行分析测试，并选择适合加工晶粒。

4)采用电流大的镓离子束流i＝2.8na对ceo2微米针尖进行粗加工获得最初形貌的纳米针尖，加工过程中镓离子束与针尖轴成30°夹角，当一个平面加工完成后，将针尖旋转90°继续加工第二个平面，直至四个平面全部加工完成，最终获得锥角为60°的四棱锥形ceo2纳米针尖。

5)采用电流小的镓离子束流i＝1pa对经粗加工后ceo2纳米针尖每个面进行细加工，获得尺寸为120nm的纳米针尖，并在此过程中除去粗加工过程中的离子损伤。

实施例2

本实例中制备所得晶体取向及尺寸可控的ceo2纳米针尖尺寸r＝180nm，制备方法包括以下步骤：

1)首先将前期制备的氧化铈块体材料经机械加工切割为5mm×1mm×1mm长方体。然后采用手工磨抛将形状加工为针尖状，为与ti950压头座匹配，针尖最粗端尺寸不得超过0.2mm，尖端尺寸加工为50μm。

2)在立式显微镜下手工将ceo2微米针尖插入压头座中，采用金属热固胶固定，并将微米针尖与压头座一同放入fib真空仓中。

3)利用fib系统中ebsd探头对微米针尖尖端晶体取向进行分析测试，并选择适合加工晶粒。

4)采用电流大的镓离子束流i＝2.8na对ceo2微米针尖进行粗加工获得最初形貌的纳米针尖，加工过程中镓离子束与针尖轴成30°夹角，当一个平面加工完成后，将针尖旋转90°继续加工第二个平面，直至四个平面全部加工完成，最终获得锥角为60°的四棱锥形ceo2纳米针尖。

5)采用电流小的镓离子束流i＝1.5pa对经粗加工后ceo2纳米针尖每个面进行细加工，获得尺寸为180nm的纳米针尖，并在此过程中除去粗加工过程中的离子损伤。

实施例3

本实例中制备所得晶体取向及尺寸可控的ceo2纳米针尖尺寸r＝270nm，制备方法包括以下步骤：

1)首先将前期制备的氧化铈块体材料经机械加工切割为5mm×1mm×1mm长方体。然后采用手工磨抛将形状加工为针尖状，为与ti950压头座匹配，针尖最粗端尺寸不得超过0.2mm，尖端尺寸加工为50μm。

2)在立式显微镜下手工将ceo2微米针尖插入压头座中，采用金属热固胶固定，并将微米针尖与压头座一同放入fib真空仓中利用镓离子束加工(真空度为～10^-6mbar)。

3)利用fib系统中ebsd探头对微米针尖尖端晶体取向进行分析测试，并选择适合加工晶粒。

4)采用电流大的镓离子束流i＝2.8na对ceo2微米针尖进行粗加工获得最初形貌的纳米针尖，加工过程中镓离子束与针尖轴成30°夹角，当一个平面加工完成后，将针尖旋转90°继续加工第二个平面，直至四个平面全部加工完成，最终获得锥角为60°的四棱锥形ceo2纳米针尖。

5)采用电流小的镓离子束流i＝2pa对经粗加工后ceo2纳米针尖每个面进行细加工，获得尺寸为270nm的纳米针尖，并在此过程中除去粗加工过程中的离子损伤。

以上实施例所使用ceo2块体材料均由发明人实验制备所得。主要方法是以分析纯级硝酸铈和氢氧化钠等原料混合后采用水热法制备出纳米级ceo2颗粒，随后固相烧结将颗粒原料制备进行烧结制备出单相、晶粒尺寸在2～5μm范围内且致密度较高的ceo2块体材料。

图4为实施例1最终加工所得ceo2纳米针尖尖端sem扫描图，其等效曲率半径r＝120nm；图5位实施例2最终加工多的纳米针尖ceo2纳米针尖尖端sem扫描图，其等效曲率半径r＝180nm；图6位实施例3最终加工多的纳米针尖ceo2纳米针尖尖端sem扫描图，其等效曲率半径r＝270nm。综上，采用本方法可以制备具有一定晶粒取向和尺寸可控的纳米针尖，可有效解决借助纳米针尖模拟纳米单颗粒的研究中晶体取向级尺寸不可控的问题。

综上所述，本发明采用fib系统实施，利用edsb探头对微米棒尖端材料的晶体取向进行分析，并控制镓离子束、加速电压、镓离子束与针尖之前的角度及加工时间制备出晶体取向及尺寸可控的四棱锥状纳米针尖。该方法解决了目前借助纳米针尖模拟纳米单颗粒过程晶体取向及尺寸可控的问题，进一步建立较合理纳米单颗粒与材料表面接触的物理模型，可广泛应用于在纳米颗粒与基底材料表面微观过程的研究中。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。