[發明專利]一種電化學制備金屬針尖的裝置及方法

在審

• 申請號: 201410478941.6
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN105301289A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 武旭;陳輝;郭海明;肖文德;高鴻鈞
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: G01Q60/16
• 分類號: G01Q60/16
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明屬于納米技術領域，具體涉及一種交流電化學腐蝕制備超細金屬針尖的裝置和方法。

背景技術

掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscopy,STM)是由美國國際商用機器公司(IBM)瑞士蘇黎世實驗室的G.Binnig、H.Rohrer和他們的合作者共同發明的一種新型表面分析儀器。利用量子力學中的隧道效應，掃描隧道顯微鏡可以在實空間中探測導體和半導體表面的原子排列以及與表面電子相關的物理化學性質，在表面科學、材料科學以及生命科學領域具有重大的意義和廣泛的應用前景。一般而言，針尖尖端的曲率半徑越小(即針尖越尖)，掃描隧道顯微鏡的空間分辨率越高。近年來，國內外很多公司和實驗室利用電化學腐蝕方法制備了不同形狀和曲率半徑的鎢和鉑銥合金針尖，用于掃描隧道顯微鏡的實驗中，可以方便的獲得原子級分辨率。

近年來，由低維度和小尺寸引起的復雜的磁結構和新奇的磁性質已經成為表面以及磁學領域的前沿熱點，因此在傳統的掃描隧道顯微鏡基礎上，人們又相繼發展出了基于隧道磁阻效應(TunnelingMagneticresistance，TMR)能夠探測原子尺度表面自旋狀態的自旋極化掃描隧道顯微鏡(Spin-PolarizedScanningTunnelingMicroscopy，SP-STM)。自旋極化掃描隧道顯微鏡與傳統的掃描隧道顯微鏡的唯一區別就是使用由磁性材料(包括鐵、鎳和鈷等鐵磁材料和鉻、鎳錳合金等反鐵磁材料，以及二氧化鉻等)制備的針尖，從而實現隧道電流的自旋分辨。因此，制備既能實現原子級空間分辨，又能實現隧道電流的自旋分辨的磁性針尖，是自旋極化掃描隧道顯微鏡的關鍵。目前，主要有兩類磁性針尖用于自旋極化掃描隧道顯微鏡的實驗。一類是包裹型針尖，即在非磁性針尖(如：鎢針尖)外鍍上鐵或鉻等磁性金屬薄膜。但是，制備這類針尖的方法繁瑣，針尖的質量也不穩定。并且，針尖上包覆的磁性金屬薄膜在隧道結電場作用下容易脫落，因而使用壽命較短。另一類針尖則是直接使用鎳、鐵、鉻等鐵磁或反鐵磁材料，通過電化學腐蝕的方法制備而成。這其中以鎳針尖為例，有以下優勢：首先，作為鐵磁性單質材料，鎳針尖可以實現隧道電流的自旋分辨，這一點可以滿足自旋極化掃描隧道顯微鏡對于針尖的要求；其次，鎳的延展性好，可以用不同直徑的鎳絲制備掃描隧道顯微鏡針尖，可用于不同廠商開發的各種型號的掃描隧道顯微鏡；最后，鎳的化學性質穩定，在空氣中不容易與氧氣等氣體發生反應，其氧化程度大大低于現在普遍使用的鎢針尖，因此其在空氣中具有壽命長，穩定性高的優點，便于保存，同時也可以在大氣中直接工作，進行不同的掃描隧道顯微鏡實驗。因此，有必要發展一種簡單、高效、低成本的方法和裝置，制備可用于自旋極化掃描隧道顯微鏡的鎳針尖。

關于制備鎳針尖制備的方法有很多種，其中，直流電化學腐蝕是目前最成熟的方法之一。這種方法，將鎳絲穿過一個小的鉑制圓環，接于一個直流電源的正極，然后將鉑環用導線接入直流電源的負極。將圓環浸沒于1.5mol/L的氯化鉀溶液后拉起，由于液面的張力作用，在圓環中會形成一層液膜，這時在正負極之間加以直流電壓，液膜處鎳絲經過腐蝕逐漸變細，形成連頸。最后，液膜處的連頸在電化學腐蝕和液面以下那部分鎳絲(或者鎳絲下面加掛的重物)重力的共同作用下最終斷開，從而形成針尖。

以上是用鎳針尖舉例。事實上，傳統直流電化學腐蝕金屬針尖，特別是磁性金屬針尖的方法在裝置和操作上都較為繁瑣，由于電化學反應需要液膜平穩，所以外界的環境，特別是振動和氣流對反應的影響較大，嚴重時可阻礙反應進行。而且，電化學反應速度難以提升，使得反應時間較長。此外，溶液中的陰離子與金屬電化學反應的產物會覆蓋在金屬絲表面，使得反應進程變慢。金屬絲表面的反應產物累積到一定程度，就會從表面脫落進入溶液中，使得金屬絲表面重新露出來，反應進程重新加快。這樣在金屬絲表面反應產物的周期性沉積和脫落，使得電化學反應的進程時快時慢，表現為腐蝕電流的震蕩，造成反應不穩定，從而導致針尖成品率較低，質量不穩定。

發明內容

鑒于此，本發明的目的是提供一種電化學制備掃描隧道顯微鏡金屬針尖，特別是磁性金屬針尖的裝置及方法。