一种扫描探针及其制备方法与流程

本发明属于测量检测设备领域，特别是涉及一种扫描探针及其制备方法。

背景技术：

近年来随着凝聚态物理的发展，很多量子材料都被发现具有非常有趣的非常规边界态，比如量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应和二维量子拓扑绝缘体等。人们通常将这些具有边界态的研究对象放置在导电的衬底上进行测量，但是这种测量具有间接性，它很容易受导电衬底的影响，也有可能在边界吸附东西；此外，由于这些新型材料均具有较小的能带带隙，只有在低温和强磁场条件下才能测量得到较好的实验结果，因此测量过程较为复杂，通常需要扫描隧道显微镜(stm)来进行测量。

stm是物理测量中常用的一种探测空间中电学分布的手段。stm的扫描原理是在扫描探针和待测样品之间施加一个偏压，当两者靠得非常近，距离小于一纳米时，电子会在探针和样品之间发生隧穿效应，通过检测隧穿电流的大小，来反应样品的形貌信息。它具有很高的空间分辨，不仅能够在纳米尺度上观测原子，而且能探测到材料的电子态。以上提及的新型量子材料，其边界态的空间尺度在几个纳米量级，如果直接测量这些边界态以及电子态密度的空间分布，stm显然是一个非常好的选择。然而，现实中stm很难直接测量，因为这些导电边界的旁边就是绝缘衬底，stm在扫描的过程中，很容易就移动到绝缘衬底表面。stm具有两种测量模式，固定电流测量高度和固定高度测量电流。通常的stm的高度控制采用了电流反馈机制，当stm的针尖扫描至绝缘区域，电流会急剧减小，电流反馈机制导致stm判断针尖与样品表面的距离较大，负责控制针尖与样品距离的压电陶瓷动作减小该距离，最终导致针尖与样品发生碰撞而造成损坏。

除此之外，进行stm测量时，探针材料一般是单质金属(w)或者铂-铱(pt/ir)合金等，待测样品必须是金属(或半导体)材料；由于气体分子对针尖的影响，扫描过程必须要在超真空中进行；为了降低热噪声的影响，测量往往在极低温下进行；另外，待测样品还需要表面非常平整，以减小对扫描探针针尖的损伤，这极大地限制了stm的应用范围。

原子力显微镜(afm)是纳米科学与工程领域的重要检测手段，可以通过对纳米尺度针尖与样品表面微区力的检测实现微区形貌的测量。其主要工作原理是：针尖与样品之间的作用力取决于它们之间的距离，针尖依附在微悬臂上，一束激光照在微悬臂梁上，可以检测微悬臂的弯曲。所以原子力显微镜工作时每改变一次针尖和样品的距离，就改变了衬底对针尖的排斥力，使得针尖依附的微悬臂弯曲，激光反射角改变，最终以反射角的改变记录下针尖-样品间距，通过扫描整个样品获得样品的形貌图。afm对待测样品的要求非常宽松，样品可以导电也绝缘，同时对样品表面粗糙度要求也不高，扫描可以在气体和液相氛围中进行。

基于afm工作原理的启发，要想拓展stm的应用领域就必须改变其测量的反馈机制，即保留电流反馈机制的同时，实现原子力反馈机制。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种扫描探针及其制备方法，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种扫描探针，所述扫描探针包括：

探针本体，所述探针本体包括针尖和承载所述针尖的微悬臂，所述微悬臂设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述针尖连接于所述微悬臂的上表面靠近端部；

覆盖所述微悬臂的上表面以及所述针尖的金属导电层；

覆盖所述金属导电层的绝缘层；

覆盖所述微悬臂的下表面的金属反射层。

可选地，所述微悬臂的长度包括100～500μm，宽度包括5～20μm，厚度包括500nm～5μm。

可选地，所述金属导电层的材料包括pt、w、ir、ta、ti、ru、cu、ni、fe、mn、co、pd、au、cr、mo、ge、re、rh、nb、hf和zr中的一种或多种组合，所述金属导电层的厚度包括20～150nm。

