一種掃描探針顯微鏡中的探針、其制備方法及探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種掃描探針顯微鏡的探針，尤其涉及一種多參量耦合顯微鏡探針、其制備方法及探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，針對(duì)納米材料的測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中最引人注目的是掃描探針顯微鏡(STM)技術(shù)。
[0003]掃描探針顯微鏡(STM)技術(shù)是基于掃描隧道顯微鏡(SPM)基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的，具有空間分辨率高，可在真空、大氣、甚至溶液等多種環(huán)境中變溫工作等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)等研究領(lǐng)域。掃描探針顯微鏡是通過(guò)檢測(cè)探針與樣品之間的相互作用力或者物理量來(lái)研究相應(yīng)的樣品性質(zhì)，目前包括原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、壓電力顯微鏡、導(dǎo)電力顯微鏡等，用以探測(cè)樣品的表面形貌、疇結(jié)構(gòu)(包括磁疇結(jié)構(gòu)、鐵電/壓電疇結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)等)、微區(qū)電導(dǎo)等物理參量。
[0004]隨著電子器件的小型化和集成化，器件尺寸以及器件間距已達(dá)到微/納尺度，其發(fā)熱與散熱問(wèn)題成為制約進(jìn)一步高度集成的瓶頸。在微/納尺度下表征與熱相關(guān)的物性，理解發(fā)熱和散熱的物理過(guò)程已經(jīng)成為現(xiàn)代熱科學(xué)中的一個(gè)嶄新的分支一微/納尺度熱科學(xué)。在微/納尺度下，材料的微觀結(jié)構(gòu)和疇結(jié)構(gòu)對(duì)熱學(xué)性質(zhì)的影響尤為重要，一個(gè)微裂紋、空穴、晶界、乃至一個(gè)疇壁都可能影響到材料的熱學(xué)性質(zhì)。以多鐵材料為例，在外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的磁/電疇翻轉(zhuǎn)(或疇壁移動(dòng))和漏電流都會(huì)引起微區(qū)發(fā)熱。
[0005]截止目前，盡管人們已經(jīng)發(fā)展了基于掃描探針顯微鏡的微區(qū)熱成像技術(shù)，但是利用該技術(shù)只能夠獲得單一的熱學(xué)信息，尚不能原位、同步、實(shí)時(shí)地獲得其他物性信息，例如磁疇結(jié)構(gòu)、鐵電/壓電疇結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電疇結(jié)構(gòu)等，無(wú)法進(jìn)行磁-熱、電-熱，或者磁-電-熱耦合成像，因此限制了對(duì)材料中發(fā)熱與散熱的物理機(jī)制的深入理解研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種掃描探針顯微鏡中的探針，其具有新型結(jié)構(gòu)，可原位、同步實(shí)時(shí)地表征微/納米磁-熱、電-熱，或者磁-電-熱性能，實(shí)現(xiàn)多參量掃描探測(cè)功能。
[0007]本發(fā)明提供的掃描探針顯微鏡中一種探針結(jié)構(gòu)如圖1、2所示(稱(chēng)為具有熱電偶結(jié)構(gòu)的探針)，包括探針臂I與針尖2，針尖2由針尖本體3與覆蓋層組成，覆蓋層由位于針尖本體3表面的薄膜一 4、薄膜一表面的薄膜二 5、薄膜二表面的薄膜三6組成；薄膜一 4具有導(dǎo)電性；薄膜二 5具有電絕緣性；薄膜三6具有磁性與導(dǎo)電性，或者薄膜三6具有導(dǎo)電性；薄膜一 4與薄膜三6的材料不同；并且，薄膜一 4、薄膜二 5和薄膜三6構(gòu)成熱電偶結(jié)構(gòu)，即:在針尖本體的尖端部位，薄膜一 4表面為薄膜三6，除本體尖端之外的其余部位，薄膜二 5位于薄膜一 4與薄膜三6之間。
