一种磁性扫描显微镜探针及其制备方法与流程

本发明属于扫描探针显微镜技术领域，尤其涉及一种磁性扫描显微镜探针及其制备方法。

背景技术：

扫描探针显微镜(spm)是一种具有原子级分辨率的用于表面形貌采集、电磁性能分析的重要仪器，是表面科学、纳米技术等领域的重要表征工具。其中，探针是扫描探针显微镜中的重要组成部分，属于该高科技设备常用的耗材。

spm中的探针一般利用微机电系统技术加工硅或氮化硅等材料制得，用于探测材料形貌、力学等简单信息。探针包括探针基体平台、悬臂梁与针尖，探针基体平台用于连接spm，悬臂梁连接探针基体平台与针尖，针尖用于靠近或者接触样品进行信息检测。伴随器件小型化的发展趋势，需要对材料进行纳米尺度相关性能，例如磁学、电学等的观测，这就需要在普通探针针尖表面制备额外的涂层，一般为金属层。例如，磁性spm探针是在普通探针的针尖一侧表面镀几十纳米厚的磁性金属层(如铁、钴、镍及其合金等)以及其他用于提高镀层结合力的金属层(如钛、铬、铂和铱等)。但是，由于探针针尖较小，仅在针尖表面制备镀层，即避免在悬臂处覆盖镀层，其工艺难度及成本将显著增加。因此目前除了探针针尖表面，磁性镀层也往往覆盖部分或者全部的探针悬臂表面。由于磁力显微镜(mfm)探测的是磁性探针与磁性样品之间远程力(吸引力和排斥力)的相互作用，因此探针针尖处的磁性镀层以及悬臂处的磁性镀层都会与磁性样品之间产生相互作用，从而会引入一些系统误差，对磁性材料，尤其是三维纳米磁性材料磁畴结构的准确观测产生干扰。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种磁性扫描显微镜探针，具有磁学信号探测精度高，使用寿命长等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种磁性扫描显微镜探针，包括用于连接扫描探针显微镜的探针基体平台，悬臂梁以及针尖，悬臂梁的一端固定连接探针基体平台，悬臂梁的另一端固定连接针尖，其特征是：所述针尖由磁性纳米晶体构成，所述悬臂梁由非磁性材料构成，所述探针基底平台由非磁性材料构成。

所述固定连接的方式不限，包括使用连接件固定连接，以及通过物理粘结法固定连接。

所述探针基底平台是非磁性材料，包括但不限于普通硅材料、氮化硅材料等中的一种或者两种。

所述悬臂梁是非磁性材料，包括但不限于普通硅材料、氮化硅材料等中的一种或者两种。

所述磁性纳米晶体材料不限，包括铁、钴、镍及其合金，以及氧化物晶体等。

作为优选，所述针尖呈锥体。作为进一步优选，锥体底部尺寸为50nm-200nm，椎体高度为50nm-400nm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中探针悬臂起支撑作用，探针针尖用于靠近样品或者接触样品，以测量样品的形貌、磁性等，探针针尖由磁性纳米晶体构成，悬臂梁与探针基底平台由非磁性材料构成而不具有磁性。这种结构设计一方面可以利用探针探测材料的磁性特性，另一方面仅保留针尖具有磁性，其他部分不具有磁性，避免了系统误差的引入，实现了磁信号的精确探测。

(2)本发明中，探针针尖整体为磁性纳米晶体，磁性纳米晶体的材料选择广泛，可根据测试样品的需要灵活选择或设计具有高/低磁矩或高/低矫顽力的磁性探针。

(3)现有技术中，探针在使用过程中针尖磁性镀层易磨损，易导致探测失效。本发明中探针针尖为整体保持均匀磁性的纳米晶体，纳米晶体顶端与样品接触，针尖局域的磨损不会造成探针磁性的显著衰减，因此能够保证探测的有效性与稳定性，并且大大增加了探针的使用寿命。