可选地，所述绝缘层的材料包括h-bn、sic、金刚石、al2o3、aln和c-bn中的一种。

可选地，所述绝缘层的厚度小于1nm。

可选地，所述绝缘层为单原子层、双原子层或三原子层的连续薄膜。

可选地，所述金属反射层的材料包括au、pt、fe、mn、co、pd、au、cr、mo、ge、al中的至少一种，所述金属反射层的厚度为20～150nm。

可选地，所述探针本体的类型包括原子力显微镜探针。

本发明还提供一种扫描探针的制备方法，至少包括以下步骤：

1)提供一探针本体，所述探针本体包括针尖和承载所述针尖的微悬臂，所述微悬臂设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述针尖连接于所述微悬臂的上表面靠近端部；

2)沉积金属导电层，覆盖所述针尖以及所述微悬臂的上表面；

3)沉积绝缘层，覆盖所述金属导电层；

4)沉积金属反射层，覆盖所述微悬臂的下表面。

可选地，还包括于步骤2)之前对所述探针本体进行清洗的步骤。

可选地，沉积所述绝缘层的方法包括化学气相沉积法或等离子体辅助化学气相沉积法。

如上所述，本发明提供的扫描探针及其制备方法以及扫描隧道显微镜，具有以下有益效果：

通过引入绝缘层，能够形成扫描探针与样品间的隧穿电流；

通过反馈扫描探针与样片间的原子力大小，能够对样品是否接触、接触距离等进行反馈控制，实现原子力反馈机制；

h-bn具有超润滑的表面、优异的耐磨性及稳定性，能够减小针尖的磨损及保证隧穿电流信号的稳定输出。

附图说明

图1显示为本发明提供的扫描探针的制备方法流程图。

图2显示为本发明提供的探针本体的结构示意图。

图3显示为本发明中沉积金属导电层的结构示意图。

图4显示为本发明中沉积绝缘层的结构示意图。

图5显示为本发明中沉积绝缘层后的探针侧面的sem图像。

图6显示为本发明中h-bn绝缘层的拉曼光谱。

图7(a)显示为本发明的h-bn绝缘层于微栅碳膜上tem图像，右上角为透过栅孔拍摄的saed图像；图7(b)显示为本发明的h-bn绝缘层的高分辨tem原子像，右上角为对应的快速傅里叶变换(fft)图像。

图8(a)显示为本发明的h-bn绝缘层为单原子层的tem图像；图8(b)显示为本发明的h-bn绝缘层为双原子层的tem图像；图8(c)显示为本发明的h-bn绝缘层为三原子层的tem图像。

图9显示为本发明中沉积金属反射层的结构示意图。

元件标号说明

11探针本体

111针尖

112微悬臂

12金属导电层

13绝缘层

14金属反射层

s1～s4步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

如图9所示，本发明提供一种新型扫描探针，扫描探针包括：探针本体11，探针本体11包括针尖111和承载针尖111的微悬臂112，微悬臂112设有上表面1121和与上表面对应的下表面1122，针尖111连接于微悬臂上表面1121靠近端部；覆盖微悬臂上表面1121以及针尖111的金属导电层12；覆盖金属导电层12的绝缘层13；覆盖微悬臂下表面1122的金属反射层14。

作为示例，探针本体11由微悬臂112以及位于微悬臂末端的尖锐针尖111组成。微悬臂的长度包括100～500μm，宽度包括5～20μm，厚度包括500nm～5μm，微悬臂的材料包括硅片或氮化硅片。微悬臂对力非常敏感，它的材料和尺寸决定了探针的分辨率。在本实施例中，探针本体选用现有的afm的探针，当然，也可选用其他适用的探针类型。

作为示例，金属导电层12的材料包括pt、w、ir、ta、ti、ru、cu、ni、fe、mn、co、pd、au、cr、mo、ge、re、rh、nb、hf和zr中的一种或多种。金属导电层12的厚度包括20～150nm，金属导电层12使得探针本体导电，从而在进行stm测试时，能够产生电流隧穿效应。在本实施例中，选用pt作为金属导电层12的材料，pt的厚度为50nm。

