一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法与流程

本发明涉及原子力显微镜探针的修饰与加工技术领域，尤其涉及一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法。

背景技术：

原子力显微镜是1985年由ibm公司苏黎世研究中心的gerdbinnig所发明，其能够以高分辨率探测基底材料的表面粗糙度，表面电，磁与机械性能，表面粘附力等表面性能，已经成为多学科，包括物理学，化学，生物学，材料科学，电学，力学等的微结构观测，微纳尺度加工，微纳位移和微力的施加等。原子力显微镜探针一般包括主体，微悬臂和微针尖等几部分，微悬臂形状分为矩形，三角形等几种。探针的针尖主导着原子力显微镜的性能和种类，普通的原子力显微镜探针是通过半导体材料的加工工序制作，常规以硅，氮化硅为基础材料制成，利用金属沉积，溅射等镀金属层改善导电或增加新的性能；近几十年，对原子力显微镜针尖的修饰和加工收到了越来越多的关注，其用各种包括碳纳米管在内的各种低维材料的特殊性能得到各种具有新的功能，极好的分辨率和优异的图像质量，或者满足某一领域的特殊要求等。

二维材料自2004年石墨烯而开始收到受到广泛关注，主要包括石墨烯，氮化硼，二硫化钼等，石墨烯其具有优异的电，光，磁等性质，对其的研究颇为广泛和深入，石墨烯还具有极高的力学性能，其弹性常数达1tpa；由于二维材料极大的表面结构，石墨烯可以承受20％的面内应变而不导致结构的破坏；氮化硼是具有和石墨烯类似的晶体结构的二维材料，其具有较好的绝缘性，其表面原子级平整度和绝缘性是作为一种基底的理想材料，对氮化硼的表面性能研究也是热点；二硫化钼具有特殊的电学，光学和催化性能而受到广泛关注，其表面性能在光学和催化中都起到主导作用；对二维材料的表面性能的研究占二维材料研究的很大部分，常以原子力显微镜为手段展开这方面的工作，但是以普通的原子力探针的研究只能研究硅等材料与二维材料之间的相互作用，不能研究二维材料之间的相互作用，未见相关的方法的报道和研究。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法，能够在空气和真空中应用于原子力显微镜实现各种原子力显微镜图像的获取，制作过程成熟简便，适合实验室及产业化应用制作二维材料修饰针尖探针。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法，包括：

s01，将二维材料置于思高胶带黏着面，对折10至20次所述思高胶带，形成胶带黏着面二维材料分布；

s02，将所述胶带黏着面粘在硅片表面的氧化层上，并增加接触压力，使得在硅片氧化层表面剩余二维材料，选择厚度30nm以下的二维材料的硅片；

s03，将所述选择的厚度30nm以下的二维材料的硅片置于旋涂台上，旋涂碳酸亚丙基酯胶后烘干；

s04，重新截取一段思高胶带，划出一个3至6mm的正方形洞，粘于已烘干的硅片表面，撕下思高胶带，旋涂的碳酸亚丙基酯胶及硅片上的二维材料片随胶带脱离，在所述正方形洞洞口区域，形成二维材料与碳酸亚丙基酯胶的复合体；

s05，将粘有二维材料及碳酸亚丙基酯胶复合体的胶带置于探针台支架之上，孔洞部分悬于中间，二维材料位于碳酸亚丙基酯胶上端；

s06，将有思高胶带的支架刚性固定于探针夹上，将选取普通探针，利用银胶将反面粘于硅片、石英片或载玻片基底之上，探针尖端部分朝上，将整个探针置于调温式四维微操作平台上并用银胶固定；

s07，将二维材料与普通探针针尖对齐，调节初始温度55℃，逐渐调节竖直方向平台的移动直到二维材料片与探针针尖接触并包裹，升高温度到120℃，等待20-30min，碳酸亚丙基酯胶融化并脱离思高胶带，降温至常温；

