低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針工藝的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明的一種利用低頻振動液膜制備大長徑比納米探針的方法，屬于微細電化學加工，納米技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002]納米探針是指尺度為0~100nm的針尖，可應用于掃描隧道顯微鏡探針，微操作工具(原子操縱)，細胞無損檢測，微機電系統(tǒng)，微電子及微納加工等應用領域。
[0003]目前電化學刻蝕法是制備金屬納米探針的主要途徑。電化學刻蝕法是一種利用在電化學反應過程中以離子形式去除陽極材料的方法。此外，電化學刻蝕法是一種無接觸式加工，加工過程中不存在機械應力及熱影響區(qū)域，適合于加工納米尺度金屬探針。電化學刻蝕法已被應用于制備納米尺度(~20nm)的針尖狀探針，但是對于大長徑比納米探針的制備還亟待研宄。西南大學王俊忠等人利用電化學刻蝕法制備了納米級STM探針(崔慶國，等，利用下端腐蝕法制備納米級STM探針，西南大學學報(自然科學版)，33，39-44(2011).)。由于液膜厚度和電解產(chǎn)物的影響，該方法主要用于制備尖錐狀納米探針。專利“201310559159.2，亞微米球頭電極制備裝置及方法”利用高頻脈沖電源對位于液膜中心的鎢絲進行電解刻蝕加工，使液膜位于金屬圓環(huán)上。上述專利主要利用高頻脈沖電源特性，利用鎢絲斷裂成兩個尖端時產(chǎn)生的瞬間微放電熔融、冷凝過程制備亞微米尺度的球頭工具。南京航空航天大學提出了制備大長徑比納米探針的方法(Y.Wang, N.Qu, Y.Zeng,X.Wu and D.Zhuj The fabricat1n of high—aspect—rat1 cylindrical nano toolusing ECMj Internat1nal Journal of Precis1n Engineering and Manufacturing,14，2179-2186 (2013).)，利用附著在金屬圓環(huán)上的液膜作為電解液，并使鎢絲做上下直線往復運動制備大長徑比納米工具。該方法鎢絲運動速度一般設為I ym/s，并采用小參數(shù)進行加工，因此不能消除擴散層的影響且加工效率低下，加工出納米探針仍有一定錐度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高效率、可控性好的制備大長徑比納米探針的工藝方法。
[0005]一種低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針工藝，包括以下步驟，步驟1、將微米級鎢棒安裝在夾頭中；步驟2、用滴管將堿性電解液滴在金屬圓環(huán)上形成液膜；其中液膜的厚度通過控制所滴于金屬圓環(huán)電解液的體積進行調(diào)節(jié)；步驟3、使微米級鎢棒穿過金屬圓環(huán)的中心，并使探針接收容器處于微米級鎢棒的正下方；其特征在于:步驟4、直流電源的正負極分別與微米級鎢棒和金屬圓環(huán)連接，接通電源并使金屬圓環(huán)做低頻往復振動，帶動液膜做低頻正弦上下往復振動，其中頻率:5~100Hz，幅值:0.05-0.15mm。
[0006]所述的低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針工藝，其特征在于:上述其中所述微米級鶴棒直徑為0.2-0.5mm，金屬圓環(huán)的直徑為6~10mm ;液膜厚度為2~5mm ;使微米級鶴棒(6)穿過金屬圓環(huán)的中心，并使金屬圓環(huán)下部的下端鶴棒長度為10~20_，設定直流電源電壓為3~5V。
