一種電化學(xué)制備金屬針尖的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種交流電化學(xué)腐蝕制備超細(xì)金屬針尖的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy, STM)是由美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM)瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G.Binnig、H.Rohrer和他們的合作者共同發(fā)明的一種新型表面分析儀器。利用量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)，掃描隧道顯微鏡可以在實(shí)空間中探測(cè)導(dǎo)體和半導(dǎo)體表面的原子排列以及與表面電子相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)以及生命科學(xué)領(lǐng)域具有重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景。一般而言，針尖尖端的曲率半徑越小(即針尖越尖)，掃描隧道顯微鏡的空間分辨率越高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多公司和實(shí)驗(yàn)室利用電化學(xué)腐蝕方法制備了不同形狀和曲率半徑的鎢和鉬銥合金針尖，用于掃描隧道顯微鏡的實(shí)驗(yàn)中，可以方便的獲得原子級(jí)分辨率。
[0003]近年來(lái)，由低維度和小尺寸引起的復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)和新奇的磁性質(zhì)已經(jīng)成為表面以及磁學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，因此在傳統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡基礎(chǔ)上，人們又相繼發(fā)展出了基于隧道磁阻效應(yīng)(Tunneling Magneticresistance, TMR)能夠探測(cè)原子尺度表面自旋狀態(tài)的自旋極化掃描隧道顯微鏡(Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy, SP-STM)。自旋極化掃描隧道顯微鏡與傳統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡的唯一區(qū)別就是使用由磁性材料(包括鐵、鎳和鈷等鐵磁材料和鉻、鎳錳合金等反鐵磁材料，以及二氧化鉻等)制備的針尖，從而實(shí)現(xiàn)隧道電流的自旋分辨。因此，制備既能實(shí)現(xiàn)原子級(jí)空間分辨，又能實(shí)現(xiàn)隧道電流的自旋分辨的磁性針尖，是自旋極化掃描隧道顯微鏡的關(guān)鍵。目前，主要有兩類(lèi)磁性針尖用于自旋極化掃描隧道顯微鏡的實(shí)驗(yàn)。一類(lèi)是包裹型針尖，即在非磁性針尖(如:鎢針尖)外鍍上鐵或鉻等磁性金屬薄膜。但是，制備這類(lèi)針尖的方法繁瑣，針尖的質(zhì)量也不穩(wěn)定。并且，針尖上包覆的磁性金屬薄膜在隧道結(jié)電場(chǎng)作用下容易脫落，因而使用壽命較短。另一類(lèi)針尖則是直接使用鎳、鐵、鉻等鐵磁或反鐵磁材料，通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方法制備而成。這其中以鎳針尖為例，有以下優(yōu)勢(shì):首先，作為鐵磁性單質(zhì)材料，鎳針尖可以實(shí)現(xiàn)隧道電流的自旋分辨，這一點(diǎn)可以滿足自旋極化掃描隧道顯微鏡對(duì)于針尖的要求；其次，鎳的延展性好，可以用不同直徑的鎳絲制備掃描隧道顯微鏡針尖，可用于不同廠商開(kāi)發(fā)的各種型號(hào)的掃描隧道顯微鏡；最后，鎳的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中不容易與氧氣等氣體發(fā)生反應(yīng)，其氧化程度大大低于現(xiàn)在普遍使用的鎢針尖，因此其在空氣中具有壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，便于保存，同時(shí)也可以在大氣中直接工作，進(jìn)行不同的掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)。因此，有必要發(fā)展一種簡(jiǎn)單、高效、低成本的方法和裝置，制備可用于自旋極化掃描隧道顯微鏡的鎳針尖。
[0004]關(guān)于制備鎳針尖制備的方法有很多種，其中，直流電化學(xué)腐蝕是目前最成熟的方法之一。這種方法，將鎳絲穿過(guò)一個(gè)小的鉬制圓環(huán)，接于一個(gè)直流電源的正極，然后將鉬環(huán)用導(dǎo)線接入直流電源的負(fù)極。將圓環(huán)浸沒(méi)于1.5mol/L的氯化鉀溶液后拉起，由于液面的張力作用，在圓環(huán)中會(huì)形成一層液膜，這時(shí)在正負(fù)極之間加以直流電壓，液膜處鎳絲經(jīng)過(guò)腐蝕逐漸變細(xì)，形成連頸。最后，液膜處的連頸在電化學(xué)腐蝕和液面以下那部分鎳絲(或者鎳絲下面加掛的重物)重力的共同作用下最終斷開(kāi)，從而形成針尖。