s8，利用真空退火装置将覆有二维材料片的探针真空退火除胶，真空度为10^-5pa，温度为380℃，持续30min。

作为一个优选实施例，所述硅片表面的氧化层厚度为300nm。

作为一个优选实施例，所述选择厚度30nm以下的二维材料的硅片，还包括：

将分布有二维材料的硅片置于光学显微镜下，根据不同二维材料在硅片氧化层上不同的光学对比度来选择接近30nm的二维材料片；

将选择厚度30nm以下的二维材料置于原子力显微镜下表征其精确厚度，选择30nm以下的二维材料。

作为一个优选实施例，步骤s03中所述旋涂碳酸亚丙基酯胶后烘干，包括：

旋涂质量分数为14％的碳酸亚丙基酯胶，所述碳酸亚丙基酯胶溶剂为苯甲醚，旋涂参数为500r/min持续20s，1750r/s持续40s；

将旋涂结束的硅片置于95℃的加热台上烘干5min。

作为一个优选实施例，步骤s05所述探针台包括：计算机，调温式四维微操作平台，光学显微镜，电荷耦合元件，探针夹，光学减震台；其特征在于：在光学减震台上固定了一个调温式四维微操作平台，是所述探针台的移动部分，包括三个方向的平动和水平方向的转动；配备有电荷耦合元件的光学显微镜垂直置于四维微操作平台正上方，电荷耦合元件连接于计算机，探针夹固定于光学减震台上的刚性结构区域。

作为一个优选实施例，步骤s06所述普通探针，是带有针尖的成品探针；或者是普通探针或覆有金属涂层的成品探针。

作为一个优选实施例，步骤s07所述将二维材料与普通探针针尖对齐是：利用显微镜图像及电脑采集的照片将探针夹上的目标二维材料片与调温式四维微操作平台上的普通探针针尖对齐。

作为一个优选实施例，步骤s08所述制备二维材料修饰针尖探针的方法所用真空退火装置是成品高温管式炉，设置目标温度及达到目标温度所需要的时间，温度达1200℃，配备的机械泵和分子泵，使气压降至10^-5pa。

本发明实施例提供的一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法，在空气或真空中，在500℃及以上的环境中能稳定粘附在针尖上，可以在空气和真空中应用于原子力显微镜实现各种原子力显微镜图像的获取；可以应用于对二维平面材料的表面性能研究，尤其是二维材料之间的粘附，摩擦等机械力学性能，便捷地研究大批低维材料的特殊性质；且制作过程成熟简便，适合实验室及产业化应用制作二维材料修饰针尖探针。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一对已经覆盖多层石墨烯的原子力显微镜探针的表征：其中，(a)、(b)分别对多层石墨烯探针的光学显微镜表征和扫描电子显微镜表征；(c)对应的多层石墨烯探针的示意图；(d)对附着在探针针尖表面的多层石墨烯的拉曼光谱表征。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明的实施例提供一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法，能够在空气和真空中应用于原子力显微镜实现各种原子力显微镜图像的获取，制作过程成熟简便，适合实验室及产业化应用制作二维材料修饰针尖探针。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法，如图1所示，包括：

s01，机械剥离二维材料；所述机械剥离二维材料是将二维材料置于思高胶带黏着面，对折10至20次所述思高胶带，形成胶带黏着面二维材料分布；

s02，将所述胶带黏着面粘在硅片表面的氧化层上，并增加接触压力，使得在硅片氧化层表面剩余二维材料，选择厚度30nm以下的二维材料的硅片；

s03，将所述选择的厚度30nm以下的二维材料的硅片置于旋涂台上，旋涂碳酸亚丙基酯胶后烘干；

s04，重新截取一段思高胶带，划出一个3至6mm的正方形洞，粘于已烘干的硅片表面，撕下思高胶带，旋涂的碳酸亚丙基酯胶及硅片上的二维材料片随胶带脱离，在所述正方形洞洞口区域，形成二维材料与碳酸亚丙基酯胶的复合体；

s05，将粘有二维材料及碳酸亚丙基酯胶复合体的胶带置于探针台支架之上，孔洞部分悬于中间，二维材料位于碳酸亚丙基酯胶上端；

s06，将有思高胶带的支架刚性固定于探针夹上，将选取普通探针，利用银胶将反面粘于硅片、石英片或载玻片基底之上，探针尖端部分朝上，将整个探针置于调温式四维微操作平台上并用银胶固定；

s07，将二维材料与普通探针针尖对齐，调节初始温度55℃，逐渐调节竖直方向平台的移动直到二维材料片与探针针尖接触并包裹，升高温度到120℃，等待20-30min，碳酸亚丙基酯胶融化并脱离思高胶带，降温至常温；

