一种利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法与流程

1.本发明属于微纳米结构加工领域，涉及一种采用结构化金刚石探针加工纳米点阵的方法。


背景技术：

2.纳米级尺度的材料和特殊结构越来越广泛地应用于各个研究领域，尤其是在纳机电系统、纳米传感器和分子机械等领域的技术发展中起到至关重要的作用。纳米点或纳米凹痕作为材料空间尺寸的最小单位，也被定义为一维纳米结构，由于尺寸的优势通常被用于拉曼增强基底或进行信息存储。目前加工纳米点或纳米凹痕采用的加工手段主要为电子束加工、聚焦离子束、激光加工等传统微纳米加工手段，但是这些加工方法对加工环境要求严苛，同时设备仪器昂贵，增大了加工过程的成本。考虑到加工成本和加工效率等因素，基于原子力显微镜(afm)探针的加工技术可以在众多的材料表面加工纳米结构，并且具有低成本、高精度和操作简单的优势。然而采用该种方法为串行加工方法，加工纳米点阵需要进行多次压痕，严重影响了加工效率。因此，如何高效简单地加工纳米点阵成为一项亟需解决的难题。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法。该方法利用结构化探针加工纳米点阵，通过改变探针形状实现纳米点阵高效加工。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法，包括如下步骤：
6.步骤一、结构化探针的制备：
7.利用fib技术加工金刚石探针针尖，在探针尖端加工出凸起阵列，所述凸起阵列为矩形阵列或棱锥阵列；
8.步骤二、利用结构化探针加工纳米结构：
9.将步骤一制备的结构化探针安装在afm加工系统中的扫描陶管上，在敲击模式下，探针在扫描陶管驱动下以探针谐振频率沿垂直方向振动敲击样品，使样品发生变形，通过扫描陶管控制探针在x
‑
y平面运动，加工出纳米点阵，设定加工速度为100～1000μm/s。
10.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
11.(1)加工效率高：利用该技术一次压痕能够加工出多个纳米点，相比于单刀尖探针，该方法能够有效提高加工效率.
12.(2)采用敲击模式实现纳米点的高效加工：采用敲击模式下，当加工速度达到几百微米每秒时，探针在样品间往复循环作用，能够实现纳米点的快速加工。
13.(3)减小堆积效应叠加影响：当采用单个探针针尖进行加工时，相邻凹坑受到下一次探针挤压作用的影响使纳米点一致性较差，而采用结构化探针通过一次压痕即可加工出
纳米点阵，有效克服相邻压痕挤压作用的影响。
附图说明
14.图1为带有凸起阵列的结构化探针设计；
15.图2为结构化探针sem图；
16.图3为结构化探针在样品上加工纳米点阵；
17.图4为结构化探针加工过程；
18.图5为结构化探针加工纳米点阵afm形貌图，(a)为afm平面形貌图，(b)afm三维形貌图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
20.本发明提供了一种利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法，所述方法主要利用结构化探针，通过简单的压痕方式，实现纳米点阵的制作。具体步骤如下：
21.步骤一、制备结构化探针
22.(1)根据金刚石探针形状设计结构化探针，其结构主要由探针悬臂、探针和结构化针尖组成，如图1所示；
23.(2)将金刚石探针固定于fib加工环境内，为探针表面镀金以提高导电稳定性，根据所设计的结构化探针尺寸，通过氦离子束冲击金刚石针尖，得到带有凸起阵列的结构化探针，如图2所示，所加工出的凸起阵列的2
×
2的矩形阵列针尖，每次压痕中能够加工出形貌一致的矩形压痕阵列。
24.步骤二、在敲击模式下快速加工纳米点阵
25.(1)将制备好的结构化探针安装于探针夹上，使其固定于afm加工系统中的扫描陶管上，并放置样品于移动平台上，如图3所示；
26.(2)在敲击模式下，控制结构化探针在谐振频率振动，当扫描陶管x方向速度设置在100μm/s以上时，可以加工出分离的纳米点，加工过程如图4所示；
27.(3)在一行点阵加工完成后，扫描陶管控制y方向做步进进给；
28.(4)重复步骤(2)与步骤(3)，加工出纳米点阵。图5为加工后的形貌图。


技术特征：
1.一种利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、结构化探针的制备：利用fib技术加工金刚石探针针尖，在探针尖端加工出凸起阵列；步骤二、利用结构化探针加工纳米结构：将步骤一制备的结构化探针安装在afm加工系统中的扫描陶管上，在敲击模式下，探针在扫描陶管驱动下以探针谐振频率沿垂直方向振动敲击样品，使样品发生变形，通过扫描陶管控制探针在x
‑
y平面运动，加工出纳米点阵。2.根据权利要求1所述的利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤如下：将金刚石探针固定于fib加工环境内，为探针表面镀金，根据所设计的结构化探针尺寸，通过氦离子束冲击金刚石针尖，得到带有凸起阵列的结构化探针。3.根据权利要求1或2所述的利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法，其特征在于所述凸起阵列为矩形阵列或棱锥阵列。4.根据权利要求1所述的利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法，其特征在于所述步骤二中，设定加工速度在100～1000μm/s。

技术总结
本发明公开了一种利用带有凸起阵列的结构化探针加工纳米结构的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、利用FIB技术加工金刚石探针针尖，在探针尖端加工出凸起阵列；步骤二、将步骤一制备的结构化探针安装在AFM加工系统中的扫描陶管上，在敲击模式下，探针在扫描陶管驱动下以探针谐振频率沿垂直方向振动敲击样品，使样品发生变形，通过扫描陶管控制探针在X


技术研发人员：闫永达 李子翰 刘宇 耿延泉 胡振江
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2021.07.13
技术公布日：2021/10/19