基于电化学液膜法腐蚀制备STM钨探针的研究

高质量的探针是保证扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)4K分辨率的关键。为得到原子级别的探针,实验基于电化学腐蚀原理,使用垂直液膜法制备钨探针。在制备过程中通过控制变量法,研究了腐蚀电压、液膜下钨丝长度等参数对探针质量的影响,实验发现,当使用2 mol/L的NaOH溶液作为液膜时,最佳腐蚀电压为5 V、最佳液膜下钨丝长度为4 mm。该研究为电化学液膜法腐蚀制备钨探针提供了参考依据。

大长径比台阶钨探针制备方法研究

研究了基于电化学腐蚀法的大长径比台阶钨探针针尖制备方法,该探针可用于针尖增强拉曼光谱测控系统。在实验室自主设计研制的包含电化学腐蚀控制电路的探针制备装置上,通过精密压电陶瓷控制探针腐蚀时间和位移,获得了长径比可控、重复性好的探针针尖;在此基础上,通过精确调节腐蚀过程中钨丝与液面的位置,制备了台阶探针针尖。

基于电化学腐蚀法的钨探针制备装置研究

基于电化学腐蚀法制备钨探针的原理,设计了一套钨探针制备装置,并对钨探针制备参数进行了研究。装置的实验部分用于调整探针与电解槽的相对位置和运动参数,控制部分用于监测、控制并记录电化学反应的状态。与传统腐蚀探针相比,该装置通过控制电路控制探针腐蚀过程中运动参数,获得了形状可控的大长径比探针;同时通过精确控制腐蚀反应时间,可制备针尖曲率半径范围为5~20 nm的探针。

钨极高压微电弧温度模型的建立与验证

为提高一体式微球形钨探针的制备成功率,对制备过程中高压微电弧进行了研究。建立了钨极高压微电弧的多物理场耦合仿真模型以计算电极间距在0.5~2.0 mm、电压在1~12 kV时的电弧温度分布;然后对仿真结果进行最小二乘拟合,进而得到了电弧温度与放电参数之间的数学模型;最后,基于Boltzmann作图法搭建了光谱测温系统,并对数学模型进行了验证。研究结果表明:电弧呈椭球形分布,近阳极区存在高温屏障,阳极温度远低于阴极温度;电弧温度与电压、电极间距之间均为类抛物线性关系;模型计算结果与实验结果的平均相对误差为3.3%。该模型可用于计算电弧温度,从而实现钨探针的可控制备。

适用于TERS系统的金修饰钨丝探针制备和研究

提出了一种适用于针尖增强拉曼光谱(TERS)系统的金修饰钨丝探针,研究了其制备方法。有限元仿真设计了针尖的形状为内弧形针尖,并进行二氧化硅粘结层和金颗粒外层双镀膜结构纳米修饰;通过调节实验室自主研制的电化学腐蚀探针装置的溶液浓度、电机位移和浸入深度制备符合形状要求的钨丝针尖;在此基础上,通过电感耦合等离子体化学气相沉积技术(ICP-CVD)进行二氧化硅涂层镀制,电子束加热物理气象沉积技术(EB-PVD)进行金涂层镀制。最终完成该探针制备,双层镀膜后针尖曲率半径达30~80 nm,可用于TERS研究。

石英音叉扫描探针显微镜

石英音叉是一种谐振频率稳定、品质因数高的时基器件,其音叉臂的谐振参数(谐振振幅和谐振频率)对微力极其敏感。利用石英音叉对外力的敏感性,与钨探针结合,构成一种新型的表面形貌扫描测头。该测头与xyz压电工作台结合,利用测头音叉臂谐振频率对扫描微力的敏感性,研制基于相位反馈控制的扫描探针显微镜。首先介绍石英音叉测头的构成、工作原理和特性测试,以及由该测头构建的扫描探针显微镜的结构和测试、分析。通过对测头和系统的测试结果分析,系统达到1.2 nm的垂直分辨率,并通过对一维栅的测量,给出扫描获得的试样表面微观形貌图以及相位图,证明系统的有效性。另外,由于采用大长径比的钨探针,该系统具有测量大深宽比微器件表面轮廓的能力。

用于音叉式原子力显微镜的探针制备

建立了一种电化学腐蚀法钨探针制备系统,通过对电化学腐蚀过程中微弱电流信号的实时检测,实现对腐蚀电路快速通断的自动控制,断电时间0.3 ms。该系统制备出了具有与理想轮廓一致的指数形探针。分析了电解电压、电解液浓度与腐蚀电流的关系,得出腐蚀最佳参数。将石英音叉与钨探针粘接构成原子力显微镜测头,完成了调幅模式下的力曲线测试。实验结果表明:制作的钨探针满足原子力显微镜测头性能要求,音叉信号稳定,能识别10砌的运动变化,为研制高性能音叉式原子力显微镜提供了实验技术基础。

基于聚偏氟乙烯的扫描探针显微镜系统

采用聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜和压电陶瓷(PZT),并结合由电化学研磨得到的钨探针,研制了一种具有对称结构的新型轻敲模式扫描测头。在该测头中,PVDF压电薄膜作为振动梁,其下方中间位置固定有钨探针,在PZT的驱动下,PVDF和探针处于谐振振动状态,同时,PVDF作为微力传感器检测探针顶端原子与试样表面原子间的作用力。所构建测头结合三维纳米定位台、控制程序等构成了新型扫描探针显微镜系统。介绍了测头的构成、工作原理、特性以及SPM系统的整体结构、测量原理、三维工作台的定位控制、信号处理过程和整系统特性测试,并以一维标准光栅为试样进行三维图像扫描,证明了该新型扫描探针显微镜系统的可行性和有效性。