s8，利用真空退火装置将覆有二维材料片的探针真空退火除胶，真空度为10^-5pa，温度为380℃，持续30min。

作为一个优选实施例，所述硅片表面的氧化层厚度为300nm。

作为一个优选实施例，所述选择厚度30nm以下的二维材料的硅片，还包括：

将分布有二维材料的硅片置于光学显微镜下，根据不同二维材料在硅片氧化层上不同的光学对比度来选择接近30nm的二维材料片；

将选择厚度30nm以下的二维材料置于原子力显微镜下表征其精确厚度，选择30nm以下的二维材料。

作为一个优选实施例，步骤s03中所述旋涂碳酸亚丙基酯胶后烘干，包括：

旋涂质量分数为14％的碳酸亚丙基酯胶，所述碳酸亚丙基酯胶溶剂为苯甲醚，旋涂参数为500r/min持续20s，1750r/s持续40s；

将旋涂结束的硅片置于95℃的加热台上烘干5min。

作为一个优选实施例，步骤s05所述探针台包括：计算机，调温式四维微操作平台，光学显微镜，电荷耦合元件，探针夹，光学减震台；其特征在于：在光学减震台上固定了一个调温式四维微操作平台，是所述探针台的移动部分，包括三个方向的平动和水平方向的转动；配备有电荷耦合元件的光学显微镜垂直置于四维微操作平台正上方，电荷耦合元件连接于计算机，探针夹固定于光学减震台上的刚性结构区域。

作为一个优选实施例，步骤s06所述普通探针，是带有针尖的成品探针；或者是普通探针或覆有金属涂层的成品探针。

作为一个优选实施例，步骤s07所述将二维材料与普通探针针尖对齐是：利用显微镜图像及电脑采集的照片将探针夹上的目标二维材料片与调温式四维微操作平台上的普通探针针尖对齐。

作为一个优选实施例，步骤s08所述制备二维材料修饰针尖探针的方法所用真空退火装置是成品高温管式炉，设置目标温度及达到目标温度所需要的时间，温度达1200℃，配备的机械泵和分子泵，使气压降至10^-5pa。

具体地，本发明以高定向石墨、氮化硼、二硫化钼作为实施例举例说明：

实施例1：

选取2mm×2mm大小的高定向石墨置于长度约为10cm的思高胶带黏着面，机械剥离高定向石墨；所述机械剥离高定向石墨是将高定向石墨置于思高胶带黏着面，对折10至20次所述思高胶带，形成胶带黏着面高定向石墨分布区域，所述硅片表面的氧化层厚度为300nm。

将所述胶带黏着面高定向石墨分布区域粘在硅片表面的氧化层上，并增加接触压力，使得在硅片氧化层表面剩余高定向石墨，选择厚度30nm以下的高定向石墨的硅片。所述选择厚度30nm以下的高定向石墨的硅片，还包括：

将分布有高定向石墨的硅片置于光学显微镜下，根据不同高定向石墨在硅片氧化层上不同的光学对比度来选择接近30nm的高定向石墨片；

将选择厚度30nm以下的高定向石墨置于原子力显微镜下表征其精确厚度，选择30nm以下的高定向石墨。

将所述选择的厚度30nm以下的高定向石墨的硅片置于旋涂台上，旋涂碳酸亚丙基酯胶后烘干。具体地，将所述多层石墨烯片的硅片置于旋涂台上，在常温下，旋涂质量分数为14％的碳酸亚丙基酯胶，所述碳酸亚丙基酯胶溶剂为苯甲醚，旋涂参数为500r/min持续20s，1750r/s持续40s；

将旋涂结束的硅片置于95℃的加热台上烘干5min。

重新截取一段思高胶带，划出一个3至6mm的正方形洞，粘于已烘干的硅片表面。撕下思高胶带，旋涂的碳酸亚丙基酯胶及硅片上的高定向石墨片随胶带脱离，在所述正方形洞洞口区域，形成高定向石墨与碳酸亚丙基酯胶的复合体。

将粘有高定向石墨及碳酸亚丙基酯胶复合体的胶带置于探针台支架之上，孔洞部分悬于中间，高定向石墨位于碳酸亚丙基酯胶上端。

具体地，所述探针台包括：计算机，调温式四维微操作平台，光学显微镜，电荷耦合元件，探针夹，光学减震台；其特征在于：在光学减震台上固定了一个调温式四维微操作平台，是所述探针台的移动部分，包括三个方向的平动和水平方向的转动；配备有电荷耦合元件的光学显微镜垂直置于四维微操作平台正上方，电荷耦合元件连接于计算机，探针夹固定于光学减震台上的刚性结构区域。

将有思高胶带的支架刚性固定于探针夹上，将选取普通探针，利用银胶将反面粘于硅片、石英片或载玻片基底之上，探针尖端部分朝上，将整个探针置于调温式四维微操作平台上并用银胶固定。

其中，所述普通探针，是带有针尖的成品探针；或者是普通探针或覆有金属涂层的成品探针。

将高定向石墨与普通探针针尖对齐，调节初始温度55℃，逐渐调节竖直方向平台的移动直到高定向石墨片与探针针尖接触并包裹，升高温度到120℃，等待20-30min，碳酸亚丙基酯胶融化并脱离思高胶带，降温至常温。

