專利名稱：一種掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯微探測工具，特別涉及一種掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著物理、化學(xué)、生物、材料、微電子、微型機(jī)械和光電子等各個領(lǐng)域的不斷發(fā)展，能使兩種或多種掃描探針顯微技術(shù)相結(jié)合的多功能探針逐漸受到人們的關(guān)注，成為人們研究的熱點，掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針就是其中的一種。該探針的工作原理是探針尖端表面的金屬薄膜和絕緣層構(gòu)成了超微環(huán)電極，可作為掃描電化學(xué)顯微鏡的探針進(jìn)行電化學(xué)特性的研究；探針內(nèi)部的光纖的尾纖連接光學(xué)系統(tǒng)，可進(jìn)行光學(xué)成像；測量中可同時得到電化學(xué)和光學(xué)的信息，從而得到很高的空間分辨率。目前，國內(nèi)尚未有相關(guān)報道，國外學(xué)者Y.Lee等[Anal.Chem.2002，74，3626-3633]提出了一種掃描電化學(xué)/光學(xué)顯微鏡探針及其制備方法，他們采用熱拉制工藝將光纖的一端拉制成圓錐形尖端，在光纖上采用蒸發(fā)工藝沉積金薄膜，在金薄膜的沉積過程中利用蒸發(fā)工藝的方向性使得圓錐形光纖基底的尖端表面不沉積上金薄膜，然后在金薄膜上電沉積電泳漆作為絕緣材料，最后加熱探針尖端電泳漆使其收縮形成金電極表面。上述制備方法由于是采用電沉積電泳漆作為單一絕緣材料，因而不能精確控制絕緣層厚度，而探針的絕緣層厚度直接影響掃描電化學(xué)顯微鏡的使用性能；此外，電泳漆也不適于較正或較負(fù)的電位下使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種不同于背景技術(shù)的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針及其制備方法，其特點是，該方法包括一種探針尖端的研磨工藝，而且探針的絕緣膜層可根據(jù)使用需要選擇不同的材料，并可精確控制膜層厚度。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的一種掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針，包括絕緣檔塊、與絕緣擋塊連為一體的套筒、設(shè)置在套筒內(nèi)的銅管；該銅管內(nèi)設(shè)有光纖，該光纖的一段為穿于絕緣擋塊中心的裸光纖；所述的裸光纖的圓周設(shè)有電極膜，裸光纖后端電極膜與銅管內(nèi)壁徑向之間設(shè)有導(dǎo)電膠和環(huán)氧樹脂；裸光纖前端的電極膜外設(shè)有絕緣膜并延伸至前端的尖端，尖端露出電極膜和光纖本體；所述的光纖與銅管內(nèi)壁徑向之間也設(shè)有環(huán)氧樹脂。
上述技術(shù)方案中的裸光纖前端的尖端的形狀為圓錐形；所述的電極膜為金薄膜，所述的絕緣膜為氮化硅薄膜，所述的導(dǎo)電膠為銀導(dǎo)電膠。
一種掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的制備方法，包括下述步驟a)將光纖的一段剝?nèi)プo(hù)套，用無水乙醇進(jìn)行超聲波清洗，清洗時間為2-3分鐘，超聲波頻率為25～28KHz。
b)用熔融拉錐工藝將裸光纖的尖端拉制成直徑為100nm到200nm的圓錐形。
c)以裸光纖為絕緣基底，采用真空蒸發(fā)鍍膜工藝沉積上一層電極膜。
d)然后將光纖穿過銅管，分別用導(dǎo)電膠、環(huán)氧樹脂將被覆電極膜的裸光纖的后端與銅管的內(nèi)壁徑向粘接，光纖與銅管內(nèi)壁也用環(huán)氧樹脂徑向粘接。
e)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在伸出銅管的裸光纖的金屬膜上沉積絕緣膜。
f)研磨被覆金屬膜和絕緣膜的裸光纖前端的尖端，使金屬膜和光纖本體露出。
g)最后將研磨好尖端的光纖前端穿過檔塊的中心，用套筒套入銅管并與擋塊封裝，用環(huán)氧樹脂密封塑料擋塊的中心。