[0008]所述的薄膜一 4材料不限，包括具有良好導(dǎo)電性能的金屬和半導(dǎo)體中的一種材料或者兩種以上的組合材料，例如鉍(Bi)、鎳(Ni)、鈷(Co)、鉀(K)等金屬以及其合金，石墨、石墨烯等半導(dǎo)體中的一種材料或兩種以上的組合材料。
[0009]所述的薄膜二 5材料不限,包括具有絕緣性能的半導(dǎo)體、無(wú)機(jī)材料或者有機(jī)材料等，例如氧化鋅(ZnO)、鐵酸鉍(BiFeO3)、鈷酸鋰(LiCoO2)、氧化鎳(N1)、氧化鈷(Co2O3)、氧化銅(CuxO)、二氧化硅(S12)、氮化硅(SiNx)、二氧化鈦(T12)、五氧化二鉭(Ta2O5)、五氧化二鈮(Nb2O5)、氧化鎢(WOx)、二氧化鉿(HfO2)、氧化鋁(Al2O3)、碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、非晶碳、硫化銅(CuxS)、硫化銀(Ag2S)、非晶硅、氮化鈦(TiN)、聚酰亞胺(PI)、聚酰胺(PAI)、聚西弗堿(PA)、聚砜(PS)等中的一種材料或兩種以上的組合材料。
[0010]當(dāng)所述的薄膜三6具有導(dǎo)電性時(shí)，其材料不限，包括具有良好導(dǎo)電性能的金屬和半導(dǎo)體中的一種材料或者兩種以上的組合材料。所述的具有良好導(dǎo)電性能的金屬和半導(dǎo)體包括但不限于鉍、鎳、鈷、鉀等金屬以及其合金，石墨、石墨烯等半導(dǎo)體中的一種材料或兩種以上的組合材料。
[0011]當(dāng)所述的薄膜三6具有磁性與導(dǎo)電性時(shí)，其材料不限，包括具有鐵磁性的金屬及合金材料等，例如金屬鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)及磁性合金等材料中的一種材料或兩種以上的組合材料。
[0012]所述的具有熱電偶結(jié)構(gòu)的探針可以采用如下制備方法得到:
[0013]步驟1、采用鍍膜的方法在針尖本體表面制備薄膜一 4 ；
[0014]步驟2、采用鍍膜的方法在薄膜一 4的表面制備薄膜二 5 ；
[0015]步驟3、采用刻蝕的方法除去針尖本體尖端處的薄膜二 5，露出薄膜一 4 ；
[0016]步驟4、采用鍍膜的方法在步驟3所述露出的薄膜一表面制備薄膜三6，使薄膜一4與薄膜三6在針尖尖端部位連接，形成熱電偶結(jié)構(gòu)。
[0017]上述制備方法中，所述的步驟1、2、4中的鍍膜的方法包括但不限于各種溶液旋涂方法、噴墨打印、固體濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)等方法中的一種或者兩種以上的組合；所述的步驟3中的除針尖尖端薄膜二的方法包括但不限于干刻、濕刻等方法，例如離子刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、化學(xué)刻蝕等。
[0018]如圖3所示，所述的具有熱電偶結(jié)構(gòu)的探針還可以采用如下另一種制備方法得到:
[0019]步驟1、采用鍍膜的方法，依次在針尖本體3表面制備薄膜一 4、薄膜二 5與薄膜三6 ；
[0020]步驟2、在薄膜三6與電極層7之間施加電壓，利用尖端放電原理，通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜三6與電極層7之間距離，使針尖尖端部的薄膜三6熔融，露出薄膜二 5，而其他部位薄膜三6沒(méi)有熔融；
[0021]步驟3:去除步驟2所述露出的薄膜二 5，露出薄膜一 4 ；
[0022]步驟4:采用鍍膜的方法，在所述露出部位鍍與薄膜三6相同的材料，使薄膜一 4與薄膜三6在針尖尖端部位連接，形成熱電偶結(jié)構(gòu)。
[0023]上述制備方法中，所述的步驟1、4中的鍍膜的方法包括但不限于各種溶液旋涂方法、噴墨打印、固體濺射、熱蒸發(fā)或者電子束蒸發(fā)等方法中的一種或者兩種以上的組合。