所述将高定向石墨与普通探针针尖对齐是：利用显微镜图像及电脑采集的照片将探针夹上的高定向石墨与调温式四维微操作平台上的普通探针针尖对齐。

利用真空退火装置将覆有高定向石墨片的探针真空退火除胶，真空度为10-5pa，温度为380℃，持续30min，即可得到最终的产品覆有高定向石墨(其中，层数非常多时也称为多层石墨烯)的原子力显微镜探针。

所述制备二维材料修饰针尖探针的方法所用真空退火装置是成品高温管式炉，设置目标温度及达到目标温度所需要的时间，温度达1200℃，配备的机械泵和分子泵，使气压降至10^-5pa。

本实施例的系列表征如图2所示，图2是对已经覆盖多层石墨烯的原子力显微镜探针的表征：其中，(a)、(b)表示的分别是对多层石墨烯探针的光学显微镜表征和扫描电子显微镜表征；(c)表示的是对应的多层石墨烯探针的示意图；(d)表示的是对附着在探针针尖表面的多层石墨烯的拉曼光谱表征。

实施例2：

选取2mm×2mm大小的氮化硼置于长度约为10cm的思高胶带黏着面，机械剥离氮化硼；所述机械剥离氮化硼是将氮化硼置于思高胶带黏着面，对折10至20次所述思高胶带，形成胶带黏着面氮化硼分布区域，所述硅片表面的氧化层厚度为300nm。

将所述胶带黏着面氮化硼分布区域粘在硅片表面的氧化层上，并增加接触压力，使得在硅片氧化层表面剩余氮化硼，选择厚度30nm以下的氮化硼的硅片。所述选择厚度30nm以下的氮化硼的硅片，还包括：

将分布有氮化硼的硅片置于光学显微镜下，根据不同氮化硼在硅片氧化层上不同的光学对比度来选择接近30nm的氮化硼片；

将选择厚度30nm以下的氮化硼置于原子力显微镜下表征其精确厚度，选择30nm以下的氮化硼。

将所述选择的厚度30nm以下的氮化硼的硅片置于旋涂台上，旋涂碳酸亚丙基酯胶后烘干。具体地，将所述多层石墨烯片的硅片置于旋涂台上，在常温下，旋涂质量分数为14％的碳酸亚丙基酯胶，所述碳酸亚丙基酯胶溶剂为苯甲醚，旋涂参数为500r/min持续20s，1750r/s持续40s；

将旋涂结束的硅片置于95℃的加热台上烘干5min。

重新截取一段思高胶带，划出一个3至6mm的正方形洞，粘于已烘干的硅片表面。撕下思高胶带，旋涂的碳酸亚丙基酯胶及硅片上的氮化硼片随胶带脱离，在所述正方形洞洞口区域，形成氮化硼与碳酸亚丙基酯胶的复合体。

将粘有氮化硼及碳酸亚丙基酯胶复合体的胶带置于探针台支架之上，孔洞部分悬于中间，氮化硼位于碳酸亚丙基酯胶上端。

具体地，所述探针台包括：计算机，调温式四维微操作平台，光学显微镜，电荷耦合元件，探针夹，光学减震台；其特征在于：在光学减震台上固定了一个调温式四维微操作平台，是所述探针台的移动部分，包括三个方向的平动和水平方向的转动；配备有电荷耦合元件的光学显微镜垂直置于四维微操作平台正上方，电荷耦合元件连接于计算机，探针夹固定于光学减震台上的刚性结构区域。

将有思高胶带的支架刚性固定于探针夹上，将选取普通探针，利用银胶将反面粘于硅片、石英片或载玻片基底之上，探针尖端部分朝上，将整个探针置于调温式四维微操作平台上并用银胶固定。

其中，所述普通探针，是带有针尖的成品探针；或者是普通探针或覆有金属涂层的成品探针。

将氮化硼与普通探针针尖对齐，调节初始温度55℃，逐渐调节竖直方向平台的移动直到氮化硼片与探针针尖接触并包裹，升高温度到120℃，等待20-30min，碳酸亚丙基酯胶融化并脱离思高胶带，降温至常温。

