一种扫描探针显微镜中的探针、其制备方法及探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种扫描探针显微镜的探针，尤其涉及一种多参量耦合显微镜探针、其制备方法及探测方法。
【背景技术】
[0002]随着纳米科学技术的飞速发展，针对纳米材料的测量技术应运而生，其中最引人注目的是扫描探针显微镜(STM)技术。
[0003]扫描探针显微镜(STM)技术是基于扫描隧道显微镜(SPM)基础发展而来的，具有空间分辨率高，可在真空、大气、甚至溶液等多种环境中变温工作等诸多优点，被广泛应用于物理学、化学、生物学、电子学等研究领域。扫描探针显微镜是通过检测探针与样品之间的相互作用力或者物理量来研究相应的样品性质，目前包括原子力显微镜、磁力显微镜、压电力显微镜、导电力显微镜等，用以探测样品的表面形貌、畴结构(包括磁畴结构、铁电/压电畴结构、导电畴结构等)、微区电导等物理参量。
[0004]随着电子器件的小型化和集成化，器件尺寸以及器件间距已达到微/纳尺度，其发热与散热问题成为制约进一步高度集成的瓶颈。在微/纳尺度下表征与热相关的物性，理解发热和散热的物理过程已经成为现代热科学中的一个崭新的分支一微/纳尺度热科学。在微/纳尺度下，材料的微观结构和畴结构对热学性质的影响尤为重要，一个微裂纹、空穴、晶界、乃至一个畴壁都可能影响到材料的热学性质。以多铁材料为例，在外场驱动下的磁/电畴翻转(或畴壁移动)和漏电流都会引起微区发热。
[0005]截止目前，尽管人们已经发展了基于扫描探针显微镜的微区热成像技术，但是利用该技术只能够获得单一的热学信息，尚不能原位、同步、实时地获得其他物性信息，例如磁畴结构、铁电/压电畴结构、导电畴结构等，无法进行磁-热、电-热，或者磁-电-热耦合成像，因此限制了对材料中发热与散热的物理机制的深入理解研究。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种扫描探针显微镜中的探针，其具有新型结构，可原位、同步实时地表征微/纳米磁-热、电-热，或者磁-电-热性能，实现多参量扫描探测功能。
[0007]本发明提供的扫描探针显微镜中一种探针结构如图1、2所示(称为具有热电偶结构的探针)，包括探针臂I与针尖2，针尖2由针尖本体3与覆盖层组成，覆盖层由位于针尖本体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组成；薄膜一 4具有导电性；薄膜二 5具有电绝缘性；薄膜三6具有磁性与导电性，或者薄膜三6具有导电性；薄膜一 4与薄膜三6的材料不同；并且，薄膜一 4、薄膜二 5和薄膜三6构成热电偶结构，即:在针尖本体的尖端部位，薄膜一 4表面为薄膜三6，除本体尖端之外的其余部位，薄膜二 5位于薄膜一 4与薄膜三6之间。
[0008]所述的薄膜一 4材料不限，包括具有良好导电性能的金属和半导体中的一种材料或者两种以上的组合材料，例如铋(Bi)、镍(Ni)、钴(Co)、钾(K)等金属以及其合金，石墨、石墨烯等半导体中的一种材料或两种以上的组合材料。
[0009]所述的薄膜二 5材料不限,包括具有绝缘性能的半导体、无机材料或者有机材料等，例如氧化锌(ZnO)、铁酸铋(BiFeO3)、钴酸锂(LiCoO2)、氧化镍(N1)、氧化钴(Co2O3)、氧化铜(CuxO)、二氧化硅(S12)、氮化硅(SiNx)、二氧化钛(T12)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化钨(WOx)、二氧化铪(HfO2)、氧化铝(Al2O3)、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、非晶碳、硫化铜(CuxS)、硫化银(Ag2S)、非晶硅、氮化钛(TiN)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PAI)、聚西弗碱(PA)、聚砜(PS)等中的一种材料或两种以上的组合材料。