[0024]本發(fā)明所述的掃描探針顯微鏡包括掃描探針顯微鏡平臺(tái)、探針、用于驅(qū)動(dòng)或者控制探針進(jìn)行位移和/或振動(dòng)的探針控制單元，以及信號(hào)(包括位移和/或振動(dòng)、熱、磁、電信號(hào))采集分析單元。
[0025]當(dāng)采用本發(fā)明具有熱電偶結(jié)構(gòu)的探針時(shí)，掃描探針顯微鏡的工作模式如下:
[0026](一 )所述的薄膜三具有導(dǎo)電性
[0027]所述的掃描探針顯微鏡還包括電信號(hào)施加單元、位移或振動(dòng)信號(hào)采集單元、熱學(xué)信號(hào)采集單元、探針驅(qū)動(dòng)單元，以及中心控制單元，
[0028]所述的探針控制單元用于驅(qū)動(dòng)或者控制探針進(jìn)行位移和/或振動(dòng)；
[0029]所述的中心控制單元用于初始化系統(tǒng)各單元，控制系統(tǒng)各單元，接收樣品的形貌、熱、電信號(hào)，分析后得到樣品的形貌、熱、電信號(hào)圖像；
[0030]所述的掃描探針顯微鏡的工作模式包括如下兩種，分別用于探測(cè)樣品的形貌、電信號(hào)以及熱信號(hào):
[0031](I)模式一:用于探測(cè)樣品的表面形貌與電信號(hào)
[0032]探針驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)探針位移至樣品表面某初始位置，探針自該初始位置沿橫向?qū)悠繁砻孢M(jìn)行定向掃描，掃描過(guò)程中控制探針針尖與樣品表面點(diǎn)接觸或振動(dòng)點(diǎn)接觸，同時(shí)電信號(hào)施加單元、薄膜一、薄膜三以及樣品形成閉合的電學(xué)回路；位移或振動(dòng)信號(hào)采集單元接收探針針尖的縱向位移信號(hào)或振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)中心控制單元分析得到樣品的形貌信號(hào)；同時(shí)，電信號(hào)施加單元對(duì)針尖施加電信號(hào)，該電信號(hào)流入薄膜一、薄膜三以及樣品，形成電壓信號(hào)，經(jīng)電信號(hào)采集單元得到樣品的電信號(hào)，經(jīng)中心控制單元分析得到樣品的電信號(hào)圖像。
[0033](2)模式二:用于探測(cè)樣品的熱信號(hào)
[0034]電信號(hào)施加單元、薄膜一、薄膜三形成閉合的熱電回路；探針驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)探針位移至樣品表面某位置，使針尖與樣品表面相接觸，電信號(hào)施加單元對(duì)針尖施加電信號(hào)，電流流入針尖并對(duì)其進(jìn)行加熱，針尖與樣品進(jìn)行熱交換，使熱學(xué)回路中產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)熱學(xué)信號(hào)采集單元得到樣品的熱信號(hào)，經(jīng)中心控制單元分析得到樣品的熱信號(hào)圖像。
[0035]當(dāng)利用上述掃描探針顯微鏡能夠?qū)悠穼?duì)樣品進(jìn)行熱-電原位探測(cè)時(shí)，探測(cè)方法如下:
[0036]步驟1:樣品固定于掃描探針顯微鏡平臺(tái)，采用上述探測(cè)模式一，將探針位移至初始位置，沿橫向?qū)悠繁砻孢M(jìn)行定向掃描，得到樣品的形貌圖像與電信號(hào)圖像；
[0037]步驟2:探針位移至步驟I中的初始位置，采用上述探測(cè)模式二，對(duì)樣品表面進(jìn)行步驟I中所述的橫向定向掃描，得到樣品的熱信號(hào)圖像。
[0038]( 二)所述的薄膜三具有磁性與導(dǎo)電性
[0039]所述的掃描探針顯微鏡還包括電信號(hào)施加單元、位移或振動(dòng)信號(hào)采集單元、熱學(xué)信號(hào)采集單元、電學(xué)信號(hào)采集單元、探針驅(qū)動(dòng)單元，以及中心控制單元，
[0040]所述的探針控制單元用于驅(qū)動(dòng)或者控制探針進(jìn)行位移和/或振動(dòng)；