[0005]以上是用鎳針尖舉例。事實(shí)上，傳統(tǒng)直流電化學(xué)腐蝕金屬針尖，特別是磁性金屬針尖的方法在裝置和操作上都較為繁瑣，由于電化學(xué)反應(yīng)需要液膜平穩(wěn)，所以外界的環(huán)境，特別是振動(dòng)和氣流對(duì)反應(yīng)的影響較大，嚴(yán)重時(shí)可阻礙反應(yīng)進(jìn)行。而且，電化學(xué)反應(yīng)速度難以提升，使得反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。此外，溶液中的陰離子與金屬電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物會(huì)覆蓋在金屬絲表面，使得反應(yīng)進(jìn)程變慢。金屬絲表面的反應(yīng)產(chǎn)物累積到一定程度，就會(huì)從表面脫落進(jìn)入溶液中，使得金屬絲表面重新露出來(lái)，反應(yīng)進(jìn)程重新加快。這樣在金屬絲表面反應(yīng)產(chǎn)物的周期性沉積和脫落，使得電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程時(shí)快時(shí)慢，表現(xiàn)為腐蝕電流的震蕩，造成反應(yīng)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致針尖成品率較低，質(zhì)量不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種電化學(xué)制備掃描隧道顯微鏡金屬針尖，特別是磁性金屬針尖的裝置及方法。
[0007]本發(fā)明提供了一種電化學(xué)制備金屬針尖的裝置及方法，所述裝置包括控制電路及電化學(xué)池，其特征在于，所述控制電路包括可變壓交流電源和交流電流表；所述電化學(xué)池包括電極、待制備金屬絲、容器及電解液；所述電極與所述待制備金屬絲組成電解池的兩個(gè)電極，所述電極浸沒(méi)在所述容器中的所述電解液液面以下，其一端與所述交流電流表的一極相連，所述交流電流表的另一極與所述交流電源的一極相連；所述待制備金屬絲的一端與所述交流電源的另一極相連，所述待制備金屬絲的另一端插入所述電解液中。
[0008]進(jìn)一步地，所述控制電路還包括電路開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)位于所述待制備金屬絲和所述交流電源之間。
[0009]進(jìn)一步地，所述交流電源的交流電壓輸出范圍為1-220V，控制精度為IV。
[0010]進(jìn)一步地，所述待制備金屬絲浸沒(méi)在電解液液面下的深度為0.5-10mm。
[0011]進(jìn)一步地，所述待制備金屬絲的材料為鐵、鈷、鎳、鉻、鎢、鈮、鐵鎳合金、鉬銥合金中的一種。
[0012]進(jìn)一步地,所述電極材料為石墨棒、石墨環(huán)或其它石墨制品中的一種。
[0013]進(jìn)一步地，對(duì)于鐵、鈷、鉻、鎳、鐵鎳合金絲，所述電解液選擇為l-2mol/L的鹽酸水溶液，對(duì)于鎢、鈮絲，所述電解液則選擇l-2mol/L的氫氧化鈉水溶液。
[0014]本發(fā)明還提供一種采用上述裝置制備金屬針尖的方法，該方法包括如下步驟:
[0015](1)提供一根待制備金屬絲；
[0016](2)將待制備金屬絲一端浸入電化學(xué)池的電解液液面以下,一端與可變壓交流電源一極相連；
[0017](3)維持可變壓交流電源的交流電壓恒定，直至待制備金屬絲在所使用電解液面形成金屬針尖。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，制備針尖所用裝置不需要設(shè)計(jì)電壓或者電流比較電路等復(fù)雜控制電路，不需要精確的控制腐蝕電壓切斷時(shí)間；制備裝置所需儀器和試劑非常常見(jiàn)，且價(jià)格便宜，簡(jiǎn)單耐用，操作方便，基本無(wú)需特別保養(yǎng)，制備針尖所需成本低；制備針尖時(shí)對(duì)外界環(huán)境要求低，可以在一般環(huán)境中制備，無(wú)需特殊溫度和濕度等外界條件；電路中使用交流電源，且所用電壓較高，這使得反應(yīng)生成的金屬化合物不同于傳統(tǒng)的低壓直流腐蝕，反應(yīng)劇烈，反應(yīng)中有大量氣泡產(chǎn)生，使得反應(yīng)生成的化合物難以附著在金屬絲表面干擾后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行；在針尖形成前，輸出電壓比傳統(tǒng)低壓直流腐蝕方法所用電壓大很多(U>15V)，腐蝕速度快，制備針尖所需時(shí)間短，效率高；所制備的針尖尖端曲率半徑小且表面光滑，質(zhì)量穩(wěn)定。一般掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)用金屬針尖都可用本發(fā)明裝置方法制備，不同的金屬針尖可以應(yīng)用在不同的領(lǐng)域:所制備磁性針尖在磁性樣品的掃描隧道顯微鏡測(cè)量中能實(shí)現(xiàn)自旋分辨，所制備超導(dǎo)針尖可以在低溫條件下從事超導(dǎo)相關(guān)的掃描隧道顯微鏡測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明制備金屬針尖的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為采用本發(fā)明裝置和方法制備的鎳針尖的光學(xué)顯微鏡。
[0021]圖3為采用本發(fā)明裝置和方法制備的鎳針尖的掃描電子顯微鏡圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的制備金屬針尖的裝置及方法的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]附圖1所示為本發(fā)明實(shí)施方式式制備金屬針尖的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。參見(jiàn)附圖1，在本實(shí)施方式中，制備金屬針尖的裝置包括電路及電化學(xué)池。
[0024]電路中包括交流電源1，交流電流表2，電路開(kāi)關(guān)3。交流電源1為可變壓交流電源，變壓范圍1-220V，制備工序中使用交流電