本發(fā)明屬于原子力顯微鏡的測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種原子力顯微鏡探針針尖修飾方法。

背景技術(shù)：

隨著材料領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，探究材料表面微觀形貌以及微觀特性變得越來(lái)越重要，借助掃描探針顯微鏡可以獲得原子級(jí)分辨率的圖像。原子力顯微鏡（AFM）作為掃描探針顯微鏡的一種，利用其探針針尖原子與樣品表面原子之間的吸引力和排斥力來(lái)獲得高分辨率圖像，AFM不僅僅是樣品表面高分辨率成像的一種工具，還可以應(yīng)用于獲得原子力與距離的關(guān)系曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)力曲線。它能提供材料表面的局部性能，如彈性、硬度、粘附力和表面電荷密度等有價(jià)值信息。AFM探針作為原子力顯微鏡的核心部件，其尖銳程度直接決定了成像的橫向分辨率，探針針尖修飾碳納米管是目前的一個(gè)研究方向；而另一個(gè)發(fā)展方向就是探針針尖的功能化修飾，通過(guò)在針尖修飾特定的物質(zhì)，可以定性定量測(cè)量各種表面力，為特定基團(tuán)間的相互作用力的測(cè)量提供了方法，并可以改善表征微觀形貌的清晰度。

普通探針的基底材料為Si₃N₄或Si，目前在探針針尖修飾碳的形式主要有兩種，碳納米管和類(lèi)金剛石碳鍍膜，這兩種針尖修飾的目的也不同。通過(guò)CVD法可以制備單壁碳納米管探針，碳納米管的高橫縱比結(jié)構(gòu)、小的曲率半徑、高的楊氏模量可以提高原子力顯微鏡成像的橫向分辨率；Carpick（Carpick R W, Sridharan K, Sumant A V. DIAMOND-LIKE CARBON COATED NANOPROBES: US, US20110107473[P]. 2011.）等人通過(guò)等離子體化學(xué)氣相沉積在探針針尖鍍一層5~60 nm厚的類(lèi)金剛石碳層，用以提高針尖的耐磨性。這些方法雖然也達(dá)到了功能化修飾的目的，但是操作設(shè)備要求高，且需要專(zhuān)業(yè)操作，工藝復(fù)雜。若僅僅是為了滿足在探針針尖包覆有碳的目的，則需要更為簡(jiǎn)便的方法對(duì)探針進(jìn)行修飾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、操作簡(jiǎn)單的原子力顯微鏡（AFM）探針針尖修飾方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種原子力顯微鏡探針針尖修飾方法，包括以下步驟：

1）配制可溶性有機(jī)物的水溶液。

2）將AFM探針浸入步驟1）配制的水溶液中靜置30min。在靜置過(guò)程中，這有利于可溶性有機(jī)物的水溶液充分地浸潤(rùn)AFM探針，使可溶性有機(jī)物充分地與AFM探針接觸并附著在其表面。

3）取出所述的AFM探針，置于設(shè)定環(huán)境下干燥1~2h，以使水分蒸發(fā)，讓可溶性有機(jī)物沉積在AFM探針表面。

4）將干燥后的AFM探針浸入脫水碳化劑中靜置30min，使沉積在AFM探針表面的可溶性有機(jī)物進(jìn)行脫水碳化反應(yīng)，去除H、O元素的同時(shí)生成無(wú)定形碳，以實(shí)現(xiàn)碳包覆的目的。

5）將AFM探針取出，并用乙醇清洗來(lái)除去脫水碳化劑，然后置于大氣環(huán)境下干燥至恒重，即得到碳包覆修飾的AFM探針針尖。

其中，步驟1）配制的可溶性有機(jī)物的水溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3~5wt%的葡萄糖水溶液。由于葡萄糖是一種單糖，其分子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、性質(zhì)穩(wěn)定，進(jìn)行脫水碳化時(shí)更容易形成較薄的無(wú)定形碳層。如果用蔗糖這類(lèi)雙糖或者多糖，由于分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，脫水碳化反應(yīng)不易反應(yīng)完全，碳包覆的效果不理想。

而步驟4）中所述的脫水碳化劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%的濃硫酸，這主要是從成本考慮，濃硫酸是較為常用的脫水碳化劑，性質(zhì)穩(wěn)定，反應(yīng)后的有害產(chǎn)物較少。

步驟3）中，當(dāng)所述的設(shè)定環(huán)境為60℃的真空干燥箱，干燥時(shí)間為1h；當(dāng)所述的設(shè)定環(huán)境為室溫大氣環(huán)境，干燥時(shí)間為2h。

