专利名称：一种扫描电化学和光学显微镜探针及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种显微探测工具，特别涉及一种扫描电化学和光学显微镜探针及其制备方法。
背景技术：
随着物理、化学、生物、材料、微电子、微型机械和光电子等各个领域的不断发展，能使两种或多种扫描探针显微技术相结合的多功能探针逐渐受到人们的关注，成为人们研究的热点，扫描电化学和光学显微镜探针就是其中的一种。该探针的工作原理是探针尖端表面的金属薄膜和绝缘层构成了超微环电极，可作为扫描电化学显微镜的探针进行电化学特性的研究；探针内部的光纤的尾纤连接光学系统，可进行光学成像；测量中可同时得到电化学和光学的信息，从而得到很高的空间分辨率。目前，国内尚未有相关报道，国外学者Y.Lee等[Anal.Chem.2002，74，3626-3633]提出了一种扫描电化学/光学显微镜探针及其制备方法，他们采用热拉制工艺将光纤的一端拉制成圆锥形尖端，在光纤上采用蒸发工艺沉积金薄膜，在金薄膜的沉积过程中利用蒸发工艺的方向性使得圆锥形光纤基底的尖端表面不沉积上金薄膜，然后在金薄膜上电沉积电泳漆作为绝缘材料，最后加热探针尖端电泳漆使其收缩形成金电极表面。上述制备方法由于是采用电沉积电泳漆作为单一绝缘材料，因而不能精确控制绝缘层厚度，而探针的绝缘层厚度直接影响扫描电化学显微镜的使用性能；此外，电泳漆也不适于较正或较负的电位下使用。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种不同于背景技术的扫描电化学和光学显微镜探针及其制备方法，其特点是，该方法包括一种探针尖端的研磨工艺，而且探针的绝缘膜层可根据使用需要选择不同的材料，并可精确控制膜层厚度。
为了达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种扫描电化学和光学显微镜探针，包括绝缘档块、与绝缘挡块连为一体的套筒、设置在套筒内的铜管；该铜管内设有光纤，该光纤的一段为穿于绝缘挡块中心的裸光纤；所述的裸光纤的圆周设有电极膜，裸光纤后端电极膜与铜管内壁径向之间设有导电胶和环氧树脂；裸光纤前端的电极膜外设有绝缘膜并延伸至前端的尖端，尖端露出电极膜和光纤本体；所述的光纤与铜管内壁径向之间也设有环氧树脂。
上述技术方案中的裸光纤前端的尖端的形状为圆锥形；所述的电极膜为金薄膜，所述的绝缘膜为氮化硅薄膜，所述的导电胶为银导电胶。
一种扫描电化学和光学显微镜探针的制备方法，包括下述步骤a)将光纤的一段剥去护套，用无水乙醇进行超声波清洗，清洗时间为2-3分钟，超声波频率为25～28KHz。
b)用熔融拉锥工艺将裸光纤的尖端拉制成直径为100nm到200nm的圆锥形。
c)以裸光纤为绝缘基底，采用真空蒸发镀膜工艺沉积上一层电极膜。
d)然后将光纤穿过铜管，分别用导电胶、环氧树脂将被覆电极膜的裸光纤的后端与铜管的内壁径向粘接，光纤与铜管内壁也用环氧树脂径向粘接。
e)采用等离子体增强化学气相沉积工艺在伸出铜管的裸光纤的金属膜上沉积绝缘膜。
f)研磨被覆金属膜和绝缘膜的裸光纤前端的尖端，使金属膜和光纤本体露出。
g)最后将研磨好尖端的光纤前端穿过档块的中心，用套筒套入铜管并与挡块封装，用环氧树脂密封塑料挡块的中心。
