[发明专利]一种双液膜电化学刻蚀制备纳米工具电极的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于微细电化学加工领域，涉及一种双液膜电化学刻蚀制备纳米工具电极的方法及装置。

背景技术

随着科学技术的发展特别是微纳制造技术的发展，微纳尺度器件已经渗透到几乎所有的领域。在工业上，人们可利用如指甲大小的微型机器人来实现移动、测量、通讯等功能；在医学上，科学家们研究出能进入人体血管内的纳米机器人；在军事上，超微型化的集成武器也不断出现，例如“麻雀”卫星、“蚊子”导弹、“苍蝇”飞机、“蚂蚁”士兵等。这些器件共同的特点是特征尺寸“微纳”，“微纳”特征尺寸的制造是目前产品微型化研究的难点和重点。

微纳工具电极是微细电解加工实现纳米尺度加工的基础，决定着加工的精度和加工质量。目前，微纳工具电极可采用的方法有机械剪切、电化学刻蚀技术和离子铣削技术等。其中，机械剪切制备微纳工具电极成功率低，目前已经很少被采用；采用离子铣削技术，成本昂贵，加工周期长。美国科学家Trimmer采用聚焦离子铣削技术制备出窗框图案的工具电极用于微纳电解加工，这个电极的制备耗时数个小时，因此该加工方法也难以推广应用。目前，电化学刻蚀技术是一个相对简捷和低成本的方法，是制备微纳工具电极较为常用的方法。

在电化学刻蚀法中，液膜电化学刻蚀法是较为便捷的方法。利用金属圆环作为阴极，金属圆环悬挂的电解液液膜作为电解液来加工工具电极。目前对于液膜刻蚀法制备纳米工具电极的研究尚不成熟，如何制备出尺寸更小的纳米电极也是急需解决的问题，无论是在工艺方面还是在装置方面都存在许多需要研究和改进的地方。

发明内容

本发明的目的在于，提出了一种双液膜电化学刻蚀制备纳米工具电极方法及装置，通过附加的一个粘性液膜对电极提供一个向上的张力，从而制备出直径更小的纳米电极。

为实现上述目的，本发明提供一种双液膜电化学刻蚀制备纳米工具电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将校直钨丝棒装夹在十字紫铜棒夹具上；

步骤二：调整校直钨丝棒的位置，使其依次穿过位于校直钨丝棒的正下方的导电金属圆环和绝缘圆环的中心，并置于电极接收器的正上方；

步骤三：向导电金属圆环中添加电化学刻蚀的电解液，并调节电解液来达到所需的厚度，再向绝缘圆环中添加粘性液体并调节粘性液体膜的厚度；

步骤四：将导电金属圆环连接到直流电源的负极，校直钨丝棒连接直流电源的正极，接通电路开关。

步骤五：随着电化学刻蚀反应的进行，校直钨丝棒在电解液液膜中逐渐形成径缩，最终下端电极在拉力作用下掉落在电极接收器中，即制备出纳米电极。

进一步的，校直钨丝棒直径为0~3mm，导电金属圆环直径为4~6mm，电解液液膜厚度为3~5mm，绝缘圆环直径为4~6mm，粘性液体膜厚度为5~10mm。

为了达到精度要求所述电解液液膜厚度和粘性液体膜厚度通过显微镜进行调节。

为了实现上述双液膜电化学刻蚀制备纳米工具电极方法，本发明还提供一种双液膜电化学刻蚀制备纳米工具电极的装置，其特征在于：包括隔震工作台、支架、X方向工作轴、Y方向工作轴、Z方向工作轴、校直钨丝棒、导电金属圆环、绝缘圆环、电极接收器和直流电源，所述Y方向工作轴可前后移动的设置在隔震工作台上，所述电极接收器设置在Y方向工作轴上，所述X方向工作轴可左右移动的设置在电极接收器上方的支架上，所述Z方向工作轴与X方向工作轴连接，且可沿Z轴方向上下移动，所述校直钨丝棒设置在Z轴运动轴的底部，所述导电金属圆环和绝缘圆环从上而下依次设置在校直钨丝棒和电极接收器之间，所述直流电源连接在校直钨丝棒和导电金属圆环之间，电源正极接校直钨丝棒，负极接导电金属圆环。

进一步的，所述Z方向工作轴一侧设置有显微镜和显微镜支架，所述显微镜可上下移动的固定在支架上。

为了对工作用的圆环进行固定，所述Z方向工作轴对应显微镜支架的另一侧设置圆环支架，所述导电金属圆环和绝缘圆环分别通过导电夹头和绝缘夹头连接在圆环支架上。

为了对校直钨丝棒进行固定，所述装置还包括主轴和十字紫铜棒，主轴设置在Z方向工作轴的正面中间位置，校直钨丝棒和主轴通过十字紫铜棒连接。

为了检测电流，所述电源与校直钨丝棒的之间还连接有电源开关和电流表。

为了提高操作精度，所述装置还包括控制设备，所述X方向工作轴、Y方向工作轴、Z方向工作轴和显微镜均与控制设备连接。