專利名稱:掃描熱顯微鏡探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種掃描熱顯微鏡探針。
背景技術(shù):
近年來,隨著納米科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,一系列可以針對(duì)納米材料的測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其中最引人注目的是原子力顯微鏡技術(shù),其具有極高的分辨率。掃描熱顯微鏡技術(shù)是在原子力顯微鏡技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其通過在原子力顯微鏡探針上制作微型熱電偶,利用溫差電動(dòng)勢(shì)來測(cè)量納米材料的溫度和表面結(jié)構(gòu)。同時(shí)利用原子力顯微鏡卓越的空間分辨本領(lǐng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度空間分布的精確測(cè)量。
掃描熱顯微鏡在量測(cè)材料的表面結(jié)構(gòu)時(shí),首先將探針穩(wěn)定在樣品表面,并向結(jié)點(diǎn)通直流電來加熱,當(dāng)探針散失到空氣中的熱量等于電流提供的能量時(shí),尖端的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)探針比環(huán)境溫度高幾度。當(dāng)探針接近樣品時(shí),熱量向樣品傳輸。由于樣品是固體,其傳熱性比空氣好,探針的熱量散失速率將增加,因此探針尖端開始冷卻,熱電偶結(jié)上電壓也隨之下降。通過用反饋回路調(diào)節(jié)探針和樣品間隙,從而控制恒溫掃描,可獲得材料的表面起伏情況。
掃描熱顯微鏡在量測(cè)材料的表面的溫度分布時(shí),直接通過其探針尖端接觸材料表面,由于利用材料表面不同位置溫度的不同,相應(yīng)的其所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)也不同,從而可測(cè)量納米材料溫度空間分布狀況。
現(xiàn)有技術(shù)提供一種掃描熱顯微鏡探針,該掃描熱顯微鏡探針包括一第一金屬層,一第二金屬層,以及一設(shè)在所述第一金屬層和第二金屬層之間的一絕緣層,其中所述第一金屬層、絕緣層和第二金屬層在某一區(qū)域共同突起,形成一探針,所述第一金屬層和第二金屬層在探針尖端處相連,從而構(gòu)成微型熱電偶。然而,所述探針的空間分辨率一般局限在50納米以上,即便是最新報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也在20納米左右,這種分辨率顯然無法滿足更細(xì)微的納米結(jié)構(gòu)的溫度表征。
有鑒于此,提供一種具有高空間分辨率的掃描熱顯微鏡探針實(shí)為必要。
發(fā)明內(nèi)容以下,將以實(shí)施例說明一種具有高空間分辨率的掃描熱顯微鏡探針。
一種掃描熱顯微鏡探針,其包括一懸臂;一第一導(dǎo)電層,形成在所述懸臂表面;一絕緣層,覆在所述第一導(dǎo)電層表面,其具有一通孔;一第二導(dǎo)電層,覆在所述絕緣層表面,所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層在所述通孔處相連形成一熱電偶區(qū);以及一碳納米管,其形成在所述熱電偶區(qū),該碳納米管一端和熱電偶區(qū)處的第二導(dǎo)電層相連,另一端為自由端。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),所述掃描熱顯微鏡探針,將碳納米管置于掃描熱顯微鏡探針尖端,利用碳納米管的微小尺寸和軸向高熱傳導(dǎo)性能,可以顯著提高掃描熱顯微鏡的空間分辨率和熱敏感程度,且由于掃描熱顯微鏡探針利用碳納米管做尖端,因此對(duì)熱電偶區(qū)域無需精確控制,從而可減小蝕刻難度,降低成本。另外,由于碳納米管具有良好的機(jī)械性能,使得上述掃描熱顯微鏡探針耐磨不易損壞。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施例所提供的掃描熱顯微鏡探針示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖1,為本發(fā)明實(shí)施例提供的掃描熱顯微鏡探針10,其包括一懸臂16;一第一導(dǎo)電層11,形成在所述懸臂16表面;一絕緣層12,覆在所述第一導(dǎo)電層11表面,其具有一通孔;一第二導(dǎo)電層13,覆在所述絕緣層12表面,所述第一導(dǎo)電層11和第二導(dǎo)電層13在所述通孔處相連形成一熱電偶區(qū)14;以及一碳納米管15,其形成在所述熱電偶區(qū)14,一端和熱電偶區(qū)14處的第二導(dǎo)電層13相連,另一端為自由端。優(yōu)選地,碳納米管15基本垂直于熱電偶區(qū)14向外延伸。
所述熱電偶區(qū)14為第一導(dǎo)電層11和第二導(dǎo)電層13在絕緣層12的通孔處相連形成,所述第一導(dǎo)電層11和第二導(dǎo)電層13在絕緣層12的通孔處相連的方式包括第一導(dǎo)電層11局部由通孔中突出所述絕緣層12外,和第二導(dǎo)電層13相連;第二導(dǎo)電層13局部通過通孔向第一導(dǎo)電層11突起,和第一導(dǎo)電層11相連。本實(shí)施例中第一導(dǎo)電層11局部由通孔中突出所述絕緣層12外,和第二導(dǎo)電層13相連。
所述第一導(dǎo)電層11使用的材料可選自鎢、銅、硅或鎂中的一種或幾種的混合。所述第二導(dǎo)電層13使用的材料可選自金、鎳或鉻中的一種或幾種的混合。所述碳納米管15可為單壁碳納米管或多壁碳納米管,優(yōu)選地,所述碳納米管15為單壁碳納米管,由于單壁碳納米管的直徑更小,因此使用單壁碳納米管可使掃描熱顯微鏡探針10獲得更高的空間分辨率,達(dá)到10納米以下。