所述将氮化硼与普通探针针尖对齐是：利用显微镜图像及电脑采集的照片将探针夹上的氮化硼与调温式四维微操作平台上的普通探针针尖对齐。

利用真空退火装置将覆有氮化硼片的探针真空退火除胶，真空度为10-⁵pa，温度为380℃，持续30min，即可得到最终的产品覆有氮化硼的原子力显微镜探针。

所述制备二维材料修饰针尖探针的方法所用真空退火装置是成品高温管式炉，设置目标温度及达到目标温度所需要的时间，温度达1200℃，配备的机械泵和分子泵，使气压降至10^-5pa。

实施例3：

选取2mm×2mm大小的二硫化钼置于长度约为10cm的思高胶带黏着面，机械剥离二硫化钼；所述机械剥离二硫化钼是将二硫化钼置于思高胶带黏着面，对折10至20次所述思高胶带，形成胶带黏着面二硫化钼分布区域，所述硅片表面的氧化层厚度为300nm。

将所述胶带黏着面二硫化钼分布区域粘在硅片表面的氧化层上，并增加接触压力，使得在硅片氧化层表面剩余二硫化钼，选择厚度30nm以下的二硫化钼的硅片。所述选择厚度30nm以下的二硫化钼的硅片，还包括：

将分布有二硫化钼的硅片置于光学显微镜下，根据不同二硫化钼在硅片氧化层上不同的光学对比度来选择接近30nm的二硫化钼片；

将选择厚度30nm以下的二硫化钼置于原子力显微镜下表征其精确厚度，选择30nm以下的二硫化钼。

将所述选择的厚度30nm以下的二硫化钼的硅片置于旋涂台上，旋涂碳酸亚丙基酯胶后烘干。具体地，将所述多层石墨烯片的硅片置于旋涂台上，在常温下，旋涂质量分数为14％的碳酸亚丙基酯胶，所述碳酸亚丙基酯胶溶剂为苯甲醚，旋涂参数为500r/min持续20s，1750r/s持续40s；

将旋涂结束的硅片置于95℃的加热台上烘干5min。

重新截取一段思高胶带，划出一个3至6mm的正方形洞，粘于已烘干的硅片表面。撕下思高胶带，旋涂的碳酸亚丙基酯胶及硅片上的二硫化钼片随胶带脱离，在所述正方形洞洞口区域，形成二硫化钼与碳酸亚丙基酯胶的复合体。

将粘有二硫化钼及碳酸亚丙基酯胶复合体的胶带置于探针台支架之上，孔洞部分悬于中间，二硫化钼位于碳酸亚丙基酯胶上端。

具体地，所述探针台包括：计算机，调温式四维微操作平台，光学显微镜，电荷耦合元件，探针夹，光学减震台；其特征在于：在光学减震台上固定了一个调温式四维微操作平台，是所述探针台的移动部分，包括三个方向的平动和水平方向的转动；配备有电荷耦合元件的光学显微镜垂直置于四维微操作平台正上方，电荷耦合元件连接于计算机，探针夹固定于光学减震台上的刚性结构区域。

将有思高胶带的支架刚性固定于探针夹上，将选取普通探针，利用银胶将反面粘于硅片、石英片或载玻片基底之上，探针尖端部分朝上，将整个探针置于调温式四维微操作平台上并用银胶固定。

其中，所述普通探针，是带有针尖的成品探针；或者是普通探针或覆有金属涂层的成品探针。

将二硫化钼与普通探针针尖对齐，调节初始温度55℃，逐渐调节竖直方向平台的移动直到二硫化钼片与探针针尖接触并包裹，升高温度到120℃，等待20-30min，碳酸亚丙基酯胶融化并脱离思高胶带，降温至常温。

所述将二硫化钼与普通探针针尖对齐是：利用显微镜图像及电脑采集的照片将探针夹上的二硫化钼与调温式四维微操作平台上的普通探针针尖对齐。

利用真空退火装置将覆有二硫化钼片的探针真空退火除胶，真空度为10^-5pa，温度为380℃，持续30min，即可得到最终的产品覆有二硫化钼的原子力显微镜探针。

所述制备二维材料修饰针尖探针的方法所用真空退火装置是成品高温管式炉，设置目标温度及达到目标温度所需要的时间，温度达1200℃，配备的机械泵和分子泵，使气压降至10^-5pa。

本发明实施例提供的一种包裹二维材料的原子力显微镜探针制备方法，在空气或真空中，在500℃的环境中能稳定粘附在针尖上，可以在空气和真空中应用于原子力显微镜实现各种原子力显微镜图像的获取；可以应用于对二维平面材料的表面性能研究，尤其是二维材料之间的粘附，摩擦等机械力学性能，便捷地研究大批低维材料的特殊性质；且制作过程成熟简便，适合实验室及产业化应用制作二维材料修饰针尖探针。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。