上述制備方法中，步驟a)中所沉積的電極膜用金作為材料，導(dǎo)電膠采用銀導(dǎo)電膠；步驟b)所沉積的絕緣膜用氮化硅作為材料；步驟f)中的研磨方法包括下述步驟①在體視顯微鏡的幫助下，用上夾板和下夾板夾住被覆金屬膜和絕緣膜的裸光纖的前端，使其尖端伸出上、下夾板形成的夾具圓孔外1～2μm，并用螺釘鎖定。
②用醫(yī)用注射器向夾具圓孔內(nèi)注入熔融的石蠟，并使其鼓出夾具圓孔，將伸出的光纖尖端掩埋其中。
③在粒度為5～10μm的剛玉砂紙上，研磨光纖尖端，同時在另一端光纖連接一低功率紅光激光器，當(dāng)在剛玉砂紙上觀察到紅光時，改用粒度為0.3～0.5μm的剛玉砂紙進(jìn)行研磨至截面直徑小于1μm。
④擰下螺釘，打開上、下夾板，將被覆金屬膜和絕緣膜的光纖前端連同銅管取下，并豎直固定，尖端朝上，加熱烘烤石蠟熔化至揮發(fā)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是，通過使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝制備掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針絕緣膜，可根據(jù)需要選擇性地沉積各種絕緣材料，如氮化硅、二氧化硅、碳化硅、氧化鋁等，并能夠得到精確的絕緣層厚度，從而提高掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的性能；由于微電子工業(yè)中的薄膜制備技術(shù)具有可控性，因此可以實現(xiàn)掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的電極尺寸和光闌直徑的可控性制備，從而有利于提高探針的測量結(jié)果的一致性，有利于實驗結(jié)果和理論計算結(jié)果進(jìn)行比較。


圖1是本發(fā)明掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是圖1中A-A的剖視圖。
圖3是圖1中尖端B的局部放大圖。
圖4是本發(fā)明研磨尖端B表面時的夾具裝配圖。
圖5是圖4的右視圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明如圖1、與圖2所示，一種掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針，包括塑料材質(zhì)的檔塊8、與擋塊8連為一體的塑料材質(zhì)的套筒7、設(shè)置在套筒7內(nèi)的銅管6，該銅管6內(nèi)設(shè)有單模石英光纖11，光纖11的一段為穿于擋塊8中心15的裸光纖1，所述的裸光纖1的圓周設(shè)有金薄膜2，裸光纖1后端10的金薄膜2與銅管6內(nèi)壁13、14徑向之間分別設(shè)有銀導(dǎo)電膠4和環(huán)氧樹脂5，裸光纖1前端9的金薄膜2外設(shè)有氮化硅薄膜3并延伸至前端9的圓錐形尖端B，尖端B露出金薄膜2和光纖本體17，所述的光纖11與銅管6內(nèi)壁12徑向之間也設(shè)有環(huán)氧樹脂16。
上述掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的制備方法，包括下述步驟a)用光纖剝線鉗將單模石英光纖11的一段剝?nèi)プo(hù)套，用無水乙醇進(jìn)行超聲波清洗，清洗時間為3分鐘，超聲波頻率為28KHz。
b)用熔融拉錐工藝將裸光纖1的尖端B拉制成直徑為100～200nm的圓錐形；拉制過程采用OC-2010光纖熔融拉錐設(shè)備。
c)以裸光纖1為絕緣基底，采用真空蒸發(fā)鍍膜工藝沉積上一層厚度為150nm到200nm的金薄膜2；沉積過程在ZD450型真空鍍膜機(jī)上進(jìn)行，主要工藝參數(shù)為極限壓力為6.6×10-4帕，抽氣速率為500升/秒，擴(kuò)散泵加熱功率為1.5千瓦，機(jī)組總功率為3.5千瓦。
d)然后將光纖11穿過銅管6，分別用銀導(dǎo)電膠4、環(huán)氧樹脂5將被覆金薄膜2的裸光纖1的后端10與銅管6的內(nèi)壁13、14徑向粘接，光纖11與銅管6內(nèi)壁12也用環(huán)氧樹脂16徑向粘接。