[0010]当所述的薄膜三6具有导电性时，其材料不限，包括具有良好导电性能的金属和半导体中的一种材料或者两种以上的组合材料。所述的具有良好导电性能的金属和半导体包括但不限于铋、镍、钴、钾等金属以及其合金，石墨、石墨烯等半导体中的一种材料或两种以上的组合材料。
[0011]当所述的薄膜三6具有磁性与导电性时，其材料不限，包括具有铁磁性的金属及合金材料等，例如金属铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)及磁性合金等材料中的一种材料或两种以上的组合材料。
[0012]所述的具有热电偶结构的探针可以采用如下制备方法得到:
[0013]步骤1、采用镀膜的方法在针尖本体表面制备薄膜一 4 ；
[0014]步骤2、采用镀膜的方法在薄膜一 4的表面制备薄膜二 5 ；
[0015]步骤3、采用刻蚀的方法除去针尖本体尖端处的薄膜二 5，露出薄膜一 4 ；
[0016]步骤4、采用镀膜的方法在步骤3所述露出的薄膜一表面制备薄膜三6，使薄膜一4与薄膜三6在针尖尖端部位连接，形成热电偶结构。
[0017]上述制备方法中，所述的步骤1、2、4中的镀膜的方法包括但不限于各种溶液旋涂方法、喷墨打印、固体溅射、热蒸发、电子束蒸发等方法中的一种或者两种以上的组合；所述的步骤3中的除针尖尖端薄膜二的方法包括但不限于干刻、湿刻等方法，例如离子刻蚀、反应离子刻蚀、化学刻蚀等。
[0018]如图3所示，所述的具有热电偶结构的探针还可以采用如下另一种制备方法得到:
[0019]步骤1、采用镀膜的方法，依次在针尖本体3表面制备薄膜一 4、薄膜二 5与薄膜三6 ；
[0020]步骤2、在薄膜三6与电极层7之间施加电压，利用尖端放电原理，通过调节薄膜三6与电极层7之间距离，使针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没有熔融；
[0021]步骤3:去除步骤2所述露出的薄膜二 5，露出薄膜一 4 ；
[0022]步骤4:采用镀膜的方法，在所述露出部位镀与薄膜三6相同的材料，使薄膜一 4与薄膜三6在针尖尖端部位连接，形成热电偶结构。
[0023]上述制备方法中，所述的步骤1、4中的镀膜的方法包括但不限于各种溶液旋涂方法、喷墨打印、固体溅射、热蒸发或者电子束蒸发等方法中的一种或者两种以上的组合。
[0024]本发明所述的扫描探针显微镜包括扫描探针显微镜平台、探针、用于驱动或者控制探针进行位移和/或振动的探针控制单元，以及信号(包括位移和/或振动、热、磁、电信号)采集分析单元。
[0025]当采用本发明具有热电偶结构的探针时，扫描探针显微镜的工作模式如下:
[0026](一 )所述的薄膜三具有导电性
[0027]所述的扫描探针显微镜还包括电信号施加单元、位移或振动信号采集单元、热学信号采集单元、探针驱动单元，以及中心控制单元，
[0028]所述的探针控制单元用于驱动或者控制探针进行位移和/或振动；
[0029]所述的中心控制单元用于初始化系统各单元，控制系统各单元，接收样品的形貌、热、电信号，分析后得到样品的形貌、热、电信号图像；
[0030]所述的扫描探针显微镜的工作模式包括如下两种，分别用于探测样品的形貌、电信号以及热信号:
[0031](I)模式一:用于探测样品的表面形貌与电信号
[0032]探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某初始位置，探针自该初始位置沿横向对样品表面进行定向扫描，扫描过程中控制探针针尖与样品表面点接触或振动点接触，同时电信号施加单元、薄膜一、薄膜三以及样品形成闭合的电学回路；位移或振动信号采集单元接收探针针尖的纵向位移信号或振动信号，经中心控制单元分析得到样品的形貌信号；同时，电信号施加单元对针尖施加电信号，该电信号流入薄膜一、薄膜三以及样品，形成电压信号，经电信号采集单元得到样品的电信号，经中心控制单元分析得到样品的电信号图像。
