[发明专利]一种快速原位放电修整加工STM探针的方法

说明书

本发明涉及一种快速原位放电修整加工STM探针的方法，STM扫描样品表面后，进行原位的探针针尖修整加工：将STM探针作为阳极，样品作为阴极，控制纳米尺度的极间加工间距，在两极间施加短脉冲的直流电压，形成纳米尺度的放电通道，蚀除探针针尖的边缘材料，提高针尖的尖锐度。与现有技术相比，本发明不但可以实现STM探针的尖锐化，从而提高STM扫描成像的分辨率，而且在整个探针的修整加工过程中，不需要进行探针的装夹和重复定位，在STM装置中选定区域后原位地进行即可，提高了加工效率，操作方便且快速。

技术领域

本发明涉及纳米加工领域，具体的说是一种快速原位放电修整加工STM探针的实现方法。

背景技术

扫描探针显微镜（STM）是一种纳米尺度的表面形貌扫描成像和检测设备，可以达到原子尺度的空间分辨率。STM测量利用的是隧道电流可以随针尖与局域样品表面间距离发生极其灵敏的变化，该隧道电流-高度曲线通常是呈指数级的变化。目前，除了作为重要的测量工具，STM还被用于作为纳米加工刻蚀的工具，应用广泛。

无论STM是用于测量，还是用于纳米加工操作，都需要利用极其尖锐的STM探针针尖才能够实现。STM探针针尖的几何形貌对成像的分辨率和精度有着重要的影响，一般针尖的曲率半径必须达到50 nm以下，才能够得到高分辨率的样品表面形貌测量结果。然而，在STM扫描测量或者加工刻蚀的过程中，探针的针尖由于反复扫描时的摩擦作用，不可避免地会发生磨损钝化和污染物的粘附，从而直接造成STM探针针尖的曲率半径变大，使得探针失效，无法清晰地成像。当STM探针失效后，通常需要更换新探针或修整原来的探针针尖，再装夹于STM的针尖座上，然后重新对指定的局域样品表面进行定位，这样的操作会引起如下的问题：

1）消耗大量的时间用于装夹和重新定位上，降低了加工效率；

2）修整探针针尖的材料去除量很小，属于微纳米尺度，加工难度大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不需要反复地进行探针的装夹，修整加工快速，且能原位检测修整后的探针针尖是否尖锐化的快速原位放电修整加工STM探针的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种快速原位放电修整加工STM探针的方法，其特征在于，STM扫描样品表面后，进行原位的探针针尖修整加工，运用纳米尺度的放电加工方法，控制纳米尺度的极间加工间距，施加在探针和样品两极间的电压大小以及电压作用的时间来蚀除探针针尖边缘的材料，提高针尖的尖锐度。

所述的纳米尺度的放电加工是通过以下方式实现：将STM探针作为阳极，样品作为阴极，在两极间施加短脉冲的直流电压，形成纳米尺度的放电通道，蚀除探针针尖的边缘材料。由于电场在钝化针尖的边缘处最为集中，因此纳米放电点产生在电场强度最大的边缘处，对针尖边缘的材料进行放电蚀除，从而使得针尖尖锐化。

所述的纳米尺度的极间加工间距的确定方法为：根据隧道电流-高度关系曲线确定初始的隧道间距，再驱动压电扫描驱动器，在z方向进行相对的位移，获得指定的纳米加工间距。根据实验得到，在大气环境下，纳米放电加工的电场强度阈值约为6.0 V/nm以上，所以加工间距应设定为小于施加的放电电压幅值除以电场强度阈值，才能获得放电蚀除加工；但是加工间距也不宜设置得过小，以免放电过于剧烈时，会造成整个针尖材料被去除，反而会使针尖曲率半径变得更大，针尖钝化被进一步地加剧。

所述的STM探针作为阳极，连接电源的正极，样品作为阴极接地，样品置于压电扫描驱动器上，通过压电扫描驱动器在z方向的移动，调节阳极与阴极之间的间距。

所述的隧道电流-高度（I-D）关系曲线为隧道电流随高度增加而呈指数衰减，近似的拟合曲线为I=C1×exp(-C2×D)，其中C1，C2为拟合常数；初始的隧道间距选取为0.6 ~1.6nm。