上述制备方法中，步骤a)中所沉积的电极膜用金作为材料，导电胶采用银导电胶；步骤b)所沉积的绝缘膜用氮化硅作为材料；步骤f)中的研磨方法包括下述步骤①在体视显微镜的帮助下，用上夹板和下夹板夹住被覆金属膜和绝缘膜的裸光纤的前端，使其尖端伸出上、下夹板形成的夹具圆孔外1～2μm，并用螺钉锁定。
②用医用注射器向夹具圆孔内注入熔融的石蜡，并使其鼓出夹具圆孔，将伸出的光纤尖端掩埋其中。
③在粒度为5～10μm的刚玉砂纸上，研磨光纤尖端，同时在另一端光纤连接一低功率红光激光器，当在刚玉砂纸上观察到红光时，改用粒度为0.3～0.5μm的刚玉砂纸进行研磨至截面直径小于1μm。
④拧下螺钉，打开上、下夹板，将被覆金属膜和绝缘膜的光纤前端连同铜管取下，并竖直固定，尖端朝上，加热烘烤石蜡熔化至挥发。
与现有技术相比，本发明的优点是，通过使用等离子体增强化学气相沉积工艺制备扫描电化学和光学显微镜探针绝缘膜，可根据需要选择性地沉积各种绝缘材料，如氮化硅、二氧化硅、碳化硅、氧化铝等，并能够得到精确的绝缘层厚度，从而提高扫描电化学和光学显微镜探针的性能；由于微电子工业中的薄膜制备技术具有可控性，因此可以实现扫描电化学和光学显微镜探针的电极尺寸和光阑直径的可控性制备，从而有利于提高探针的测量结果的一致性，有利于实验结果和理论计算结果进行比较。
图1是本发明扫描电化学和光学显微镜探针的结构图。
图2是图1中A-A的剖视图。
图3是图1中尖端B的局部放大图。
图4是本发明研磨尖端B表面时的夹具装配图。
图5是图4的右视图。
具体实施例方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明如图1、与图2所示，一种扫描电化学和光学显微镜探针，包括塑料材质的档块8、与挡块8连为一体的塑料材质的套筒7、设置在套筒7内的铜管6，该铜管6内设有单模石英光纤11，光纤11的一段为穿于挡块8中心15的裸光纤1，所述的裸光纤1的圆周设有金薄膜2，裸光纤1后端10的金薄膜2与铜管6内壁13、14径向之间分别设有银导电胶4和环氧树脂5，裸光纤1前端9的金薄膜2外设有氮化硅薄膜3并延伸至前端9的圆锥形尖端B，尖端B露出金薄膜2和光纤本体17，所述的光纤11与铜管6内壁12径向之间也设有环氧树脂16。
上述扫描电化学和光学显微镜探针的制备方法，包括下述步骤a)用光纤剥线钳将单模石英光纤11的一段剥去护套，用无水乙醇进行超声波清洗，清洗时间为3分钟，超声波频率为28KHz。
b)用熔融拉锥工艺将裸光纤1的尖端B拉制成直径为100～200nm的圆锥形；拉制过程采用OC-2010光纤熔融拉锥设备。
c)以裸光纤1为绝缘基底，采用真空蒸发镀膜工艺沉积上一层厚度为150nm到200nm的金薄膜2；沉积过程在ZD450型真空镀膜机上进行，主要工艺参数为极限压力为6.6×10-4帕，抽气速率为500升/秒，扩散泵加热功率为1.5千瓦，机组总功率为3.5千瓦。
d)然后将光纤11穿过铜管6，分别用银导电胶4、环氧树脂5将被覆金薄膜2的裸光纤1的后端10与铜管6的内壁13、14径向粘接，光纤11与铜管6内壁12也用环氧树脂16径向粘接。