所述碳納米管15的形成方法可使用直接生長法和組裝法,直接生長法包括化學(xué)氣相沉積法和電弧放電法等直接在熱電偶區(qū)14上生長出碳納米管15。組裝法包括在電場(chǎng)作用下把碳納米管15吸附到熱電偶區(qū)14,以及使用粘合物質(zhì)來將碳納米管15連接到熱電偶區(qū)14。
本實(shí)施例中采用化學(xué)氣相沉積法直接在熱電偶區(qū)生長碳納米管,其步驟包括步驟一提供一掃描熱顯微鏡探針,其包括一第一導(dǎo)電層;一絕緣層,覆在所述第一導(dǎo)電層表面;一第二導(dǎo)電層,覆在所述絕緣層表面,所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層局部相連形成一熱電偶區(qū)。所述第一導(dǎo)電層使用的材料可選自鎢、銅、硅或鎂中的一種或幾種的混合。所述第二導(dǎo)電層使用的材料可選自金、鎳或鉻中的一種或幾種的混合。
步驟二在所述熱電偶區(qū)形成碳納米管。本實(shí)施例中,首先沉積催化劑在所述熱電偶區(qū)。催化劑層的厚度為5~30納米,催化劑層沉積的方法可選用真空熱蒸鍍揮發(fā)法,也可選用電子束蒸發(fā)法。催化劑的材料可選用鐵、鈷、鎳或其合金,本實(shí)施例中選用鐵作為催化劑材料,其沉積的厚度為10納米。然后,通入碳源氣,在熱電偶區(qū)生長碳納米管。具體地,將帶有催化劑層的熱電偶區(qū)置于空氣中,在300℃下退火,以使催化劑層氧化、收縮成為納米級(jí)的催化劑顆粒。待退火完畢,再將分布有催化劑顆粒的熱電偶區(qū)置于反應(yīng)室(圖未示)內(nèi),通入碳源氣乙炔,利用化學(xué)氣相沉積法,在上述催化劑顆粒上生長碳納米管,碳源氣也可選用其它含碳的氣體,如乙烯等。采用上述方法形成的碳納米管可為單壁碳納米管或多壁碳納米管,所述碳納米管的生長高度可通過反應(yīng)時(shí)間來控制,反應(yīng)時(shí)間越長,碳納米管長度越長,反應(yīng)時(shí)間越短,則碳納米管越短。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),所述掃描熱顯微鏡探針,將碳納米管置于掃描熱顯微鏡探針尖端,利用碳納米管的微小尺寸和軸向高熱傳導(dǎo)性能,可以顯著提高掃描熱顯微鏡的空間分辨率達(dá)10納米以下,且由于掃描熱顯微鏡探針利用碳納米管做尖端,因此對(duì)熱電偶區(qū)域無需精確控制,從而可減小蝕刻難度,降低成本。且由于碳納米管具有良好的機(jī)械性能,使得上述掃描熱顯微鏡探針耐磨不易損壞。
可以理解的是,對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思做出其它各種相應(yīng)的改變和變形,而所有這些改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種掃描熱顯微鏡探針,其包括一懸臂;一第一導(dǎo)電層,形成在所述懸臂表面;一絕緣層,覆在所述第一導(dǎo)電層表面,其具有一通孔;一第二導(dǎo)電層,覆在所述絕緣層表面,所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層在所述通孔處相連形成一熱電偶區(qū);以及一碳納米管,其形成在所述熱電偶區(qū),該碳納米管一端和熱電偶區(qū)處的第二導(dǎo)電層相連,另一端為自由端。
2.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述碳納米管基本垂直于熱電偶區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述第一導(dǎo)電層使用的材料選自鎢、銅、硅或鎂中的一種或幾種的混合。
4.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述第二導(dǎo)電層使用的材料選自金、鎳或鉻中的一種或幾種的混合。
5.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。
6.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述碳納米管是通過化學(xué)氣相沉積法或電弧放電法形成在所述熱電偶區(qū)。
7.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述碳納米管是通過在電場(chǎng)作用下把碳納米管吸附到熱電偶區(qū)形成在所述熱電偶區(qū)。
8.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述碳納米管是通過粘合物質(zhì)來將碳納米管連接形成在所述熱電偶區(qū)。
9.如權(quán)利要求1所述的掃描熱顯微鏡探針,其特征在于所述掃描熱顯微鏡探針的分辨率達(dá)10納米以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種掃描熱顯微鏡探針,其包括一懸臂;一第一導(dǎo)電層,形成在所述懸臂表面;一絕緣層,覆在所述第一導(dǎo)電層表面,其具有一通孔;一第二導(dǎo)電層,覆在所述絕緣層表面,所述第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層在所述通孔處相連形成一熱電偶區(qū);以及一碳納米管,其形成在所述熱電偶區(qū),該碳納米管一端和熱電偶區(qū)處的第二導(dǎo)電層相連,另一端為自由端。本發(fā)明提供的掃描熱顯微鏡探針,將碳納米管置于掃描熱顯微鏡探針尖端,利用碳納米管的微小尺寸及軸向?qū)嵝阅?,可以顯著提高掃描熱顯微鏡的空間解析度。
文檔編號(hào)B81B7/02GK1937094SQ200510037509
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月22日
發(fā)明者姚湲, 劉長洪, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司