一種掃描探針顯微鏡中的探針、其制備方法及探測方法
【技術領域】
[0001]本發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、其制備方法及探測方法。
【背景技術】
[0002]隨著納米科學技術的飛速發展，針對納米材料的測量技術應運而生，其中最引人注目的是掃描探針顯微鏡(STM)技術。
[0003]掃描探針顯微鏡(STM)技術是基于掃描隧道顯微鏡(SPM)基礎發展而來的，具有空間分辨率高，可在真空、大氣、甚至溶液等多種環境中變溫工作等諸多優點，被廣泛應用于物理學、化學、生物學、電子學等研究領域。掃描探針顯微鏡是通過檢測探針與樣品之間的相互作用力或者物理量來研究相應的樣品性質，目前包括原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、壓電力顯微鏡、導電力顯微鏡等，用以探測樣品的表面形貌、疇結構(包括磁疇結構、鐵電/壓電疇結構、導電疇結構等)、微區電導等物理參量。
[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到微/納尺度，其發熱與散熱問題成為制約進一步高度集成的瓶頸。在微/納尺度下表征與熱相關的物性，理解發熱和散熱的物理過程已經成為現代熱科學中的一個嶄新的分支一微/納尺度熱科學。在微/納尺度下，材料的微觀結構和疇結構對熱學性質的影響尤為重要，一個微裂紋、空穴、晶界、乃至一個疇壁都可能影響到材料的熱學性質。以多鐵材料為例，在外場驅動下的磁/電疇翻轉(或疇壁移動)和漏電流都會引起微區發熱。
[0005]截止目前，盡管人們已經發展了基于掃描探針顯微鏡的微區熱成像技術，但是利用該技術只能夠獲得單一的熱學信息，尚不能原位、同步、實時地獲得其他物性信息，例如磁疇結構、鐵電/壓電疇結構、導電疇結構等，無法進行磁-熱、電-熱，或者磁-電-熱耦合成像，因此限制了對材料中發熱與散熱的物理機制的深入理解研究。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種掃描探針顯微鏡中的探針，其具有新型結構，可原位、同步實時地表征微/納米磁-熱、電-熱，或者磁-電-熱性能，實現多參量掃描探測功能。
[0007]本發明提供的掃描探針顯微鏡中一種探針結構如圖1、2所示(稱為具有熱電偶結構的探針)，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具有導電性；薄膜二 5具有電絕緣性；薄膜三6具有磁性與導電性，或者薄膜三6具有導電性；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構成熱電偶結構，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，包括具有良好導電性能的金屬和半導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體、無機材料或者有機材料等，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]當所述的薄膜三6具有導電性時，其材料不限，包括具有良好導電性能的金屬和半導體中的一種材料或者兩種以上的組合材料。所述的具有良好導電性能的金屬和半導體包括但不限于鉍、鎳、鈷、鉀等金屬以及其合金，石墨、石墨烯等半導體中的一種材料或兩種以上的組合材料。
[0011]當所述的薄膜三6具有磁性與導電性時，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構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，形成熱電偶結構。
[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、電子束蒸發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、反應離子刻蝕、化學刻蝕等。
[0018]如圖3所示，所述的具有熱電偶結構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，通過調節薄膜三6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，形成熱電偶結構。
[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、熱蒸發或者電子束蒸發等方法中的一種或者兩種以上的組合。
[0024]本發明所述的掃描探針顯微鏡包括掃描探針顯微鏡平臺、探針、用于驅動或者控制探針進行位移和/或振動的探針控制單元，以及信號(包括位移和/或振動、熱、磁、電信號)采集分析單元。
[0025]當采用本發明具有熱電偶結構的探針時，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電性