[0041]所述的中心控制單元用于初始化系統(tǒng)各單元，控制系統(tǒng)各單元，接收樣品的形貌、熱、電信號(hào)，分析后得到樣品的形貌、磁、熱、電信號(hào)圖像；
[0042]所述的掃描探針顯微鏡的工作模式包括如下三種，分別用于探測(cè)樣品的形貌、磁性號(hào)、電信號(hào)以及熱信號(hào):
[0043](I)模式一:用于探測(cè)樣品的表面形貌與磁信號(hào)
[0044]探針驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)探針位移至樣品表面某初始位置，探針自該初始位置沿橫向?qū)悠繁砻孢M(jìn)行定向掃描，掃描過(guò)程中控制探針針尖與樣品表面點(diǎn)接觸或振動(dòng)點(diǎn)接觸，位移或振動(dòng)信號(hào)采集單元接收探針針尖的縱向位移信號(hào)或振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)中心控制單元分析得到樣品的形貌信號(hào)；
[0045]探針?lè)祷刂了龅某跏嘉恢貌⑶蚁蛏咸Ц咭欢ň嚯x，然后按照所述的橫向定向?qū)悠繁砻孢M(jìn)行掃描，掃描過(guò)程中控制探針針尖沿所述的形貌圖像進(jìn)行縱向位移或者振動(dòng)，位移或振動(dòng)信號(hào)采集單元接收探針針尖的縱向位移信號(hào)或振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)中心控制單元分析得到樣品的磁信號(hào)圖像；
[0046](2)模式二:用于探測(cè)樣品的熱信號(hào)
[0047]電信號(hào)施加單元、薄膜一、薄膜三形成閉合的熱電回路；探針驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)探針位移至樣品表面某位置，使針尖與樣品表面相接觸，電信號(hào)施加單元對(duì)針尖施加電信號(hào)，電流流入針尖并對(duì)其進(jìn)行加熱，針尖與樣品進(jìn)行熱交換，使熱學(xué)回路中產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)熱學(xué)信號(hào)采集單元得到樣品的熱信號(hào)，經(jīng)中心控制單元分析得到樣品的熱信號(hào)圖像；
[0048](3)模式三:用于探測(cè)樣品的電信號(hào)
[0049]電信號(hào)施加單元、薄膜一、薄膜三以及樣品形成閉合的電學(xué)回路；探針驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)探針位移至樣品表面某位置，使針尖表面與樣品表面相接觸，電信號(hào)施加單元對(duì)針尖施加電信號(hào)，該電信號(hào)流入薄膜一、薄膜三以及樣品，形成電壓信號(hào)，經(jīng)電信號(hào)采集單元得到樣品的電信號(hào)，經(jīng)中心控制單元分析得到樣品的電信號(hào)圖像。
[0050]當(dāng)利用上述掃描探針顯微鏡能夠?qū)悠穼?duì)樣品進(jìn)行磁-熱-電原位探測(cè)時(shí)，探測(cè)方法如下:
[0051]步驟1:樣品固定于掃描探針顯微鏡平臺(tái)，采用上述探測(cè)模式一，將探針位移至初始位置，沿橫向?qū)悠繁砻孢M(jìn)行定向掃描，得到樣品的形貌圖像與磁信號(hào)圖像；
[0052]步驟2:探針位移至步驟I中的初始位置，采用上述探測(cè)模式二，對(duì)樣品表面進(jìn)行步驟I中所述的橫向定向掃描，得到樣品的熱信號(hào)圖像；
[0053]步驟3:探針位移至步驟I中的初始位置，采用上述探測(cè)模式三，對(duì)樣品表面進(jìn)行步驟I中所述的橫向定向掃描，得到樣品的電信號(hào)圖像。
[0054]本發(fā)明還提出了另一種優(yōu)選的探針結(jié)構(gòu)(稱(chēng)為具有熱電阻結(jié)構(gòu)的探針)。該結(jié)構(gòu)中，如圖1所示，探針