基于石墨烯材料的导电原子力显微镜探针制备方法与流程

本发明涉及半导体材料测试，具体涉及基于石墨烯材料的导电原子力显微镜探针制备方法。

背景技术：

1、目前市场上常用的导电原子力显微镜（cafm）系统主要使用贵金属金或铂涂覆的探针作为源电极，例如budgetsensors公司的electricmulti75-g。受贵金属价格与涂覆成本的影响，此类探针的售价一般是普通探针的2-3倍。更重要的是，这类探针存在金属脱落问题，严重影响了其使用寿命，并导致接触不良、测试结果不准确和开路等问题。尽管市面上存在一些具有更强鲁棒性的探针，如掺杂金刚石或铂硅涂层的探针，但它们的价格普遍是铂涂覆探针的3-10倍，并且在性能方面，如横向分辨率上，也存在明显不足。研究表明，石墨烯涂层可以有效解决金属脱落问题。然而，化学气相沉积石墨烯的成本高昂，而通过滴定法和浸润法在探针表面形成的石墨烯（或还原氧化石墨烯）涂层均匀性差、品控低且过程不可控，因此，目前仅限于实验室阶段，无法实现批量生产和应用。

技术实现思路

1、本发明提供基于石墨烯材料的导电原子力显微镜探针制备方法，目的是解决背景技术中存在的上述问题。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、基于石墨烯材料的导电原子力显微镜探针制备方法，包括以下步骤：

4、将石墨烯溶液加入以水为亚相的langmuir槽中，利用水的高张力和石墨烯的疏水特性，所述石墨烯溶液中的石墨烯纳米片在水亚相表面形成“气相”漂浮层；

5、通过控制阻隔部件逐步靠近压缩水亚相表面的所述石墨烯纳米片，形成紧密排布的石墨烯薄膜；

6、将原子力探针固定在凝胶玻璃板上，采用水平沉积法将所述石墨烯薄膜转移到所述原子力探针的针尖上；

7、将由所述石墨烯薄膜涂覆的所述原子力探针放入真空烘箱中焙烤一段时间，得到基于石墨烯材料的导电原子力显微镜探针。

8、进一步地，所述石墨烯溶液制备方法包括：

9、将石墨箔和铂丝分别作为阴极和阳极放置于硫酸胺水溶液中，并分别连接到直流电源，阴极发生还原反应，使所述石墨箔膨胀并分层形成石墨片，直至所有石墨箔全部分解成所述石墨片后反应终止；

10、将所述石墨片与溶液进行过滤，进行多次水洗直至ph为7，将清洗后的所述石墨片在一定条件下进行干燥一段时间；

11、将干燥后的所述石墨片置于dmf溶液中，形成石墨溶液，再将所述石墨溶液进行超声剥离一段时间，得到石墨烯分散液；

12、对所述石墨烯分散液在第一条件下进行离心处理一段时间，取上清液，去除未被剥离的石墨颗粒，然后在第二条件下再次离心处理一段时间，取沉淀，去除尺寸过小的石墨烯纳米片，重新在dmf中溶解后形成所述石墨烯溶液。

13、进一步地，所述将石墨烯溶液加入以水为亚相的langmuir槽中，具体为：

14、以去离子水作为亚相填充入langmuir槽中，利用注射器在水面随机多个位置分别滴入所述石墨烯溶液。

15、进一步地，所述通过控制阻隔部件逐步靠近压缩水亚相表面的所述石墨烯纳米片，形成紧密排布的石墨烯薄膜，具体为：

16、机械操控lb系统阻隔部件（barrier）以一定速率逐步靠拢，靠拢同时实时检测水表面张力变化，直至水表面张力变化为一定值时停止靠拢，所述石墨烯纳米片在水表面形成一定厚度的石墨烯薄膜。