[0007]可見，本發(fā)明的特征在于利用低頻振動的液膜進行電化學刻蝕大長徑比納米探針。本發(fā)明利用電化學刻蝕法制備大長徑比納米探針，其中金屬圓環(huán)作為陰極，穿過金屬圓環(huán)的鎢棒作為陽極，附著在金屬圓環(huán)上的液膜作為電解液，其中電解液為堿性溶液(如NaOH, KOH溶液)。直流電源的正負極分別連接到鎢棒與金屬圓環(huán)。當接通直流電源時，并使液膜隨著金屬圓環(huán)做低頻正弦往復運動。電化學刻蝕過程中，鎢棒和電解液的界面處產(chǎn)生的電解產(chǎn)物附著在鎢棒表面并在重力的作用下向下移動形成上薄下厚的擴散層。擴散層的存在降低了電解液的導電率，從而使刻蝕速率降低。電化學刻蝕速率與擴散層的厚度近似成反比關系，擴散層增大了利用電化學刻蝕法制備大長徑比納米探針的難度。
[0008]本發(fā)明利用低頻往復振動液膜進行電化學刻蝕加工，其中低頻正弦振動振動液膜的作用包括:(I)振動液膜可增強電解液中離子的運動速度，提高了陽極與電解液界面的離子交換速度，因此可提高電化學刻蝕的加工效率；(2)使產(chǎn)生的電解產(chǎn)物加快向電解液中擴散，破壞了擴散層的形成，從而減小了擴散層的影響；(3)可使鎢棒與液膜的相對位置做周期性的變化，擴大了刻蝕加工區(qū)域，利于大長徑比納米探針的成形。隨著電化學刻蝕過程的進行，使位于液膜中鎢棒的直徑不斷減小。當位于液膜中的鎢棒的直徑減小到一定值時，鎢棒在下端重力的作用下斷裂，形成兩個針尖。收集下端針尖作為大長徑比納米探針。
[0009]本發(fā)明主要控制參數(shù)為低頻振動頻率與幅值。若振動頻率低于5Hz，則液膜振動速率較低，不利于電解產(chǎn)物的擴散及阻礙擴散層的形成。若振動頻率大于100Hz，電解液中離子的運動速度的增大使電化學刻蝕速率遠大于電解產(chǎn)物的擴散速度，從而形成附著在鎢棒刻蝕區(qū)域的擴散層，不利于大長徑比納米探針的形成。增大液膜振動幅值有利于電解液中離子的交換運動，利于電解產(chǎn)物的擴散。若振動幅值高于0.15mm，則電化學刻蝕區(qū)域增大，不利于加工過程的穩(wěn)定性和大長徑比納米探針的制備。次要控制參數(shù)包括金屬圓環(huán)的直徑，鶴棒直徑和液膜厚度等。例如金屬圓環(huán)的直徑為6~10_，若金屬圓環(huán)直徑大于10_，則不利于液膜的穩(wěn)定形成。
[0010]
【附圖說明】
[0011]圖1是利用低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針的裝置示意圖；
圖2是采用靜態(tài)液膜與低頻振動液膜電化學刻蝕納米探針對比示意圖；
圖3是不同幅值下所制備的大長徑比納米探針的掃描電子顯微鏡照片；
圖4是不同振動頻率下所制備的大長徑比納米探針的掃描電子顯微鏡照片；
圖中標號名稱:1、壓電運動平臺，2、電主軸，3、夾頭，4、探針收集容器，5、金屬圓環(huán)，6、鎢棒，7、液膜，8、電流探頭，9、直流電源，10、下端鎢棒，11、采用靜態(tài)液膜電化學刻蝕的探針形狀，12、液膜振動方向，13、采用低頻振動液膜電化學刻蝕的探針形狀，14、擴散層。
【具體實施方式】
[0012]根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針工藝的裝置主要包括安裝于壓電運動平臺I上的金屬圓環(huán)5，安裝在夾頭3中的鎢棒6以及附著在金屬圓環(huán)5上的液膜7，其中夾頭3安裝在電主軸2的前端轉(zhuǎn)接口中。直流電源9的正負極分別與鎢棒6和金屬圓環(huán)5連接。電流探頭8測量電化學刻蝕過程中的電流。
[0013]圖2所示為是采用靜態(tài)液膜與低頻振動液膜電化學刻蝕納米探針原理對比示意圖。當采用靜態(tài)液膜進行電化學刻蝕納米探針時，由于擴散層14的影響使采用靜態(tài)液膜電化學刻蝕的探針形狀11呈針狀。反之，采用低頻振動液膜電化學刻蝕納米探針時，擴散層14不能形成，使采用低頻振動液膜電化學刻蝕的探針形狀13的長徑比增大。