e)采用等离子体增强化学气相沉积工艺在伸出铜管6的裸光纤1的金薄膜2上沉积一层厚度为0.5μm到1.0μm的绝缘膜3；绝缘膜3的材料可以根据使用环境和使用要求进行选择，如二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化铝等，本实施例采用氮化硅材料；根据对探针性能的要求，绝缘膜的厚度可由沉积设备进行精确控制；沉积过程在PECVD-2B型等离子体化学气相喷射机台上进行，反应气体为硅烷和氧气，其体积比为1∶2；主要工艺参数为衬底温度为300℃±10C，标准射频频率为13.56MHz，射频功率60±20W。
f)研磨被覆金薄膜2和氮化硅薄膜3的裸光纤1前端9的尖端B，使金薄膜2和光纤本体1露出，如图3所示；具体方法如图4、图5所示①在体视显微镜的帮助下，用上夹板21和下夹板20夹住被覆金薄膜2和氮化硅薄膜3的裸光纤1的前端9，使其尖端B伸出上、下夹板21、20形成的夹具圆孔24外1～2μm，并用螺钉22锁定，螺钉22共有4个；夹具材料为硬质塑料，体视显微镜采用zoom 645双目连续变倍体视显微镜，最大放大倍数为300倍。
②用医用注射器向夹具圆孔24内注入熔融的石蜡23，并使其鼓出夹具圆孔24，将伸出的光纤尖端B掩埋其中。
③在粒度为10μm的刚玉砂纸上，手工研磨光纤尖端B，同时在光纤11另一端连接一低功率红光激光器，当在刚玉砂纸上观察到红光时，改用粒度为0.3μm的刚玉砂纸进行研磨，并在BAS 100电化学工作站上通过测量稳态极限扩散电流获得光纤尖端B的尺寸，在满足截面直径为800～900nm后停止研磨。
④拧下螺钉22，打开上、下夹板21、20，将被覆金属膜2和绝缘膜3的光纤1前端9连同铜管6取下，并竖直固定，尖端B朝上，加热烘烤石蜡23，石蜡23熔化向下流下并至挥发。
g)最后将研磨好尖端B的光纤前端9穿过档块8的中心15，用套筒7套入铜管6并与挡块8用硅树脂粘接，并用环氧树脂5密封塑料挡块8中心15的空隙。
权利要求
1.一种扫描电化学和光学显微镜探针，包括绝缘档块(8)、与绝缘挡块(8)连为一体的套筒(7)、设置在套筒(7)内的铜管(6)，其特征是，该铜管(6)内设有光纤(11)，该光纤(11)的一段为穿于绝缘挡块(8)中心(15)的裸光纤(1)，所述的裸光纤(1)的圆周设有电极膜(2)，裸光纤(1)后端(10)的电极膜(2)与铜管(6)内壁(13)、(14)径向之间分别设有导电胶(4)和环氧树脂(5)，裸光纤(1)前端(9)的电极膜(2)外设有绝缘膜(3)并延伸至前端(9)的尖端(B)，尖端(B)露出电极膜(2)和光纤本体(17)，所述的光纤(11)与铜管(6)内壁(12)径向之间设有环氧树脂(16)。
2.根据权利要求1所述的扫描电化学和光学显微镜探针，其特征是，所述的裸光纤(1)前端(9)的尖端(B)的形状为圆锥形。
3.根据权利要求1所述的扫描电化学和光学显微镜探针，其特征是，所述的电极膜(2)为金薄膜。
4.根据权利要求1所述的扫描电化学和光学显微镜探针，其特征是，所述的绝缘膜(3)为氮化硅薄膜。
5.根据权利要求1所述的扫描电化学和光学显微镜探针，其特征是，所述的导电胶(4)为银导电胶。
