[发明专利]一种可控长径比的钨丝针尖的制备装置及制备方法

说明书

本发明公开一种可控长径比的钨丝针尖的制备装置及制备方法，包括电动位移装置、电化学池、控制电路；所述电动位移装置固定待制备钨丝并可控制调节所述待制备钨丝在所述电化学池内的位置使所述待制备钨丝在所述电化学池内做提拉往复振动，所述控制电路与所述电动位移装置、所述电化学池连接形成刻蚀电路从而实现对所述电化学池内所述待制备钨丝的刻蚀；本发明利用提拉往复振动对所述待制备钨丝进行电化学刻蚀加工，通过所述提拉往复振动使电化学刻蚀产生的电化学产物加快向所述电解液中扩散，减小所述待制备钨丝端部形成区域的局部电化学产物浓度，以破坏抑制电化学反应速度的扩散层的形成，从而可提高电化学刻蚀的加工效率。

技术领域

本发明涉及扫描探针制备技术领域，具体涉及一种可控长径比的钨丝针尖的制备装置及制备方法。

背景技术

发射针尖是场发射电子枪的重要组成部分。了解并掌握针尖的制作，并且控制不同长径比的针尖可改变针尖的使用特性，大长径比的针尖可以使电力线的压缩更明显，可以得到发散角度小的发射像，对充分发挥场发射电子启动快、亮度高、小束斑和能量分散小等优点是重要的因素；同样的，金属针尖除了在场发射技术领域的应用外，还可以应用在扫描针尖显微技术和针尖增强拉曼光谱技术等领域。

现有技术中，制备针尖的研究方法有机械成型法、离子束铣削法、电子束沉积法、场致蒸发法等，但是，这些方法都存在各自的局限性。电化学刻蚀法由于是以电化学反应的形式去除材料，电化学刻蚀法因经济、方便、高效、加工参数容易控制的优点，经常用于针尖的制备。目前电化学刻蚀法已被应用于制备纳米尺度小于20nm的针尖状针尖，但是对于大长径比纳米针尖的制备方法还比较有限。国内有学者提出了一种利用制备大长径比纳米针尖的方法，具体的，在电化学刻蚀的同时，通过缓慢提拉钨丝以获得大长径比的纳米针尖。在该方法中，钨丝振动速度一般设为1～10μm/s，故需要较为昂贵的微动平台采用小参数进行加工，不能消除溶液中扩散层的影响，加工效率低下，加工出的纳米针尖有一定锥度或连续台阶，结果一致性差。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种可控长径比的钨丝针尖的制备装置，包括电动位移装置、电化学池、控制电路；所述电动位移装置固定待制备钨丝并可控制调节所述待制备钨丝在所述电化学池内的位置使所述待制备钨丝在所述电化学池内做提拉往复振动，所述控制电路与所述电动位移装置、所述电化学池连接形成刻蚀电路从而实现对所述电化学池内所述待制备钨丝的刻蚀；

所述电动位移装置包括电动滑台、步进电机驱动器、步进电机控制器、手动滑台、L型支架、测微头和针尖夹具，所述步进电机驱动器通过所述步进电机控制器连接所述电动滑台上的步进电机，所述步进电机驱动器和所述步进电机控制器带动并控制所述电动滑台做竖直方向的上下移动，所述手动滑台固定在所述电动滑台上，所述手动滑台通过所述L型支架固定连接所述针尖夹具；所述针尖夹具固定所述待制备钨丝。

较佳的，所述控制电路包括直流电源、电流采样电路、电压放大电路、A/D转换电路、FPGA核心控制电路、显示输入电路及开关控制电路；所述电流采样电路用于将所述刻蚀电路中的电流信号转换成电压信号；所述电压放大电路对所述电流采样电路转化后的所述电压信号进行放大；所述A/D转换电路对所述电压放大电路的输出信号进行A/D转换；所述FPGA核心控制电路分别与所述A/D转换电路、所述显示输入电路、所述开关控制电路相连。所述显示输入电路用于实时显示所述刻蚀电路中的实时有效电流值并提供人机交互输入；所述开关控制电路响应所述FPGA核心控制电路的控制信号，可快速切断或连通所述刻蚀电路。

较佳的，所述电化学池包括电极、容器及电解液；所述电解液设置在所述容器中，所述电极放置在所述电解液内，所述针尖夹具夹取所述待制备钨丝放置在所述电解液内，所述直流电源的正负极通过所述控制电路分别与所述电极和所述针尖夹具连接，从而形成所述刻蚀电路。