专利名称：可控制备碳纳米管原子力显微镜针尖的方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米结构的原子力显微镜针尖及其制备方法，特别涉及一种组装 单根碳纳米管的原子力显微镜针尖及其制备方法。
背景技术：
碳纳米管(Carbon nanotube，CNTs)自1991年日本科学家Iijima在电弧放电中 发现以来引起了人们的关注，它在复合材料、纳米电子器件、场发射显示器、储氢材料、探针 方面有着广发的潜在应用前景。碳纳米管是一种纳米尺度具有完整分子结构的新型材料， 具有较大的长径比、优异的导电性、导热性、良好的化学稳定性和机械强度。碳纳米管的直 径很小，一般为2 20nm，同时碳纳米管具有和其它材料无法比拟的柔韧性，在受到较大负 荷既不会发生破裂也不会发生弹性形变，因此非常适合高弹性原子力显微镜(AFM)探针针 尖的要求，是制备原子力显微镜探针针尖非常理想的材料。目前，将纳米管粘附于基体上的方法有机械连接法、电场诱导粘结法和化学气相 沉积生长法。机械粘结制备碳纳米管针尖的方法是在光学显微镜辅助下，用涂有粘附剂 的原子力显微镜针尖去接触碳纳米管簇后轻轻拉出，这样在针尖末端就粘附上一根碳纳米 管。然后，对粘附的碳纳米管长度进行优化获得合适的长度，达到高分辨的要求。电场粘结 法是将原子力显微镜的针尖靠近碳纳米管，然后再两者之间施加直流电压，观察到尖端放 电造成的打闪后，立即断电，可以使碳纳米管粘结在针尖上。化学气相沉积是预先吸附了催 化剂的针尖上直接生长碳纳米管。原子力显微镜的工作原理是利用一个很尖的探针对样品扫描，探针固定在对探针 与样品表面作用力极敏感的为悬臂上。悬臂手里偏折会引起由激光束经悬臂反射后发生位 移。检测器接受反射光，最后接受信号经过计算机系统采集、处理、形成样品表面形貌图像。 原子力显微镜针尖通常是Si或Si3N4制成，根据不同的需要其外部镀有不同的金属层。传 统的锥形的原子力显微镜针尖受到磨损时，其曲率半径会变大、分辨率会降低，原子力显微 镜的成像受探针的影响非常大，因此随着纳米技术的发展需要更高性能的原子力显微镜探 针的出现。若在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管将其用于原子力显微镜成像，可以达 到高分辨率的要求，碳纳米管针尖可以对狭窄的缝隙进行扫描成像，获得传统的原子力显 微镜针尖无法得到的特征。因此在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管具有较高的应用 价值。对于组装在显微镜针尖上单根碳纳米管，希望具有如下性质1.可以控制碳纳米管的尺寸和生长位置；2.最好针尖上只有一根，而且生长方向与探针的方向一致，可以用于原子力成像， 而不至于得到太多的假像；3.具有一定的附着力，不至于在扫描的过程中脱落。这就需要一种全新的纳米领域的加工工艺来满足上述要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组装单根碳纳米管的原子力显微镜针尖及其制备方 法。为了实现上述目的，本发明提供了 一种在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管 的工艺，包括以下步骤在所述的显微镜针尖上沉积一个金属(包括铁、钴和镍)纳米微粒， 金属纳米微粒的粒径控制在50nm以下，将沉积有金属纳米微粒的针尖向上采用PECVD法 (Plasma Enhanced Chemical Vapor D印osition等离子体增强化学气相沉积)在所述的显 微镜针尖上生长单根碳纳米管。其中所述的步骤概括为a.在原子力显微镜针尖上沉积一个镍纳米微粒，粒径控 制在10-50nm ；b.将所述的显微镜针尖放入等离子增强化学气相反应室中，确保针尖向上； c.以300-750°C加热、100-600V偏置电压，得到组装有单根碳纳米管的原子力显微镜针尖。所述的原子力显微镜针尖为Si针尖，所述的沉积方法是电化学还原。这个过程中 所用的试剂为镍的可溶盐溶液，其浓度为0. 01-0. lmol/L,电化学还原的步骤为在洁净的 铜片上滴一滴0.01-0. lmol/L的NiCl2溶液，将原子力显微镜针尖固定在实验装置上，然后 调节微纳操作台使显微镜针尖慢慢的靠近铜片上的液滴。施加1. 5V电压，将所属显微镜针 尖慢慢靠近铜片上的液滴，当电流稍有变化时，再将所述显微镜的针尖下调1 μ m, 20s之后 旱出。所述的PECVD法生长碳纳米管的过程为将准备好的沉积镍纳米微粒的原子显微 镜针尖放入等离子体化学反应室中，抽真空使反应室的真空度达到小于lO—Va。通入O2，点 燃等离子Imin以清洁系统，射频输入功率为100-600W。加热基底并使基底的温度在整个 碳纳米管生长过程中维持在300-750°C。当基底的温度达到300-650°C并维持20min后，通 入CH4,C2H2或者C2H4作为碳源气体开始生长碳纳米管，流量为IO-IOOsccm(Standard-state Cubic Centimeterper Minute)；同时在基底上施加100-600的偏置电压。经过3min的生 长后，关闭等离子体和加热器；切断碳源气体的输入。本发明的优点在于本发明采用电化学还原的方法在Si针尖上沉积粒径一定的 镍纳米微粒，然后采用PECVD法在原子力显微镜针尖上组装了单根碳纳米管。此工艺步骤 简单，操作方便，能大规模生产，碳纳米管呈现笔直生长且具有高度的定向性，垂直于基底。 采用碳纳米管制备的原子力显微镜针尖分辨率高、使用寿命长，可以用于原子力显微镜进 行成像。
