[发明专利]一种制备原子力显微镜针尖的方法

说明书

本发明涉及原子力显微镜领域，一种制备原子力显微镜针尖的方法，实现所述方法的装置主要包括电阻、悬臂、针尖、样品、样品与针尖之间的间隙处、刺状物、电流反馈系统、光电反馈系统、压电驱动器、电源U，由电源U、电阻、电流反馈系统、悬臂、针尖、间隙处和样品连接组成电流反馈回路，悬臂与样品之间连接有光电反馈系统，电流反馈系统电连接压电驱动器，压电驱动器连接悬臂，针尖固定于悬臂下面，样品位于针尖的下方，样品与针尖之间为间隙处，当针尖逼近样品表面停留时，开启电源U能在间隙处形成一高电场，从而使得针尖的前端生长出几百纳米长的刺状物，利用第一样品和第二样品先后使用，生长出垂直于样品表面的符合实验要求的刺状物。

技术领域

本发明涉及一种纳米结构的原子力显微镜针尖的制备领域，特别是能够在常温大气条件下直接在原来的针尖上制备符合实验需求的针尖、制备方法简单有效的一种制备原子力显微镜针尖的方法。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的仪器，其基本原理为：通过将一根纳米级尺度的探针固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当针尖与样品非常接近时，针尖尖端的原子与样品表面原子之间的作用力会使所述微米级弹性悬臂弯曲，偏离原来的位置；同时，有一束激光照射到悬臂上，并反射到激光监测器中，弹性悬臂的弯曲导致了激光的偏向，由此得到光斑的偏移量，根据该偏移量以及其振动频率、作为反馈信号，经过特定的反馈系统输入计算机中，计算机能够以此来重建三维图像，从而获得样品表面的形貌及成分信息。

原子力显微镜可以在不同模式下工作，这些模式主要有接触模式、轻敲模式、侧向力模式等。在接触模式中，针尖从样品表面划过，从悬臂的偏转可以直接分析出表面的高度图。在轻敲模式或侧向力模式中，有信号源以某个外部参考频率驱动悬臂振动，在扫描样品的过程中悬臂振动的频率会改变，振幅、相位和共振等参数与探针和样品间的作用力相关，这些参数相对信号源提供的外部参考的振动的变化可以反映样品的性质。其中，作为轻敲模式的一项扩展技术，相移模式通过检测驱动悬臂探针振动的信号源的相位角与悬臂探针实际振动的相位角之差(即信号源和实际振动的相移)的变化来成像。

原子力显微镜(AFM)相对于扫描电子显微镜优势明显，第一，原子力显微镜能够提供真正的三维表面图，而扫描电子显微镜只能提供二维图像；第二，原子力显微镜不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害；第三，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作，可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织，就像盲人摸象一样，在物体的表面慢慢抚摸，原子的形状能够很直观的表现。而电子显微镜需要运行在高真空条件下。

原子力显微镜针尖通常是硅材料Si或Si₃N₄制成，根据不同的需要其外部镀有不同的金属层。传统的原子力显微镜探针针尖受到磨损时，其曲率半径会变大、扫描得到样品的图像分辨率会降低，因此原子力显微镜的成像受其探针的影响非常之大，因此原子力显微镜针尖是消耗品，在使用过程中尤其是高精度实验后极易损耗，更换针尖既费时又费力，且耽误实验进度，目前硅针尖尖端生长刺状物的方法有：离子或电子束沉积、聚焦离子束刻蚀、化学气相沉积碳纳米管或金属纳米管等。但是这些方法的缺陷有：一是成本较高，二是需要在真空腔内进行并对真空的要求高，三是不能在原位进行，需要中断实验进程，使得不能方便及时地更换新的针尖，延误实验进度，所述一种制备原子力显微镜针尖的方法能解决这一问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明通过增设电流反馈系统控制针尖与样品之间的距离，利用第一样品和第二样品先后使用，生长出垂直于样品表面的符合实验要求的刺状物，能够直接在大气条件下进行操作并显著地提高原子力显微镜针尖的尖锐程度，不用更换针尖既能够在原位制备符合实验需求的针尖，既不需要一个充入了某些保护气体的密闭腔体，也不需要借助更复杂的制备工具，方法有效。

本发明所采用的技术方案是：