e)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在伸出銅管6的裸光纖1的金薄膜2上沉積一層厚度為0.5μm到1.0μm的絕緣膜3；絕緣膜3的材料可以根據(jù)使用環(huán)境和使用要求進(jìn)行選擇，如二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化鋁等，本實施例采用氮化硅材料；根據(jù)對探針性能的要求，絕緣膜的厚度可由沉積設(shè)備進(jìn)行精確控制；沉積過程在PECVD-2B型等離子體化學(xué)氣相噴射機(jī)臺上進(jìn)行，反應(yīng)氣體為硅烷和氧氣，其體積比為1∶2；主要工藝參數(shù)為襯底溫度為300℃±10C，標(biāo)準(zhǔn)射頻頻率為13.56MHz，射頻功率60±20W。
f)研磨被覆金薄膜2和氮化硅薄膜3的裸光纖1前端9的尖端B，使金薄膜2和光纖本體1露出，如圖3所示；具體方法如圖4、圖5所示①在體視顯微鏡的幫助下，用上夾板21和下夾板20夾住被覆金薄膜2和氮化硅薄膜3的裸光纖1的前端9，使其尖端B伸出上、下夾板21、20形成的夾具圓孔24外1～2μm，并用螺釘22鎖定，螺釘22共有4個；夾具材料為硬質(zhì)塑料，體視顯微鏡采用zoom 645雙目連續(xù)變倍體視顯微鏡，最大放大倍數(shù)為300倍。
②用醫(yī)用注射器向夾具圓孔24內(nèi)注入熔融的石蠟23，并使其鼓出夾具圓孔24，將伸出的光纖尖端B掩埋其中。
③在粒度為10μm的剛玉砂紙上，手工研磨光纖尖端B，同時在光纖11另一端連接一低功率紅光激光器，當(dāng)在剛玉砂紙上觀察到紅光時，改用粒度為0.3μm的剛玉砂紙進(jìn)行研磨，并在BAS 100電化學(xué)工作站上通過測量穩(wěn)態(tài)極限擴(kuò)散電流獲得光纖尖端B的尺寸，在滿足截面直徑為800～900nm后停止研磨。
④擰下螺釘22，打開上、下夾板21、20，將被覆金屬膜2和絕緣膜3的光纖1前端9連同銅管6取下，并豎直固定，尖端B朝上，加熱烘烤石蠟23，石蠟23熔化向下流下并至揮發(fā)。
g)最后將研磨好尖端B的光纖前端9穿過檔塊8的中心15，用套筒7套入銅管6并與擋塊8用硅樹脂粘接，并用環(huán)氧樹脂5密封塑料擋塊8中心15的空隙。
權(quán)利要求
1.一種掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針，包括絕緣檔塊(8)、與絕緣擋塊(8)連為一體的套筒(7)、設(shè)置在套筒(7)內(nèi)的銅管(6)，其特征是，該銅管(6)內(nèi)設(shè)有光纖(11)，該光纖(11)的一段為穿于絕緣擋塊(8)中心(15)的裸光纖(1)，所述的裸光纖(1)的圓周設(shè)有電極膜(2)，裸光纖(1)后端(10)的電極膜(2)與銅管(6)內(nèi)壁(13)、(14)徑向之間分別設(shè)有導(dǎo)電膠(4)和環(huán)氧樹脂(5)，裸光纖(1)前端(9)的電極膜(2)外設(shè)有絕緣膜(3)并延伸至前端(9)的尖端(B)，尖端(B)露出電極膜(2)和光纖本體(17)，所述的光纖(11)與銅管(6)內(nèi)壁(12)徑向之間設(shè)有環(huán)氧樹脂(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針，其特征是，所述的裸光纖(1)前端(9)的尖端(B)的形狀為圓錐形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針，其特征是，所述的電極膜(2)為金薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針，其特征是，所述的絕緣膜(3)為氮化硅薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針，其特征是，所述的導(dǎo)電膠(4)為銀導(dǎo)電膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的制備方法，其特征是，包括下述步驟a)將光纖(11)的一段剝?nèi)プo(hù)套，用無水乙醇進(jìn)