[发明专利]一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法

说明书

本发明公开了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法。该方法通过对导电原子力显微镜(C‑AFM)探针针尖施加一定的直流偏压，使二元过渡金属氧化物薄膜在与探针接触的界面处产生离子电化学反应，通过控制偏压的幅值、施加次数和针尖作用区域及扫描次数，实现对二元过渡金属氧化物薄膜不同形状的纳米图形加工。本发明不但具有纳米级加工精度、加工流程简便、超低能耗、无污染、不需要掩膜版等优点，并且本发明的方法降低了对探针针尖的物理损伤。

技术领域

本发明公开了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，属于微纳米结构加工领域，涉及纳米离子学领域。

背景技术

微纳米结构加工技术是一种在微米及其以下尺度的加工细微结构的技术，最早应用于集成电路的制备。近些年，不断发展的微纳米结构加工技术被广泛应用于信息存储、生物、航空航天等领域。

传统的微纳米结构加工技术包括光学曝光技术、电子束曝光技术、聚焦离子束加工技术、激光加工技术等。然而，复杂的加工过程、昂贵的加工设备、微米尺度的加工范围等缺点限制了微纳米结构加工技术的进一步发展。

随着纳米技术的快速发展，扫描探针显微镜技术被广泛应用于微纳米结构加工领域。基于扫描探针显微镜探针针尖与样品表面之间的化学作用的纳米图形加方法主要依赖于阳极氧化和摩擦化学氧化。例如Zhiwen Shi等人利用C-AFM技术通过阳极氧化对石墨烯进行了不需要电极的纳米图形加工(Nano letters,2018,18(12):8011-8015)，但是这种纳米图形加工方法却很难应用于过渡金属氧化物薄膜材料。基于扫描探针显微镜探针针尖与样品表面之间的物理作用的纳米图形加工方法主要有纳米压痕、机械刻画。例如Jin KonKim等人使用AFM 探针在室温下制作了极高密度的高聚物纳米压痕阵列(Naturenanotechnology,2009,4(11):727)，但是这种加工方法在加工过程中会对探针造成严重的物理损伤。因此，针对过渡金属氧化物薄膜基纳米器件的需求，有必要发展一种基于扫描探针显微镜技术的简便、精确且对探针物理损伤小的微纳米结构加工方法。

发明内容

本发明根据纳米离子学中电场作用下离子迁移及在界面处可发生电化学反应的性质，结合先进的C-AFM技术对二元过渡金属氧化物薄膜进行纳米图形加工。具体包括以下步骤：

S1、将样品放置于样品台上，通过导线将C-AFM探针、样品、样品台、电压源连成回路。

S2、使用C-AFM扫描指定区域的形貌并选取所要加工的位置。

S3、为C-AFM探针针尖施加直流偏压，使样品与针尖接触的界面处发生离子电化学反应，通过控制偏压的幅值、施加次数和针尖作用区域及扫描次数，实现对二元过渡金属氧化物薄膜不同形状的纳米图形加工。

本发明提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法， C-AFM探针为表面镀有一层金属膜的具有导电能力的普通AFM探针。

本发明提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，由C-AFM探针、样品、样品台、导线、电压源连成的回路中，将样品台接地。

本发明提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，电压幅值、施加次数、针尖作用区域及扫描次数由可编程的电压源设置及控制。

本发明提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，针尖作用区域分为点和面两种类型。点为针尖直接接触样品中的某一点所确定的接触区域，面为AFM接触模式下扫描样品表面形貌时所确定的矩形区域。