17、进一步地，所述lb系统阻隔部件的靠拢速率为2cm/分钟；

18、所述一定值为8n/m；

19、所述石墨烯薄膜的厚度为3nm。

20、进一步地，所述将原子力探针固定在凝胶玻璃板上，采用水平沉积法将所述石墨烯薄膜转移到所述原子力探针的针尖上，包括：

21、将原子力探针间隔一定间距固定于凝胶玻璃板上；

22、将所述凝胶玻璃板固定于石墨烯/水液面上方第一高度处，将所述原子力探针面向石墨烯液面，利用ksv nima langmuir-blodgett沉积系统内置的电机控制系统控制所述原子力探针逐步下降直至接触石墨烯液面；

23、所述原子力探针的针尖与石墨烯液面接触一段时间后，所述石墨烯薄膜吸附至所述原子力探针的针尖上，控制电机系统逐步上升，使得所述原子力探针离开液面，直至上升至距液面第一高度处，取下固定有所述原子力探针的所述凝胶玻璃板，得到由所述石墨烯薄膜涂覆的所述原子力探针。

24、进一步地，所述原子力探针为multi-75g，所述原子力探针的针尖间距为2mm；

25、控制所述原子力探针的下降和上升速度均为2mm/min；

26、所述第一高度为3cm。

27、进一步地，所述将由所述石墨烯薄膜涂覆的所述原子力探针放入真空烘箱中焙烤一段时间，具体为：

28、将由所述石墨烯薄膜涂覆的所述原子力探针放入真空烘箱中，在200°c和300pa的条件下烘干8小时。

29、进一步地，所述硫酸胺水溶液的浓度为0.1m；

30、将所述石墨片与溶液进行过滤采用2000目的不锈钢滤网；

31、将清洗后的所述石墨片进行干燥的条件为：在150°c和真空度-0.085的条件下干燥10小时。

32、进一步地，所述石墨溶液的浓度为10mg/ml；

33、将所述石墨溶液进行超声剥离的条件为：将所述石墨溶液放入功率为100w,40khz的超声池进行超声剥离，在超声过程中，通过在超声池放置冰块，结合水循环降温，防止过热引起氧化和缺陷，超声剥离持续8小时；

34、所述第一条件为：在500rpm条件下离心5分钟；

35、所述第二条件为：在3000rpm条件下离心5分钟；

36、所述石墨烯溶液的浓度为1mg/ml。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、1.本发明提供了一种基于石墨烯材料的导电原子力显微镜探针制备方法，该方法以低成本的石墨材料作为原材料，不仅涂层成本远低于目前市场上主要使用的金或铂涂覆探针的成本，且具备更好的稳定性与更长的使用寿命；

39、2. 本发明通过langmuir blodgett与水平沉积法涂覆涂层，全程实现柔性接触，有效避免针尖受到损坏；

40、3. 本发明可以批量生产涂覆探针，所需能源和加工时间都远低于通常采用真空热蒸镀法的金属涂覆方法。同时，涂覆参数可高度可控，涂层具有良好的均一性；此外，langmuir blodgett涂覆系统的价格也远低于真空蒸镀仪；

41、4. 石墨烯作为柔性材料，能够完美地贴合探针针尖，不会过分降低探针的扫描分辨率（相对于掺杂金刚石或铂硅涂层的探针）；

42、5. 石墨烯具有sp2晶体结构，碳原子位置固定，不会像金或铂颗粒那样在空气中发生随机迁移，大幅提高了针尖在空气中的稳定性；

43、6. 石墨烯由于其片状结构和层间π-π作用，在施加外电场时不会发生电场驱动迁移（导致金属涂层损坏的主要原因），因此使用寿命远高于金或铂涂层的探针；

44、7. 尽管石墨烯涂层的电阻略高于金属涂层，但考虑到导电原子力显微镜主要应用于微纳尺度电子输运研究（电阻范围在1e4-1e10ω，是涂层电阻的1000倍以上），其涂层电阻对性能影响可以忽略不计。