行超聲波清洗，清洗時間為2-3分鐘，超聲波頻率為25～28KHz；b)用熔融拉錐工藝將裸光纖(1)的尖端(B)拉制成直徑為100nm到200nm的圓錐形；c)以裸光纖(1)為絕緣基底，采用真空蒸發(fā)鍍膜工藝沉積上一層電極膜(2)；d)然后將光纖(11)穿過銅管(6)，分別用導(dǎo)電膠(4)、環(huán)氧樹脂(5)將被覆電極膜(2)的裸光纖(1)的后端(10)與銅管(6)的內(nèi)壁(13)、(14)徑向粘接，光纖(11)與銅管(6)內(nèi)壁(12)也用環(huán)氧樹脂(5)徑向粘接；e)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在伸出銅管(6)的裸光纖(1)的金屬膜(2)上沉積絕緣膜(3)；f)研磨被覆金屬膜(2)和絕緣膜(3)的裸光纖(1)前端(9)的尖端(B)，使金屬膜(2)和光纖本體(17)露出；g)最后將研磨好尖端(B)的光纖前端(9)穿過檔塊(8)的中心(15)，用套筒(7)套入銅管(6)并與擋塊(8)封裝，用環(huán)氧樹脂(5)密封塑料擋塊(8)的中心(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的制備方法，其特征是，步驟a)中所沉積的電極膜(2)用金作為材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的制備方法，其特征是，步驟a)中的導(dǎo)電膠(4)采用銀導(dǎo)電膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的制備方法，其特征是，步驟b)所沉積的絕緣膜(3)用氮化硅作為材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針的制備方法，其特征是，步驟f)中的研磨方法包括下述步驟①在體視顯微鏡的幫助下，用上夾板(21)和下夾板(20)夾住被覆金屬膜(2)和絕緣膜(3)的裸光纖(1)的前端(9)，使其尖端(B)伸出上、下夾板(21)、(20)形成的夾具圓孔(24)外1～2μm，并用螺釘(22)鎖定；②用醫(yī)用注射器向夾具圓孔(24)內(nèi)注入熔融的石蠟(23)，并使其鼓出夾具圓孔(24)，將伸出的光纖尖端(B)掩埋其中；③在粒度為5～10μm的剛玉砂紙上，研磨光纖尖端(B)，同時在光纖(11)另一端連接一低功率紅光激光器，當(dāng)在剛玉砂紙上觀察到紅光時，改用粒度為0.3～0.5μm的剛玉砂紙進(jìn)行研磨至截面直徑小于1μm；④擰下螺釘(22)，打開上、下夾板(21)、(20)，將被覆金屬膜(2)和絕緣膜(3)的光纖(1)前端(9)連同銅管(6)取下，并豎直固定，尖端(B)朝上，加熱烘烤石蠟(23)熔化至揮發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種掃描電化學(xué)和光學(xué)顯微鏡探針及其制備方法，包括絕緣擋塊、與絕緣擋塊連為一體的套筒、設(shè)置在套筒內(nèi)的銅管；該銅管內(nèi)設(shè)有光纖，該光纖的一段為穿于絕緣擋塊中心的裸光纖；裸光纖的圓周設(shè)有電極膜，裸光纖后端電極膜與銅管內(nèi)壁徑向之間設(shè)有導(dǎo)電膠和環(huán)氧樹脂；裸光纖前端的電極膜外設(shè)有絕緣膜并延伸至前端的尖端，尖端露出電極膜和光纖本體；其制備方法為用熔融拉錐工藝將裸光纖一端拉制出圓錐形尖端；以該裸光纖為絕緣基底，采用真空蒸發(fā)鍍膜工藝沉積上一層金薄膜，然后將其穿過銅管，用銀導(dǎo)電膠粘接金薄膜與銅管內(nèi)壁，用環(huán)氧樹脂密封銅管兩端，接著，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝在伸出銅管的金薄膜上沉積上一層氮化硅薄膜，之后研磨光纖尖端，使金薄膜和光纖本體露出，最后用套筒和擋塊進(jìn)行封裝，并用環(huán)氧樹脂密封擋塊中心的間隙。
文檔編號B81B7/02GK1794359SQ20051002273
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月26日
發(fā)明者蔣莊德, 朱明智, 景蔚萱, 楊彪 申請人:西安交通大學(xué)