作为示例，绝缘层13的材料包括h-bn、sic、金刚石、al2o3、aln和c-bn中的一种。绝缘层13相当于传统stm针尖与样品之间的真空层的作用。由于该绝缘层的阻隔，扫描探针和样品之间的电流均通过隧穿来实现。需要说明的是，绝缘层13的厚度需小于1nm，以便扫描探针与待测样品之间发生隧穿效应。为了达到更好的效果，绝缘层的厚度可限定为单层、双原子层或三原子层的连续薄膜。在本实施例中，绝缘层13选用六角氮化硼h-bn，其具有的超润滑的表面、优异的耐磨性及稳定性，可以实现针尖的磨损减小及隧穿电流信号的稳定输出。

作为示例，金属反射层14的材料包括au、pt、fe、mn、co、pd、au、cr、mo、ge、al中的至少一种，金属反射层的厚度为20～150nm。在本实施例中，选用铝膜作为金属反射层14的材料，厚度为50nm。金属反射层的作用是增强对激光的反射率，提高测量灵敏度。本发明中涉及的新型扫描探针，增加了接触力学反馈机制来实现stm的部分功能，因此，扫描探针下表面需沉积一反射金属导电层，用于反射激光从而得到微悬臂的形变量。

本发明还提供一种扫描隧道显微镜，采用了如上所述的新型扫描探针，从而可以实现通过原子力反馈机制来控制探针与样品的接触。通过原子力大小对样品是否接触、接触距离等进行控制，从而避免现有的stm在进行测试时因电流反馈机制导致的stm判断针尖与样片表面的距离错误，而最终导致的针尖与样品发生碰撞而造成的探针损坏或测量不准。

本发明通过引入绝缘层，能够形成扫描探针与样品间的隧穿电流；通过反馈扫描探针与样片间的原子力大小，能够对样品是否接触、接触距离等进行反馈控制，实现原子力反馈机制；h-bn具有超润滑的表面、优异的耐磨性及稳定性，能够减小针尖的磨损及保证隧穿电流信号的稳定输出。

实施例二

请参照图1，本发明提供一种新型探针的制备方法，所述新型探针的制备方法包括如下步骤:

1)提供一探针本体，所述探针本体包括针尖和承载所述针尖的微悬臂，所述微悬臂设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述针尖连接于所述微悬臂的上表面靠近端部；

2)沉积第一金属导电层，所述第一金属导电层覆盖所述针尖以及所述微悬臂的上表面；

3)沉积绝缘层，覆盖所述第一金属导电层；

4)沉积金属反射层，覆盖所述微悬臂的下表面。

下面结合附件图2至9详细说明本实施例的技术方案。

如图2所示，进行步骤1)，提供一探针本体，探针本体11包括针尖111和承载针尖111的微悬臂112，微悬臂112包括上表面1121和与上表面对应的下表面1122。

作为示例，如图2所示，探针本体是一个头上带有用来扫描样品表面的尖细针尖的微悬臂，微悬臂的长度包括100～500μm，宽度包括5～20μm，厚度包括500nm～5μm，微悬臂的材料包括硅片或氮化硅片。微悬臂对力非常敏感，它的材料和尺寸决定了探针的分辨率。在本实施例中，探针本体选用现有的afm的探针，当然，也可选用其他适用的探针类型。

如图3所示，进行步骤2)，沉积金属导电层12，覆盖针尖111以及微悬臂的上表面1121。

作为示例，如图3所示，金属导电层12的材料包括pt、w、ir、ta、ti、ru、cu、ni、fe、mn、co、pd、au、cr、mo、ge、re、rh、nb、hf和zr中的一种或多种。金属导电层12的厚度包括20～150nm，金属导电层12使得探针本体导电，从而在进行stm测试时，能够产生电流隧穿效应。在本实施例中，选用pt作为金属导电层12的材料，pt的厚度为50nm。

