一种原子力探针的制备装置、方法以及原子力探针与流程

本发明实施例涉及微纳测量技术领域，尤其涉及一种原子力探针的制备装置、方法以及原子力探针。

背景技术：

1986年g.binning在扫描隧道显微镜的基础上发明了原子力显微镜(afm)，由此实现了对非导电样品原子级别的观测(lij,xiej,xuew等，microsystemtechnologies(2013)19:285-290)。原子力显微镜的性能与其所使用的探针密切相关，当试样处于潮湿的环境或浸没于液体中时，试样表面存在薄层液膜，在观测过程中随着探针逐步靠近试样，试样表面的液膜会与针尖形成液桥，由此产生的吸附力会极大地影响观测的精度。当前使用聚焦离子束(fib)和等离子刻蚀制备的原子力探针，探针针尖的几何形貌为圆锥和棱锥，因此难以降低毛细吸附对测量精度的影响。现在普遍采用的解决方案有三种：第一种方法是严格控制测试环境的湿度(chenl,gux,fasolkamj等，langmuir(2009)25:3494-3503)，防止空气中的水分子在试件或者针尖上凝聚，因此在采用该方法的测试中，样品处于真空或者保护气氛围中，但是该方法不适用与需要处于湿润环境的测试，例如细胞或者组织表面形貌的扫描；第二种是对探针进行表面处理(中国专利申请号：cn01813256.1)，例如利用烷基硅烷分子的自组装在针尖表面形成一层疏水层(liubh,chench,ultramicroscopy(2011)111:1124-1130)，或者将针尖浸没到含有疏水颗粒的悬浊液中从而将疏水颗粒附着到针尖表面(中国专利申请号：cn110514873a)。上述方法只对试样表面的水膜有效，对于其他液膜效果有限，另外由于疏水涂层通常不具有导电性，所以经过此类处理的探针不能用于电化学实验；第三种常用的处理方案是将探针完全浸没于液体中(vadillo-rodriguez,virginia,terryj.beveridge,andjohnr.dutcher,journalofbacteriology(2008)190:4225-4232.)，通常用于测量生物组织和细胞(中国专利申请号：cn110108636a)，但是该方法对液膜的厚度有严格限制，要求液膜厚度只能略大于探针高度，因此不具有通用性。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种原子力探针的制备装置、方法以及原子力探针，该方法所制备的金属针尖安装在原子力探针上，能够进一步对水毛细吸附的屏蔽效果，因此极大提高了原子力显微镜测量的精度。

第一方面，本申请实施例提供了一种原子力探针的制备装置，包括：待制备金属纤维，夹持装置以及电化学池；

所述待制备金属纤维的第一端固定于所述夹持装置，并通过所述夹持装置中的导线与所述电化学池中的阴极基板连接，所述待制备金属纤维的第二端插入所述电化学池中，以此形成闭合回路，使所述待制备金属纤维的第二端在所示电化学池中进行溶解得到金属针尖。

第二方面，本申请实施例提供了一种原子力探针的制备方法，采用前述的一种原子力探针的制备装置，包括：

确定金属纤维的材质以及尺寸；

根据所述金属纤维的材质选取电解液；

将所述金属纤维的一端固定于夹持装置，并将所述金属纤维的另一端插入所述电解液进行溶解，得到金属针尖；

按照预设条件对所述金属针尖进行截取，得到指定长度的金属针尖；

将所述指定长度的金属针尖粘接于原子力探针的悬梁臂上，得到用于屏蔽毛细吸附的原子力探针。

在一个可能的实施方式中，在按照预设条件对所述金属针尖进行截取之前，所述方法还包括：

基于所述金属针尖的表面设置疏水涂层，其中通过所述疏水涂层提高所述金属针尖的疏水性。

在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：

根据预设标定方法标定所述原子力探针的弹性模量以及固有频率。

在一个可能的实施方式中，所述金属纤维的材质包括：碱性金属，且金属纯度大于99.9％；

所述金属纤维的半径范围为0.10～0.5mm。

在一个可能的实施方式中，所述方法包括：所述金属针尖的指定长度与所述金属纤维的半径关系如下：

h＝cr^1/2

其中，h是所述金属针尖的指定长度，r为所述金属纤维的半径，c为常数。

在一个可能的实施方式中，所述电解液为：稀硫酸溶液，所述稀硫酸溶液中稀硫酸的质量浓度为5％；

或，所述电解液为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量浓度为5％；

或，所述电解液为氯化钙、水以及盐酸组成的混合溶液，其中，所述氯化钙为常温下的饱和溶液，所述盐酸为质量比38％的浓盐酸，所述混合溶液的体积比如下：氯化钙：水：盐酸＝15:9:1。

在一个可能的实施方式中，所述金属纤维的另一端插入所述电解液的深度为所述金属纤维的半径的3倍。

第三方面，本申请实施例提供了一种原子力探针，包括：悬梁臂和金属探针，所述金属探针包括：针体以及疏水涂层；

所述悬梁臂的一端通过粘性材料与所述针体的一端连接，所述针体的另一端为用于屏蔽毛细吸附的针尖，所述疏水涂层覆盖于所述针体的表面。

在一个可能的实施方式中，所述粘性材料包括以下至少一项：环氧树脂、光敏胶或导电胶。

本发明实施例提供的一种原子力探针的制备装置、方法以及原子力探针，该方法所制备的针尖具有的特殊几何形状可以有效降低毛细吸附，该方法所制备的针尖在不覆盖疏水涂层的情况下所受到的毛细吸附力相较于普通的锥形针尖小一个量级，若覆盖疏水涂层，会进一步增强对水毛细吸附的屏蔽效果，因此该方法所制备的金属针尖极大提高了原子力显微镜测量的精度；其次，该金属针尖不仅适用于潮湿的测试环境还可应用于试样表面存在液体的情况，例如试样表面存在脂类、醇类、醛类等液体，进一步扩大力原子力显微镜的使用范围；再者，由于该针尖使用金属材料制作，因此具备导电性可用于电化学实验；另外该制备方法相对简单，便于在普通实验室中开展，制备成本相对较低。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种原子力探针的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种原子力探针的制备装置的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种原子力探针的制备方法的流程图；