6.根据权利要求1所述的扫描电化学和光学显微镜探针的制备方法，其特征是，包括下述步骤a)将光纤(11)的一段剥去护套，用无水乙醇进行超声波清洗，清洗时间为2-3分钟，超声波频率为25～28KHz；b)用熔融拉锥工艺将裸光纤(1)的尖端(B)拉制成直径为100nm到200nm的圆锥形；c)以裸光纤(1)为绝缘基底，采用真空蒸发镀膜工艺沉积上一层电极膜(2)；d)然后将光纤(11)穿过铜管(6)，分别用导电胶(4)、环氧树脂(5)将被覆电极膜(2)的裸光纤(1)的后端(10)与铜管(6)的内壁(13)、(14)径向粘接，光纤(11)与铜管(6)内壁(12)也用环氧树脂(5)径向粘接；e)采用等离子体增强化学气相沉积工艺在伸出铜管(6)的裸光纤(1)的金属膜(2)上沉积绝缘膜(3)；f)研磨被覆金属膜(2)和绝缘膜(3)的裸光纤(1)前端(9)的尖端(B)，使金属膜(2)和光纤本体(17)露出；g)最后将研磨好尖端(B)的光纤前端(9)穿过档块(8)的中心(15)，用套筒(7)套入铜管(6)并与挡块(8)封装，用环氧树脂(5)密封塑料挡块(8)的中心(15)。
7.根据权利要求6所述的扫描电化学和光学显微镜探针的制备方法，其特征是，步骤a)中所沉积的电极膜(2)用金作为材料。
8.根据权利要求6所述的扫描电化学和光学显微镜探针的制备方法，其特征是，步骤a)中的导电胶(4)采用银导电胶。
9.根据权利要求6所述的扫描电化学和光学显微镜探针的制备方法，其特征是，步骤b)所沉积的绝缘膜(3)用氮化硅作为材料。
10.根据权利要求6所述的扫描电化学和光学显微镜探针的制备方法，其特征是，步骤f)中的研磨方法包括下述步骤①在体视显微镜的帮助下，用上夹板(21)和下夹板(20)夹住被覆金属膜(2)和绝缘膜(3)的裸光纤(1)的前端(9)，使其尖端(B)伸出上、下夹板(21)、(20)形成的夹具圆孔(24)外1～2μm，并用螺钉(22)锁定；②用医用注射器向夹具圆孔(24)内注入熔融的石蜡(23)，并使其鼓出夹具圆孔(24)，将伸出的光纤尖端(B)掩埋其中；③在粒度为5～10μm的刚玉砂纸上，研磨光纤尖端(B)，同时在光纤(11)另一端连接一低功率红光激光器，当在刚玉砂纸上观察到红光时，改用粒度为0.3～0.5μm的刚玉砂纸进行研磨至截面直径小于1μm；④拧下螺钉(22)，打开上、下夹板(21)、(20)，将被覆金属膜(2)和绝缘膜(3)的光纤(1)前端(9)连同铜管(6)取下，并竖直固定，尖端(B)朝上，加热烘烤石蜡(23)熔化至挥发。
全文摘要
本发明公开了一种扫描电化学和光学显微镜探针及其制备方法，包括绝缘挡块、与绝缘挡块连为一体的套筒、设置在套筒内的铜管；该铜管内设有光纤，该光纤的一段为穿于绝缘挡块中心的裸光纤；裸光纤的圆周设有电极膜，裸光纤后端电极膜与铜管内壁径向之间设有导电胶和环氧树脂；裸光纤前端的电极膜外设有绝缘膜并延伸至前端的尖端，尖端露出电极膜和光纤本体；其制备方法为用熔融拉锥工艺将裸光纤一端拉制出圆锥形尖端；以该裸光纤为绝缘基底，采用真空蒸发镀膜工艺沉积上一层金薄膜，然后将其穿过铜管，用银导电胶粘接金薄膜与铜管内壁，用环氧树脂密封铜管两端，接着，采用等离子体增强化学气相沉积工艺在伸出铜管的金薄膜上沉积上一层氮化硅薄膜，之后研磨光纤尖端，使金薄膜和光纤本体露出，最后用套筒和挡块进行封装，并用环氧树脂密封挡块中心的间隙。
文档编号B81B7/02GK1794359SQ20051002273
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月26日 优先权日2005年12月26日
发明者蒋庄德, 朱明智, 景蔚萱, 杨彪 申请人:西安交通大学