為了精確控制碳包覆修飾的操作過(guò)程，防止AFM其他部分浸入溶液中，步驟2）的操作為：將AFM探針固定在注射器針尖上，使所述AFM探針針尖處于最前端，將注射器夾在接觸角測(cè)試儀上，使注射器向下移動(dòng)到AFM探針針尖沒(méi)入步驟1）配制的水溶液中并靜置30min。

對(duì)應(yīng)的，步驟3）的操作為：取出注射器，使所述AFM探針針尖保持向下，置于60℃的真空干燥箱中干燥1h。

所述的AFM探針是基底為Si₃N₄的AFM探針。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明采用有機(jī)質(zhì)碳化法成功的在AFM探針針尖包覆了很薄的一層無(wú)定形碳，為特定基團(tuán)間的相互作用力的測(cè)量提供了方法，經(jīng)有機(jī)質(zhì)碳化修飾的探針進(jìn)行多次AFM形貌掃描后依然能夠獲得穩(wěn)定清晰的圖像，對(duì)特定樣品表面做力曲線時(shí)，與未修飾探針?biāo)隽η€產(chǎn)生一定程度差異。與現(xiàn)有的通過(guò)氣相化學(xué)沉積法在探針針尖表面包覆碳的方法相比，具有工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，無(wú)需借助大型精密儀器，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例3中修飾前Si₃N₄的AFM（原子力顯微鏡）探針針尖的SEM（電鏡掃描）圖；

圖2為實(shí)施例3中修飾后Si₃N₄的AFM探針針尖的SEM圖；

圖3為采用修飾前的Si₃N₄的AFM探針針尖掃描高定向石墨的形貌表征圖；

圖4為采用實(shí)施例3修飾后的Si₃N₄的AFM探針針尖掃描高定向石墨的形貌表征圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

采用以下步驟對(duì)原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱(chēng)取0.05g葡萄糖溶于0.95mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)5wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM（原子力顯微鏡）探針直接浸入（1）中的葡萄糖溶液中，靜置30min，取出；

（3）將取出的探針在真空干燥箱中60℃條件下干燥1h；

（4）將干燥后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干。

實(shí)施例2

采用以下步驟對(duì)原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱(chēng)取0.05g葡萄糖溶于0.95mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)5wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM探針直接浸入（1）中的葡萄糖溶液中，靜置30min；

（3）取出后自然晾干2h；

（4）將晾干后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干。

實(shí)施例3

采用以下步驟對(duì)原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱(chēng)取0.05g葡萄糖溶于0.95mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)5wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM探針（其SEM圖見(jiàn)圖1）固定到注射器針尖上，探針針尖處于最前端，將注射器夾在接觸角測(cè)試儀上，通過(guò)觀察監(jiān)視器，注射器緩慢向下移動(dòng)到探針針尖剛好沒(méi)入（1）中的葡萄糖溶液中停止，靜置30min；

（3）取出注射器將探針針尖的錐尖保持向下并在真空干燥箱中60℃條件下干燥1h；；

（4）將干燥后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干，得到碳包覆修飾的AFM探針針尖，其SEM圖見(jiàn)圖2。

實(shí)施例4

采用以下步驟對(duì)原子力顯微鏡（AFM）探針針尖進(jìn)行碳包覆修飾：

（1）稱(chēng)取0.03g葡萄糖溶于0.97mL去離子水中，用玻璃棒攪拌使其溶解，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)3wt%的葡萄糖溶液；

（2）將基底為Si₃N₄的AFM探針直接浸入（1）中的葡萄糖溶液中，靜置30min，取出；

（3）將取出的探針在真空干燥箱中60℃條件下干燥1h；

（4）將干燥后的探針浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90~98wt%濃硫酸中靜置30min；

（5）取出探針用少量乙醇清洗后自然晾干。

實(shí)施例5

采用未修飾的Si₃N₄針尖和實(shí)施例3的方法修飾過(guò)的Si₃N₄針尖分別對(duì)高定向石墨進(jìn)行掃描以獲得形貌表征圖，分別為圖3和圖4所示，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)圖3整體較為平整均勻，而圖4顯示出顏色存在一定變化，即表明作用力的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)修飾和未修飾的探針在測(cè)量高定向石墨表面形貌時(shí)會(huì)有差別，用修飾后的探針進(jìn)行掃面，能夠獲得更多的細(xì)節(jié)特征。經(jīng)修飾過(guò)后，表面形貌深淺程度也會(huì)發(fā)生改變，證明存在作用力變化，但基本特征不會(huì)發(fā)生改變，這保證了測(cè)量的完整性。

由此可以證明，修飾過(guò)的Si₃N₄針尖在保證了原有Si₃N₄針尖的功能的基礎(chǔ)上，可以獲得新的性能，這為材料表面性能的研究有著十分重要的意義。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動(dòng)。這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。