图1是原子力显微镜针尖示意图；图2是原子力显微镜针尖上沉积镍纳米微粒的示意图；图3是PECVD系统示意图；图4是组装有单根碳纳米管的原子力显微镜针尖的示意图
具体实施例方式本发明是利用电化学还原法在原子力显微镜针尖沉积一定尺寸的镍纳米微粒，然后采用PECVD法在镍纳米微粒上生长单根碳纳米管，发展出一种碳纳米管制备原子力显微 镜针尖的工艺。以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。请参阅图1，图1是原子力显微镜针尖示意图。图中的原子力显微镜针尖为Si针 尖。该针尖体积小，质量轻，易于原子显微镜成像。其针尖的长度为数十微米。请参阅图2，图2是在原子力显微镜针尖上沉积镍纳米微粒的示意图。电化学还原 的步骤为在洁净的铜片上滴一滴0.01-0. lmol/L的NiCl2溶液，将原子力显微镜针尖固定 在实验装置上，然后调节微纳操作台使显微镜针尖慢慢的靠近铜片上的液滴。所述的显微 镜针尖为负极，NiCl2溶液的液滴为正极，在二者之间施加1. 5V电压，将所述的显微镜针尖 慢慢靠近铜片上的液滴，当电流稍有变化时，再将所述显微镜的针尖下调1 μ m,20s之后拿 出ο请参阅图3，图3是PECVD系统示意图。该设备主要有以下几个部分组成(1)真 空沉积室；⑵射频耦合电极；⑶加热样品盘；⑷气路系统；(5)真空抽气系统；(6)升降 系统；(7)真空测量系统；(8)电器控制系统。将准备好的沉积镍纳米微粒的原子显微镜针 尖1作为基底放入等离子体化学反应室中，并确保针尖向上。启动真空泵2抽真空使反应 室的真空度达到小于10_4Pa。从进气口 3通入O2，点燃等离子4约Imin以清洁系统，射频 入口 5的射频输入功率为100-600W。加热器6加热使基底的温度在整个碳纳米管生长过程 中维持在所需基体温度。当基底的温度达到300-650°C并维持20min后，通入CH4, C2H2或者 C2H4作为碳源气体开始生长碳纳米管，流量为lO-lOOsccm ；同时通过步进电机7在基底上加 入适当的偏置电压。经过:3min的生长后，关闭等离子体和加热器；切断碳源气体的输入。请参阅图4，图4是组装有单根碳纳米管的原子力显微镜针尖示意图，我们可以看 到在原子力显微镜的针尖8上有一根碳纳米管9，其生长方向一定，尺寸一定。以上介绍的仅仅是基于本发明的优化的实施方案，并不能以此来限定本发明的范 围。对任何依据本发明所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管的工艺，其特征包括以下步骤在所 述的显微镜针尖上沉积一个10-50nm的金属纳米微粒(铁、钴或镍)，将沉积有金属纳米微 粒的显微镜针尖向上置于等离子增强化学气相反应室(PECVD)中，采用PECVD法生长单根 碳纳米管。
2.如权利要求1在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管的工艺，其特征在于所述的 步骤包括a.在原子力显微镜针尖上沉积一个铁、钴或镍的纳米微粒，粒径控制在10-50nm;b.将 所述的显微镜针尖放入等离子增强化学气相反应室中，确保针尖向上；c.以300-750°C温 度加热，100-600V偏置电压，通入C^2得到组装有单根碳纳米管的原子力显微镜针尖。
3.如权利要求1或2所述在原子力显微镜针尖上组装的单根碳纳米管的工艺，其特征 在于采用电化学还原的方法在Si针尖上镀上尺寸为10-50nm的镍微粒。
4.如权利要求3所述在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管的工艺，其特征在于电 化学还原过程中所用的溶液为0. 01-0. lmol/L的NiCl2溶液。
5.如权利要求4所述在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管的工艺，其特征在于电 化学还原的步骤为在洁净的铜片上滴一滴0.01-0. lmol/L的NiCl2溶液，将原子力显微镜 针尖固定在实验装置上，然后调节微纳操作台使显微镜针尖慢慢的靠近铜片上的液滴，控 制针尖的下降步长为50nm。施加1. 5V电压，将所述显微镜针尖慢慢靠近铜片上的液滴，当 电流稍有变化时，再将所述显微镜的针尖下调1 μ m, 20s之后拿出。
6.如权利要求1或2所述在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管的工艺，其特征在 于合成碳纳米管的原料气体为CH4, C2H2或者C2H4。
7.如权利要求要求1或2所述在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管的工艺，其特 征在于合成单根碳纳米管的最佳温度为300-750°C，保持时间20min，
8.如权利要求要求1或2所述在原子力显微镜针尖上组装单根碳纳米管的工艺，其特 征在于合成定向的单根碳纳米管的偏置电压100-600V。
全文摘要
一种采用单根碳纳米管制备原子力显微镜针尖的工艺，包括以下步骤在所述的显微镜针尖上采用电化学还原的方法沉积一个金属纳米微粒，将沉积了金属纳米微粒的显微镜针尖向上，采用等离子体增强化学气相沉积法定点、定向生长显微镜针尖上的单根碳纳米管。本发明得到的组装有单根碳纳米管的原子力显微镜针尖可以用于原子力显微镜成像。
文档编号C25D7/00GK102109535SQ20091026004
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者不公告发明人 申请人:北京五泽坤科技有限公司