本發(fā)明屬于原子力顯微鏡的測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原子力顯微鏡探針針尖修飾方法。

背景技術(shù)：

隨著材料領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，探究材料表面微觀形貌以及微觀特性變得越來越重要，借助掃描探針顯微鏡可以獲得原子級分辨率的圖像。原子力顯微鏡（AFM）作為掃描探針顯微鏡的一種，利用其探針針尖原子與樣品表面原子之間的吸引力和排斥力來獲得高分辨率圖像，AFM不僅僅是樣品表面高分辨率成像的一種工具，還可以應(yīng)用于獲得原子力與距離的關(guān)系曲線，簡稱力曲線。它能提供材料表面的局部性能，如彈性、硬度、粘附力和表面電荷密度等有價(jià)值信息。AFM探針作為原子力顯微鏡的核心部件，其尖銳程度直接決定了成像的橫向分辨率，探針針尖修飾碳納米管是目前的一個(gè)研究方向；而另一個(gè)發(fā)展方向就是探針針尖的功能化修飾，通過在針尖修飾特定的物質(zhì)，可以定性定量測量各種表面力，為特定基團(tuán)間的相互作用力的測量提供了方法，并可以改善表征微觀形貌的清晰度。

普通探針的基底材料為Si₃N₄或Si，目前在探針針尖修飾碳的形式主要有兩種，碳納米管和類金剛石碳鍍膜，這兩種針尖修飾的目的也不同。通過CVD法可以制備單壁碳納米管探針，碳納米管的高橫縱比結(jié)構(gòu)、小的曲率半徑、高的楊氏模量可以提高原子力顯微鏡成像的橫向分辨率；Carpick（Carpick R W, Sridharan K, Sumant A V. DIAMOND-LIKE CARBON COATED NANOPROBES: US, US20110107473[P]. 2011.）等人通過等離子體化學(xué)氣相沉積在探針針尖鍍一層5~60 nm厚的類金剛石碳層，用以提高針尖的耐磨性。這些方法雖然也達(dá)到了功能化修飾的目的，但是操作設(shè)備要求高，且需要專業(yè)操作，工藝復(fù)雜。若僅僅是為了滿足在探針針尖包覆有碳的目的，則需要更為簡便的方法對探針進(jìn)行修飾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、操作簡單的原子力顯微鏡（AFM）探針針尖修飾方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種原子力顯微鏡探針針尖修飾方法，包括以下步驟：

1）配制可溶性有機(jī)物的水溶液。

2）將AFM探針浸入步驟1）配制的水溶液中靜置30min。在靜置過程中，這有利于可溶性有機(jī)物的水溶液充分地浸潤AFM探針，使可溶性有機(jī)物充分地與AFM探針接觸并附著在其表面。

3）取出所述的AFM探針，置于設(shè)定環(huán)境下干燥1~2h，以使水分蒸發(fā)，讓可溶性有機(jī)物沉積在AFM探針表面。

4）將干燥后的AFM探針浸入脫水碳化劑中靜置30min，使沉積在AFM探針表面的可溶性有機(jī)物進(jìn)行脫水碳化反應(yīng)，去除H、O元素的同時(shí)生成無定形碳，以實(shí)現(xiàn)碳包覆的目的。

5）將AFM探針取出，并用乙醇清洗來除去脫水碳化劑，然后置于大氣環(huán)境下干燥至恒重，即得到碳包覆修飾的AFM探針針尖。

其中，步驟1）配制的可溶性有機(jī)物的水溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3~5wt%的葡萄糖水溶液。由于葡萄糖是一種單糖，其分子結(jié)構(gòu)相對簡單、性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)行脫水碳化時(shí)更容易形成較薄的無定形碳層。如果用蔗糖這類雙糖或者多糖，由于分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，脫水碳化反應(yīng)不易反應(yīng)完全，碳包覆的效果不理想。

而步驟4）中所述的脫水碳化劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%的濃硫酸，這主要是從成本考慮，濃硫酸是較為常用的脫水碳化劑，性質(zhì)穩(wěn)定，反應(yīng)后的有害產(chǎn)物較少。

步驟3）中，當(dāng)所述的設(shè)定環(huán)境為60℃的真空干燥箱，干燥時(shí)間為1h；當(dāng)所述的設(shè)定環(huán)境為室溫大氣環(huán)境，干燥時(shí)間為2h。