作为示例，在本实施例中，将探针本体11放置在夹具上，采用磁控溅射法沉积金属导电层12。具体工艺参数包括：射频频率为13.5mhz，输入功率为300w，选用纯度为99.99％的pt靶，直径为5cm，靶到探针本体的距离为4cm，源气体为纯氩气。溅射时，探针本体温度为室温，工作气压为2pa，固定气量为5sccm，沉积时间是30min，沉积所得金属的厚度约50nm。当然，也可以采用其他镀膜方式沉积金属导电层，在此不做限制。

作为示例，于步骤2)进行之前，还具有对探针本体11进行清洗的步骤。依次用5％盐酸、丙酮(分析纯)、去离子水(电阻率：18.25mω)、异丙醇(分析纯)清洗探针本体，以去除探针本体表面的杂质。

如图4所示，进行步骤3)，沉积绝缘层13，覆盖金属导电层12。

作为示例，如图4所示，绝缘层13的材料包括h-bn、sic、金刚石、al2o3、aln和c-bn中的一种。绝缘层13相当于传统stm针尖与样品之间的真空层的作用。由于该绝缘层的阻隔，扫描探针和样品之间的电流均通过隧穿来实现。需要说明的是，绝缘层13的厚度需小于1nm，以便扫描探针与待测样品之间发生隧穿效应。为了达到更好的效果，绝缘层的厚度可限定为单层、双原子层或三原子层的连续薄膜。在本实施例中，绝缘层13选用六角氮化硼h-bn，其具有的超润滑的表面、优异的耐磨性及稳定性，可以实现针尖的磨损减小及隧穿电流信号的稳定输出。

作为示例，沉积绝缘层的方法包括化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积等方法。在本实施例中，采用化学气相沉积法制备h-bn绝缘层。具体过程为：1)清洗沉积金属导电层后的探针本体：依次用5％盐酸、丙酮、异丙醇、去离子水清洗，以去除探针本体表面的氧化物和有机物杂质；2)对探针本体在温度为1070℃、压强为5kpa、氩气和氢气混合气氛(ar：h2＝150sccm：50sccm)条件下退火2h，退火过程从很大程度上减少了探针表面的杂质并增加了表面的平整度；3)生长薄膜：采用热壁cvd系统生长h-bn薄膜，使用氨硼烷作为h-bn的生长源，其分子式为nh3·bh3，在室温下具有较好的稳定性，压强为50pa，氩气和氢气流量分别调整为15sccm以及100sccm。为了保证生长的h-bn是单层或者少层连续薄膜，所用氨硼烷的质量为20mg，将氨硼烷加热至120～130℃使其融化并快速分解，生长时间一般为60～120min以保证所用氨硼烷已裂解完全，为h-bn绝缘层的生长提供充分的b、n源。

对本实施例得到的h-bn绝缘层进行测试，以验证通过本实施例提供的方法得到的h-bn绝缘层的质量。

对沉积h-bn绝缘层后的探针侧面进行sem测试，如图5所示，可以看出，探针本体的上表面被完全覆盖，形成完整的连续膜。

对h-bn绝缘层进行拉曼光谱测试，如图6所示。拉曼光谱能快速、高效率、无损表征h-bn的晶体质量。通过研究拉曼光谱谱线的形状、半高峰宽和峰位等可以分析h-bn结晶质量优劣。将h-bn薄膜转移至90nm厚sio2/si衬底，通过拉曼光谱对薄膜的多个区域进一步表征，拉曼光谱峰值为1365cm^-1，此峰值由h-bn的e2g对称振动模产生，单层h-bn的半高峰宽为14cm^-1，且峰型具有良好对称性，说明所得到的h-bn具有较高结晶质量。