[0033](2)模式二:用于探测样品的热信号
[0034]电信号施加单元、薄膜一、薄膜三形成闭合的热电回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖与样品表面相接触，电信号施加单元对针尖施加电信号，电流流入针尖并对其进行加热，针尖与样品进行热交换，使热学回路中产生电压信号，经热学信号采集单元得到样品的热信号，经中心控制单元分析得到样品的热信号图像。
[0035]当利用上述扫描探针显微镜能够对样品对样品进行热-电原位探测时，探测方法如下:
[0036]步骤1:样品固定于扫描探针显微镜平台，采用上述探测模式一，将探针位移至初始位置，沿横向对样品表面进行定向扫描，得到样品的形貌图像与电信号图像；
[0037]步骤2:探针位移至步骤I中的初始位置，采用上述探测模式二，对样品表面进行步骤I中所述的横向定向扫描，得到样品的热信号图像。
[0038]( 二)所述的薄膜三具有磁性与导电性
[0039]所述的扫描探针显微镜还包括电信号施加单元、位移或振动信号采集单元、热学信号采集单元、电学信号采集单元、探针驱动单元，以及中心控制单元，
[0040]所述的探针控制单元用于驱动或者控制探针进行位移和/或振动；
[0041]所述的中心控制单元用于初始化系统各单元，控制系统各单元，接收样品的形貌、热、电信号，分析后得到样品的形貌、磁、热、电信号图像；
[0042]所述的扫描探针显微镜的工作模式包括如下三种，分别用于探测样品的形貌、磁性号、电信号以及热信号:
[0043](I)模式一:用于探测样品的表面形貌与磁信号
[0044]探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某初始位置，探针自该初始位置沿横向对样品表面进行定向扫描，扫描过程中控制探针针尖与样品表面点接触或振动点接触，位移或振动信号采集单元接收探针针尖的纵向位移信号或振动信号，经中心控制单元分析得到样品的形貌信号；
[0045]探针返回至所述的初始位置并且向上抬高一定距离，然后按照所述的横向定向对样品表面进行扫描，扫描过程中控制探针针尖沿所述的形貌图像进行纵向位移或者振动，位移或振动信号采集单元接收探针针尖的纵向位移信号或振动信号，经中心控制单元分析得到样品的磁信号图像；
[0046](2)模式二:用于探测样品的热信号
[0047]电信号施加单元、薄膜一、薄膜三形成闭合的热电回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖与样品表面相接触，电信号施加单元对针尖施加电信号，电流流入针尖并对其进行加热，针尖与样品进行热交换，使热学回路中产生电压信号，经热学信号采集单元得到样品的热信号，经中心控制单元分析得到样品的热信号图像；
[0048](3)模式三:用于探测样品的电信号
[0049]电信号施加单元、薄膜一、薄膜三以及样品形成闭合的电学回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖表面与样品表面相接触，电信号施加单元对针尖施加电信号，该电信号流入薄膜一、薄膜三以及样品，形成电压信号，经电信号采集单元得到样品的电信号，经中心控制单元分析得到样品的电信号图像。
[0050]当利用上述扫描探针显微镜能够对样品对样品进行磁-热-电原位探测时，探测方法如下:
[0051]步骤1:样品固定于扫描探针显微镜平台，采用上述探测模式一，将探针位移至初始位置，沿横向对样品表面进行定向扫描，得到样品的形貌图像与磁信号图像；
[0052]步骤2:探针位移至步骤I中的初始位置，采用上述探测模式二，对样品表面进行步骤I中所述的横向定向扫描，得到样品的热信号图像；
[0053]步骤3:探针位移至步骤I中的初始位置，采用上述探测模式三，对样品表面进行步骤I中所述的横向定向扫描，得到样品的电信号图像。
[0054]本发明还提出了另一种优选的探针结构(称为具有热电阻结构的探针)。该结构中，如图1所示，探针