标号注释：1-悬梁臂，2-针体，3-疏水涂层，4-针尖，5粘性材料，6-夹持装置，7-待制备金属纤维的第一端，8-待制备金属纤维的第二端，9-阴极基板，10-电化学池。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

图1位本申请实施例提供的一种原子力探针，如图1所示，该原子力探针包括：悬梁臂1和金属探针，金属探针包括：针体2以及疏水涂层3；

悬梁臂1的一端通过粘性材料5与针体2的一端连接，针体2的另一端为用于屏蔽毛细吸附的针尖4，疏水涂层3覆盖于针体2的表面。

本实施例中的粘性材料包括以下至少一项：环氧树脂、光敏胶或导电胶。

图2为本申请实施例提供的一种原子力探针的制备装置的示意图，如图2所示，该制备装置，包括：待制备金属纤维，夹持装置6以及电化学池10；

待制备金属纤维的第一端7固定于夹持装置6，并通过夹持装置6中的导线与电化学池中的阴极基板9连接，待制备金属纤维的第二端8插入电化学池中，以此形成闭合回路，用于对待制备金属纤维的第二端8进行溶解得到金属针尖。

图3为本申请实施例提供的一种原子力探针的制备方法的流程图，如图3所示，一种原子力探针的制备方法，采用前述的一种原子力探针的制备装置，该方法包括：

s11，确定金属纤维的材质以及尺寸；

本实施例中，根据不同的测试情况，选择合适的碱性金属，金属的纯度大于99.9％，所选金属纤维的半径范围为0.10～0.5毫米，金属纤维的长度为20～50毫米；

另外，金属纤维在选材过程中应考虑材质的硬度、电阻率和纤维的尺寸，材质的硬度应远大于被测试样表面。当所制备的针尖被用于电化学实验时，应选择电阻率低的材料，选择纤维尺寸时应基于试样表面液膜的厚度，所制备针尖的长度应大于液膜厚度。

其中，金属针尖的指定长度与金属纤维的半径关系如下：

h＝cr^1/2

其中，h是金属针尖的指定长度，r为金属纤维的半径，c为常数。

s12，根据金属纤维的材质选取电解液；

具体的，根据所选纤维的材质配制对应的电解液，电解液中氢离子或者氢氧根离子最优的摩尔浓度范围为0.5％～2.5％；

电解液可以为：稀硫酸溶液，稀硫酸溶液中稀硫酸的质量浓度为5％。

或，电解液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量浓度为5％。

或，电解液为氯化钙、水以及盐酸组成的混合溶液，其中，氯化钙为常温下的饱和溶液，盐酸为质量比38％的浓盐酸，混合溶液的体积比如下：氯化钙：水：盐酸＝15:9:1。

s13，将金属纤维的一端固定于夹持装置，并将金属纤维的另一端插入电解液进行溶解，得到金属针尖；

具体的，使用夹持装置固定金属纤维，纤维固定端和自由端的合理距离应保持在1～5毫米之间，调整金属纤维姿态，之后将金属纤维插入电解液中，最合适的插入深度为金属纤维半径的3倍，启动电解装置开始电解，电压1～20伏，电解时间为6～35分钟，电解结束后，立刻切断电源，并抬升制备的金属针尖，使其离开液面。其中电解结束是指电解过程中电流突然减小，降幅超过0.1毫安。

s14，按照预设条件对金属针尖进行截取，得到指定长度的金属针尖；

本实施例中，根据测试要求(即预设条件)将含有针尖的金属针尖截取特定长度，截取金属针尖的长度不应过长，避免环境和机械扰动影响，比如半径为2微米的金属针尖，其长度应控制在200微米以下。

s15，将指定长度的金属针尖粘接于原子力探针的悬梁臂上，得到用于屏蔽毛细吸附的原子力探针。

本实施例中，金属针尖的粘接用原子力探针上的悬臂梁自由端轻点胶水，在金属针尖的头部形成一个直径为1～10微米的小液滴，然后将截取的金属针尖粘接到原子力探针上，金属针尖的粘接部位位于悬臂梁的自由端，粘结完成后得到用于屏蔽毛细吸附的原子力探针。

本实施例中，在按照预设条件对金属针尖进行截取之前，方法还包括：基于金属针尖的表面设置疏水涂层，其中通过疏水涂层提高金属针尖的疏水性。具体的，通过覆盖疏水涂层，会进一步对水毛细吸附的屏蔽效果，因此该方法所制备的金属针尖极大提高了原子力显微镜测量的精度。

本实施例提供的制备方法在步骤s15之前，还包括：选择原子力探针和粘性材料。具体的，选择原子力探针的步骤包括：悬臂梁弹性系数的选择依据待测试样表面硬度以及实验中对导电性能的要求，当待测物体表面硬度较低，如细胞，液体，凝胶等，应该选择弹性系数低于1牛每米的原子力探针，当待测物体表面硬度较大，应该选择弹性系数大于1牛每米的原子力探针，当需要实现电化学性质测量时，应选择导电性能优越的探针。粘性材料包括以下至少一项：环氧树脂、光敏胶或导电胶。

本实施例提供的制备方法还包括：根据预设标定方法标定原子力探针的弹性模量以及固有频率。前述两个参数标定都在原子力显微镜上完成。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。