為了精確控制碳包覆修飾的操作過程，防止AFM其他部分浸入溶液中，步驟2）的操作為：將AFM探針固定在注射器針尖上，使所述AFM探針針尖處于最前端，將注射器夾在接觸角測試儀上，使注射器向下移動(dòng)到AFM探針針尖沒入步驟1）配制的水溶液中并靜置30min。

對應(yīng)的，步驟3）的操作為：取出注射器，使所述AFM探針針尖保持向下，置于60℃的真空干燥箱中干燥1h。

所述的AFM探針是基底為Si₃N₄的AFM探針。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明采用有機(jī)質(zhì)碳化法成功的在AFM探針針尖包覆了很薄的一層無定形碳，為特定基團(tuán)間的相互作用力的測量提供了方法，經(jīng)有機(jī)質(zhì)碳化修飾的探針進(jìn)行多次AFM形貌掃描后依然能夠獲得穩(wěn)定清晰的圖像，對特定樣品表面做力曲線時(shí)，與未修飾探針?biāo)隽η€產(chǎn)生一定程度差異。與現(xiàn)有的通過氣相化學(xué)沉積法在探針針尖表面包覆碳的方法相比，具有工藝簡單，生產(chǎn)成本低，無需借助大型精密儀器，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例3中修飾前Si₃N₄的AFM（原子力顯微鏡）探針針尖的SEM（電鏡掃描）圖；

圖2為實(shí)施例3中修飾后Si₃N₄的AFM探針針尖的SEM圖；

圖3為采用修飾前的Si₃N₄的AFM探針針尖掃描高定向石墨的形貌表征圖；

圖4為采用實(shí)施例3修飾后的Si₃N₄的AFM探針針尖掃描高定向石墨的形貌表征圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

采用以下步驟對原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱取0.05g葡萄糖溶于0.95mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)5wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM（原子力顯微鏡）探針直接浸入（1）中的葡萄糖溶液中，靜置30min，取出；

（3）將取出的探針在真空干燥箱中60℃條件下干燥1h；

（4）將干燥后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干。

實(shí)施例2

采用以下步驟對原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱取0.05g葡萄糖溶于0.95mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)5wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM探針直接浸入（1）中的葡萄糖溶液中，靜置30min；

（3）取出后自然晾干2h；

（4）將晾干后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干。

實(shí)施例3

采用以下步驟對原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱取0.05g葡萄糖溶于0.95mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)5wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM探針（其SEM圖見圖1）固定到注射器針尖上，探針針尖處于最前端，將注射器夾在接觸角測試儀上，通過觀察監(jiān)視器，注射器緩慢向下移動(dòng)到探針針尖剛好沒入（1）中的葡萄糖溶液中停止，靜置30min；

（3）取出注射器將探針針尖的錐尖保持向下并在真空干燥箱中60℃條件下干燥1h；；

（4）將干燥后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干，得到碳包覆修飾的AFM探針針尖，其SEM圖見圖2。

實(shí)施例4

采用以下步驟對原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱取0.03g葡萄糖溶于0.97mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)3wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM探針直接浸入（1）中的葡萄糖溶液中，靜置30min，取出；

（3）將取出的探針在真空干燥箱中60℃條件下干燥1h；

（4）將干燥后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干。

實(shí)施例5

采用未修飾的Si₃N₄針尖和實(shí)施例3的方法修飾過的Si₃N₄針尖分別對高定向石墨進(jìn)行掃描以獲得形貌表征圖，分別為圖3和圖4所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)圖3整體較為平整均勻，而圖4顯示出顏色存在一定變化，即表明作用力的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過修飾和未修飾的探針在測量高定向石墨表面形貌時(shí)會有差別，用修飾后的探針進(jìn)行掃面，能夠獲得更多的細(xì)節(jié)特征。經(jīng)修飾過后，表面形貌深淺程度也會發(fā)生改變，證明存在作用力變化，但基本特征不會發(fā)生改變，這保證了測量的完整性。

由此可以證明，修飾過的Si₃N₄針尖在保證了原有Si₃N₄針尖的功能的基礎(chǔ)上，可以獲得新的性能，這為材料表面性能的研究有著十分重要的意義。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動(dòng)。這里無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。