[0014]圖3是不同幅值下所制備的大長徑比納米探針的掃描電子顯微鏡照片，其中(a)采用低頻正弦振動幅值為0.05mm時制備的納米探針，(b)采用低頻正弦振動幅值為0.15mm時制備的納米探針，其他參數(shù)為:電壓4V，電解液:IM KOH溶液，液膜厚度:4mm，鎢棒直徑:0.2mm，金屬圓環(huán)直徑:8mm，下端鶴棒(位于金屬圓環(huán)下部鶴棒)長度:20mm，振動頻率1Hz ；
圖4是不同振動頻率下所制備的大長徑比納米探針的掃描電子顯微鏡照片，其中(a)采用低頻正弦振動頻率為5Hz時制備的納米探針，(b)采用低頻正弦振動頻率為10Hz時制備的納米探針，其他參數(shù)為:電壓4V，電解液:1M KOH溶液，液膜厚度:4mm，鎢棒直徑:0.2mm，金屬圓環(huán)直徑:8mm，下端鶴棒(位于金屬圓環(huán)下部鶴棒)長度:20mm，振動幅值為0.1mm ；
本發(fā)明“低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針工藝”的操作過程為:
(1)將直徑為0.2-0.5mm鎢棒6安裝到夾頭3中，并將夾頭3安裝到電主軸2的轉(zhuǎn)接口中；
(2)用滴管將電解液滴于金屬圓環(huán)5(直徑6~10mm)上形成穩(wěn)定的液膜7，并使液膜厚度為2~5mm ；
(3)使鎢棒6穿過液膜7，調(diào)整下端鎢棒10的長度為10~20mm；
(4)開啟壓電運動平臺1，使其運動模塊做正弦振動(頻率:5~100Hz，幅值:
0.05-0.15mm)，從而帶動金屬圓環(huán)5和液膜7振動；
(5)開啟直流電源9，設定電壓值為3~5V。
[0015]經(jīng)過一段時間電解刻蝕加工后，鎢棒斷裂為兩部分，其中下端鎢棒10掉入探針收集容器4中，收集容器中的探針并用蒸餾水和酒精對其進行清洗。
【主權(quán)項】
1.一種低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針工藝，包括以下步驟，步驟1、將微米級鎢棒(6)安裝在夾頭(3)中；步驟2、用滴管將堿性電解液滴在金屬圓環(huán)(5)上形成液膜(7);其中液膜(7)的厚度通過控制所滴于金屬圓環(huán)(5)電解液的體積進行調(diào)節(jié)；步驟3、使微米級鎢棒(6)穿過金屬圓環(huán)(5)的中心，并使探針接收容器(4)處于微米級鎢棒(6)的正下方；其特征在于:步驟4、直流電源(9)的正負極分別與微米級鎢棒(6)和金屬圓環(huán)(5 )連接，接通電源并使金屬圓環(huán)(5 )做低頻往復振動，帶動液膜(7 )做低頻上下往復振動，其中頻率:5~100Hz，幅值:0.05-0.15mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針工藝，其特征在于:上述其中所述微米級鶴棒(6)直徑為0.2-0.5mm，金屬圓環(huán)(5)的直徑為6~10mm ;液膜厚度為2~5mm ;使微米級鶴棒(6)穿過金屬圓環(huán)(5)的中心，并使金屬圓環(huán)(5)下部的下端鎢棒(10)長度為10~20mm，設定直流電源(9)電壓為3~5V。
【專利摘要】一種利用低頻振動液膜電化學刻蝕大長徑比納米探針的工藝，將微米級鎢棒安裝在夾頭中，用滴管將堿性電解液滴在金屬圓環(huán)上形成液膜，并使微米級鎢棒穿過金屬圓環(huán)（液膜）的中心。直流電源的正負極分別與微米級鎢棒和金屬圓環(huán)連接，接通電源并使安裝于壓電運動平臺上的金屬圓環(huán)做低頻往復振動，帶動液膜做低頻正弦往復運動（頻率：5~100Hz，幅值：0.05~0.15mm）以制備大長徑比納米探針。
【IPC分類】B23H9-00, B23H3-00
【公開號】CN104816055
【申請?zhí)枴緾N201510171451
【發(fā)明人】王玉峰, 曾永彬, 朱荻
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月13日