本发明还提供了一种制备该磁性扫描显微镜探针的方法，包括如下步骤：

采用磁性纳米晶体，将该磁性纳米晶体固定在探针悬臂梁的一端，探针悬臂梁的另一端固定连接探针基底平台；然后，将磁性纳米晶体切割为探针针尖结构；

或者，采用磁性纳米晶体，将该磁性纳米晶体切割为探针针尖结构；然后，将该磁性纳米晶体固定在探针悬臂梁的一端，探针悬臂梁的另一端连接探针基底平台。

磁性纳米晶体固定在探针悬臂梁上的方法不限，包括化学胶粘固定、焊接固定等。

将磁性纳米晶体切割为探针针尖结构的方法不限，作为一种实现方式，利用聚焦离子束对磁性纳米晶体进行切割。

附图说明

图1是本发明实施例1中的磁性扫描显微镜探针的结构示意图；

图2是本发明实施例1中的磁性扫描显微镜探针的制备过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

探针基体平台1、针尖2、悬臂梁3、连接部4、磁性纳米晶体5。

实施例1：

磁性扫描显微镜探针结构如图1所示，包括用于连接扫描探针显微镜的探针基体平台1，悬臂梁3与针尖2，悬臂梁的3的一端固定连接针基体平台1，悬臂梁3的另一端通过连接部固定连接针尖2，连接部为化学胶。针尖2呈锥形。针尖2由磁性纳米晶体构成，悬臂梁3由非磁性材料构成，探针基底平台1由非磁性材料构成。

该磁性扫描显微镜探针的制备方法如图2所示，包括以下步骤：

(1)利用机械法在探针悬臂2前端连接磁性纳米晶体3

利用机械手操纵技术，将悬臂梁3靠近块状的磁性纳米晶体5，采用化学胶使磁性纳米晶体5的一端与探针悬臂梁3粘合，探针悬臂梁3的另一端固定连接探针基底平台1；

(2)按照探针针尖的形状，采用聚焦离子束的方法对磁性纳米晶体5的形状及尺寸进行切除加工，得到探针针尖形状。

实施例2：

本实施例中，磁性扫描显微镜探针结构与实施例1中的探针结构基本相同，所不同的是连接部为焊接材料。

该磁性扫描显微镜探针的制备方法包含以下步骤：

(1)利用机械手操纵技术，将悬臂梁3靠近块状的磁性纳米晶体5，采用施加偏压焊接的方法使磁性纳米晶体5的一端与悬臂梁3固定连接，悬臂梁3的另一端固定连接探针基底平台1；

(2)按照探针针尖的形状，采用聚焦离子束的方法对磁性纳米晶体5的形状及尺寸进行切除加工，得到探针针尖形状。

实施例3：

本实施例中，磁性扫描显微镜探针结构与实施例2中的探针结构相同。

该磁性扫描显微镜探针的制备方法包含以下步骤：

(1)按照探针针尖的形状，采用聚焦离子束的方法对磁性纳米晶体5的形状及尺寸进行切除加工，得到探针针尖形状。

(2)利用机械手操纵技术，将悬臂梁3靠近步骤(1)处理后的磁性纳米晶体5，采用施加偏压焊接的方法使磁性纳米晶体5的一端与悬臂梁3固定连接，悬臂梁3的另一端固定连接探针基底平台1。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种磁性扫描显微镜探针及其制备方法。该探针包括用于连接扫描探针显微镜的探针基体平台、悬臂梁与针尖，悬臂梁的一端固定连接探针基体平台，悬臂梁的另一端固定连接针尖，针尖整体由磁性纳米晶体构成，悬臂梁与探针基底平台由非磁性材料构成，可探测材料的磁性特性，由于仅针尖具有磁性，其他部分不具有磁性而避免了引入系统误差，实现了磁信号的精确探测，并且制备简单易操作，使用寿命长。

技术研发人员：郭姗姗;王保敏;李润伟
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2019.07.18
技术公布日：2019.10.15