[0027]所述的掃描探針顯微鏡還包括電信號施加單元、位移或振動信號采集單元、熱學信號采集單元、探針驅動單元，以及中心控制單元，
[0028]所述的探針控制單元用于驅動或者控制探針進行位移和/或振動；
[0029]所述的中心控制單元用于初始化系統各單元，控制系統各單元，接收樣品的形貌、熱、電信號，分析后得到樣品的形貌、熱、電信號圖像；
[0030]所述的掃描探針顯微鏡的工作模式包括如下兩種，分別用于探測樣品的形貌、電信號以及熱信號:
[0031](I)模式一:用于探測樣品的表面形貌與電信號
[0032]探針驅動單元驅動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對樣品表面進行定向掃描，掃描過程中控制探針針尖與樣品表面點接觸或振動點接觸，同時電信號施加單元、薄膜一、薄膜三以及樣品形成閉合的電學回路；位移或振動信號采集單元接收探針針尖的縱向位移信號或振動信號，經中心控制單元分析得到樣品的形貌信號；同時，電信號施加單元對針尖施加電信號，該電信號流入薄膜一、薄膜三以及樣品，形成電壓信號，經電信號采集單元得到樣品的電信號，經中心控制單元分析得到樣品的電信號圖像。
[0033](2)模式二:用于探測樣品的熱信號
[0034]電信號施加單元、薄膜一、薄膜三形成閉合的熱電回路；探針驅動單元驅動探針位移至樣品表面某位置，使針尖與樣品表面相接觸，電信號施加單元對針尖施加電信號，電流流入針尖并對其進行加熱，針尖與樣品進行熱交換，使熱學回路中產生電壓信號，經熱學信號采集單元得到樣品的熱信號，經中心控制單元分析得到樣品的熱信號圖像。
[0035]當利用上述掃描探針顯微鏡能夠對樣品對樣品進行熱-電原位探測時，探測方法如下:
[0036]步驟1:樣品固定于掃描探針顯微鏡平臺，采用上述探測模式一，將探針位移至初始位置，沿橫向對樣品表面進行定向掃描，得到樣品的形貌圖像與電信號圖像；
[0037]步驟2:探針位移至步驟I中的初始位置，采用上述探測模式二，對樣品表面進行步驟I中所述的橫向定向掃描，得到樣品的熱信號圖像。
[0038]( 二)所述的薄膜三具有磁性與導電性
[0039]所述的掃描探針顯微鏡還包括電信號施加單元、位移或振動信號采集單元、熱學信號采集單元、電學信號采集單元、探針驅動單元，以及中心控制單元，
[0040]所述的探針控制單元用于驅動或者控制探針進行位移和/或振動；
[0041]所述的中心控制單元用于初始化系統各單元，控制系統各單元，接收樣品的形貌、熱、電信號，分析后得到樣品的形貌、磁、熱、電信號圖像；
[0042]所述的掃描探針顯微鏡的工作模式包括如下三種，分別用于探測樣品的形貌、磁性號、電信號以及熱信號:
[0043](I)模式一:用于探測樣品的表面形貌與磁信號
[0044]探針驅動單元驅動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對樣品表面進行定向掃描，掃描過程中控制探針針尖與樣品表面點接觸或振動點接觸，位移或振動信號采集單元接收探針針尖的縱向位移信號或振動信號，經中心控制單元分析得到樣品的形貌信號；
[0045]探針返回至所述的初始位置并且向上抬高一定距離，然后按照所述的橫向定向對樣品表面進行掃描，掃描過程中控制探針針尖沿所述的形貌圖像進行縱向位移或者振動，位移或振動信號采集單元接收探針針尖的縱向位移信號或振動信號，經中心控制單元分析得到樣品的磁信號圖像；
[0046](2)模式二:用于探測樣品的熱信號
[0047]電信號施加單元、薄膜一、薄膜三形成閉合的熱電回路；探針驅動單元驅動探針位移至樣品表面某位置，使針尖與樣品表面相接觸，電信號施加單元對針尖施加電信號，電流流入針尖并對其進行加熱，針尖與樣品進行熱交換，使熱學回路中產生電壓信號，經熱學信號采集單元得到樣品的熱信號，經中心控制單元分析得到樣品的熱信號圖像；
[0048](3)模式三:用于探測樣品的電信號
[0049]電信號施加單元、薄膜一、薄膜三以及樣品形成閉合的電學回路；探針驅動單元驅動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，電信號施加單元對針尖施加電信號，該電信號流入薄膜一、薄膜三以及樣品，形成電壓信號，經電信號采集單元得到樣品的電信號，經中心控制單元分析得到樣品的電信號圖像。
[0050]當利用上述掃描探針顯微鏡能夠對樣品對樣品進行磁-熱-電原位探測時，探測方法如下:
[0051]步驟1:樣品固定于掃描探針顯微鏡平臺，采用上述探測模式一，將探針位移至初始位置，沿橫向對樣品表面進行定向掃描，得到樣品的形貌圖像與磁信號圖像；
[0052]步驟2:探針位移至步驟I中的初始位置，采用上述探測模式二，對樣品表面進行步驟I中所述的橫向定向掃描，得到樣品的熱信號圖像；
[0053]步驟3:探針位移至步驟I中的初始位置，采用上述探測模式三，對樣品表面進行步驟I中所述的橫向定向掃描，得到樣品的電信號圖像。
[0054]本發明還提出了另一種優選的探針結構(稱為具有熱電阻結構的探針)。該結構中，如圖1所示，探針