基于電化學液膜法腐蝕制備STM鎢探針的研究*

馬玉麟,丁 召,王 一,郭 祥▲

(1貴州大學 大數(shù)據(jù)與信息工程學院,貴州 貴陽 550025;2貴州省微納電子與軟件技術重點實驗室,貴州 貴陽 550025;3半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心,貴州 貴陽 550025)

0 引言

純鎢金屬絲具有硬度高、熔點高、常溫下不受空氣侵蝕、化學性質比較穩(wěn)定等優(yōu)點,常用作制備掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,STM)的金屬探針[1～3]。目前基于電化學腐蝕制備鎢探針的方法主要有兩種:溶液腐蝕[4～6]和液膜腐蝕[7～8]。溶液法的缺點是針尖不夠尖銳,針尖曲率不易控制,探針浸入溶液長度不精確,而液膜法很好地彌補了前者的不足。本文采用垂直液膜法制備鎢探針,通過控制變量法研究腐蝕電壓、薄膜下鎢絲長度等參數(shù)對探針質量的影響,旨在為液膜法制備高質量鎢探針提供實驗基礎。

1 實驗

1.1 實驗原理

圖1 垂直液膜法原理圖

(1)

陰極:2H2O + 2e-→H2↑ + 2OH-

(2)

(3)

圖2 OH-擴散示意圖 圖擴散示意圖

1.2 實驗器材與操作

實驗材料與儀器:2 mol/L的分析純級NaOH溶液、直徑為0.38 mm的金屬鎢絲、直徑為0.3 mm的不銹鋼絲、ITECH公司生產(chǎn)的型號為IT6932A自動量程直流電源、上海奮業(yè)公司生產(chǎn)的型號為ZL500LJT的透反射式正置金相顯微鏡。

液膜法制備鎢探針的裝置見圖4所示,將不銹鋼絲一端纏繞于鐵架臺并連接電源負極,另一端圍成直徑為6 mm的圓圈并水平放置;將金屬鎢絲一端纏繞于鐵架臺并連接電源正極,另一端垂直穿過不銹鋼圈圓心。玻璃杯放置于不銹鋼圈正下方,用于收集NaOH廢液。使用膠頭滴管在不銹鋼圈內滴入NaOH溶液,由于液體表面張力的作用,液滴會在不銹鋼圈內形成一層液膜。實驗以鎢絲為陽極,不銹鋼圈為陰極,NaOH液膜為電解質,進行電化學腐蝕。

圖4 液膜法制備鎢探針裝置示意圖

首先研究腐蝕電壓對探針的影響:從金屬鎢絲發(fā)生電化學反應的最小電壓開始做實驗,實驗采用直流電源,電解質為2 mol/L的NaOH溶液,液膜下鎢絲長度為2 mm,分別在2 V、3 V、4 V、5 V、6 V、7 V、8 V的電壓下制備了大量的針尖,使用純水清洗探針后,通過光學顯微鏡對針尖進行100倍和800倍放大,如圖5所示。

圖5 不同腐蝕電壓制備的鎢探針

其次研究液膜下鎢絲長度對探針的影響:實驗采用5 V直流電源,分別在超出液膜2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的長度下制備了大量針尖,使用純水清洗探針后,通過光學顯微鏡對針尖進行100倍和800倍放大,如圖6所示。

圖6 液膜下不同鎢絲長度制備的鎢探針

2 結果與討論

對不同腐蝕電壓下探針數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,如表1所示。 可以發(fā)現(xiàn):當電壓大于6 V時,制備探針所需時長較短,但電化學反應劇烈,過程中不銹鋼圈邊緣產(chǎn)生大量H2氣泡,由于圈內中心彎液面比圈邊緣的液膜要高,氣泡會向圈中心匯集,從而影響針尖的質量,制備的針尖錐面上毛刺現(xiàn)象嚴重,針尖整體對稱性差;當電壓小于3 V時,電化學反應平和,但探針制備較慢,針尖錐面對稱性較差;通過實驗比較,電壓選在4～5 V之間較合適。

表1 不同腐蝕電壓下探針數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對液膜下不同鎢絲長度所制備的探針進行統(tǒng)計,如表2所示。可以發(fā)現(xiàn):隨著液膜下鎢絲長度的增加,制備針尖時長縮短,這是因為液膜下鎢絲越長重力就越大,隨著電腐蝕的進行,當鎢絲連接處的抗拉強度不足以支撐液膜下半部分的重量時,鎢絲被拉斷,針尖形成;當液膜下鎢絲長度大于6 mm時,針尖錐面對稱性一般,且不再展現(xiàn)錐面弧度;當液膜下鎢絲長度小于2 mm時,針尖略遲鈍;通過實驗比較,液膜下鎢絲長度選在4 mm較合適。

表2 超出液膜不同長度下探針數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 結論

本文基于電化學腐蝕原理,使用垂直液膜法制備鎢探針,研究了腐蝕電壓、液膜下鎢絲長度等參數(shù)對探針質量的影響。在大量實驗的基礎上確定了液膜法制備探針的最佳參數(shù)值,當使用2 mol/L的NaOH溶液作為液膜時,最佳腐蝕電壓為5 V、液膜下最佳鎢絲長度為4 mm,在此參數(shù)下制備出的針尖尖銳、錐面對稱性好。