对h-bn绝缘层的厚度和生长质量进行测试，具体测试过程包括：1)在h-bn绝缘层表面旋涂一层厚度均匀的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)；2)然后将整个探针作为阴极浸入0.1mol/l的naoh溶液中将h-bn/pmma从探针的金属pt表面进行电化学剥离；3)待剥离完毕后，将h-bn/pmma用去离子水漂洗并转移至具有微栅碳膜的tem(透射电子显微镜)铜网上；将pmma/h-bn/铜网置于丙酮溶液中加热，溶解pmma并用去离子水冲洗，最后在300℃温度下退火处理，进一步除去残留的pmma。

图7(a)为微栅碳膜上h-bn绝缘层的tem图像，右上角的附图为透过栅孔拍摄的选取电子衍射(saed)图像，图中栅孔内的杂质颗粒和褶皱证实了h-bn的存在。内部附图为栅孔位置拍摄的saed图像，呈现出一套强烈的六方对称点阵，说明制备的h-bn绝缘层具有非常高的结晶性，且各原子层之间晶格方向一致。图7(b)所示为h-bn绝缘层的高分辨tem原子像，右上角为对应的快速傅里叶变换(fft)图像，图中展现出典型的六方密堆积点阵结构，晶格常数为0.25nm，进一步证实了制备的h-bn绝缘层质量较高。

图8(a)～(c)为不同厚度的h-bn绝缘层几个折叠区域的高倍tem图，图8(a)显示为h-bn绝缘层为单层的tem图像，图8(b)显示为h-bn绝缘层为双层的tem图像，图8(c)显示为h-bn绝缘层为三层的tem图像。说明生长的h-bn绝缘层厚度主要为单原子层、双原子层或者三原子层，其厚度小于1nm。

所以，经测试，通过本实施例的方法形成的h-bn绝缘层，为完整的连续膜，具有非常高的结晶性，主要为单原子层、双原子层或者三原子层，总厚度小于1nm，且各原子层之间晶格方向一致，更有利于形成隧穿电流。

如图9所示，进行步骤4)，沉积金属反射层14，覆盖微悬臂的下表面1122。

作为示例，如图9所示，金属反射层14的材料包括au、pt、fe、mn、co、pd、au、cr、mo、ge、al中的至少一种，金属反射层的厚度为20～150nm。金属反射层的作用是增强对激光的反射率，提高测量灵敏度。本发明中涉及的新型扫描探针，增加了接触力学反馈机制来实现stm的部分功能。因此，扫描探针下表面需沉积一反射金属导电层，用于反射机制从而得到微悬臂的形变量。需要说明的是，由于生长绝缘层时，生长炉的温度较高，容易造成金属融化、蒸发，因此本发明的工艺步骤，先在探针本体的上表面生长金属导电层和绝缘层，然后再在探针本体的下表面沉积金属反射层。

作为示例，沉积金属反射层14的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积或电镀法等。在本实施例中，将探针本体放置在夹具上，采用磁控溅射方法，在探针本体的下表面沉积铝形成金属反射层14，厚度为50nm。

本发明提供的扫描探针的制备方法是通过先在探针本体上沉积金属导电层，然后直接在金属导电层上生长绝缘层，该方法既易于实施，又可获得高质量的绝缘层，通过严格控制反应源的量和实验参数，控制薄膜的厚度，从而得到了本发明提供的扫描探针。

综上所述，本发明提供一种扫描探针及其制备方法，所述扫描探针包括：探针本体，所述探针本体包括针尖和承载所述针尖的微悬臂，所述微悬臂设有上表面和与所述上表面对应的下表面，所述针尖连接于所述微悬臂的上表面靠近端部；覆盖所述微悬臂的上表面以及所述针尖的金属导电层；覆盖所述金属导电层的绝缘层；覆盖所述微悬臂的下表面的金属反射层。本发明通过引入绝缘层，能够形成扫描探针与样品间的隧穿电流；通过反馈扫描探针与样片间的原子力大小，能够对样品是否接触、接触距离等进行反馈控制，实现原子力反馈机制；h-bn具有超润滑的表面、优异的耐磨性及稳定性，能够减小针尖的磨损及保证隧穿电流信号的稳定输出。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。