本发明专利技术提供了一种基于碳纳米管和平面波导结构的原子力显微镜探针，属于微纳米技术领域。该原子力显微镜探针包括与原子力显微镜兼容的探针基底平台，附着于探针基底平台表面上的平面波导，以及作为探针针尖的碳纳米管。使用时将平面波导结构连接至高频（微波）测量仪器，并将整个探针安装至ＡＦＭ，通过ＡＦＭ的标准操作进行探针扫描或者定位，可以精确地测量样品的表面形貌，并同时原位测量样品的高频特性。特别是利用平面波导，可以进行信号损失很小的高频（微波）传输，而且作为针尖的碳纳米管具有优良的高频传输性能和力学特性，并可以通过生长条件的控制来调节其直径大小等特性，适于高精度的高频（微波）测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微/纳米测量
，具体涉及一种可安装于原子力显微镜(AFM) 的平面波导结构和碳纳米管针尖，该探针可对纳米结构材料、器件及各种软物质等样品同 时进行表面形貌、高频(至微波波段)电学性能等的测量。
技术介绍
在纳米尺度上，各种具有低维结构的材料及器件因其优良的特性及巨大的潜在应 用价值而备受关注，尤其是电学输运特性更是研究与应用的焦点。随着电学特性研究的深 入，利用直流的电学测量手段对纳米材料与器件进行研究和表征的方法逐趋成熟，相关的 物理机制包括各种输运模型也逐趋清晰。然而由于实验与理论上的复杂性，对于纳米结构材料及其器件的交流电学性能， 尤其是高频性能及测量的相关报道并不多，而高频性质(主要是射频及微波频段)则恰恰 是与自然界中各种物理、化学和生物等方面的现象广泛且紧密相关，例如研究碳纳米管作 为新一代集成电路的高性能传输线，必须对其高频信号的传输性能进行表征；又如神经电 信号以脉冲的形式在神经细胞表面传输，这种脉冲即属于高频信号；又如离子溶液中的不 同离子在高频电场下的不同响应及其机制。研究纳米尺度下材料与器件的高频特性不仅对 于物理、化学、生物等领域的基本原理和机制研究具有重要意义，而且在这些领域中将有着 广阔的应用前景。在纳米尺度上，由于材料和器件的尺寸限制，常规的电学测量方法很难进行直接 测量，而高频测量因其对各参数异常敏感而使测量更显困难。而微纳电子领域常见的引入 外接电极难免会对样品本身造成不可避免的影响乃至损伤，而对于软物质样品(如活体细 胞)的表征则更是无法实现，但采用原子力显微镜(AFM，Atomic Force Microscope)，利 用探针作为测量工具则可实现原位而无损的测量，不仅可以测量包括生物软物质在内的具 有不同表面性质的样品，而且具有极高的空间分辨率以满足对纳米尺度的精细测量。目 前已有 AFM 上高频探针的相关报道(A. Karbassi, C. A. Paulson, Y.Wang，A. Bettermann, and D.ff. van der Weide, Localized Microwave Measurement using AFM-Compatible Scanning Nearfield MicrowaveMicroscope Cantilever with Ultra-tall Coaxial Probe，，，2007IEEE Antennas and PropagationSociety International Symposium 3336-9，2008)，但常用AFM针尖材料(硅、氮化硅或金属等)的高频特性仍有欠缺，而且针 尖的直径较大、力学特性也不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原子力显微镜的AFM探针，可以对微纳米材料、器件 以及各种软物质(如生物细胞等)样品同时进行形貌、高频(至微波波段)电学性能测量。根据专利技术人前期的研究工作，发现碳纳米管具有相对更好的高频性能(S. Y. Xu*， Y. Yang, D. F. Pei, X. Zhao, Y. X. Wang, ff. Q. Sun, B. Ma, Y. Li, S. S. Xie, and L. M. Peng,Awaveguide-like effect observed in multi-walled carbon nanotubes, Adv. Funct. Mater.，2010，inpress.)，同时具有直径可控的特点，且碳纳米管力学特性优异，是制作探 针的理想材料。碳纳米管的制备方法已经十分成熟，通过在AFM悬臂梁前端放置催化剂颗 粒，再通过化学气相沉积方法(CVD，Chemical Vapor Deposition)就制出可用于探针针尖 的碳纳米管束(Neil R. Wilson and Julie V. Macpherson, Carbon nanotube tips for atomic force microscopy”，Nat. Nanotechnol. 4，483，2009)。若将聚合物覆盖在碳纳米管 的表面，即可确保扫描过程中碳纳米管束的机械稳固性，使其在扫描过程中不致散开。综上 所述，碳纳米管的高频特性理想、合成工艺成熟，将多壁碳管束制成AFM探针针尖的技术可 行，结合AFM自身高分辨、无损接触等特点，基于碳纳米管的AFM探针可以为纳米尺度的高 频测量提供有力的手段。另外，为了精确表征纳米材料、器件或其它样品在高频信号激励下的响应情况，高 频测量需要将AFM的碳管束针尖与外接高频信号源或示波器相连，须解决介观到宏观尺度 的转换问题，需要利用微纳加工手段制作能够稳定传输的波导进行连接。在物理、化学和生 物等领域，相关的高频研究主要以射频及微波波段为主，频率范围大致为30KHz到300GHz， 为实现相关的测量则需要低损耗、具有精确参数的精密高频结构。目前，在微小尺度上的高 频传输通常采用共面波导结构，即典型的GSG(地线-信号线-地线，电磁波在信号线与地 线之间传输)结构。由高频传输理论，通过计算信号线的宽度和间距，可精确预测波导的传 输特性(如特征阻抗、频响特性等)，并由此优化波导的设计以实现阻抗匹配，保证信号高 效传输。在确定结构后，利用标准的微纳加工工艺(光刻、镀膜等)即可在AFM的探针表面 实现波导，并与其上生长的碳纳米管束针尖相连，最后将导入高频导线或微波接口与外接 测试系统相连即可完成整个测量系统的搭建。本专利技术包括但不仅限于与AFM兼容的AFM探针基底平台一块。通过微纳米加工工 艺制备、附着于探针基底平台的平面波导，以及在探针基底平台前端(悬臂梁)处通过CVD 手段生长的碳纳米管针尖，平面波导与碳纳米管针尖相连。碳纳米管针尖上可覆盖有聚合物材料，聚合物材料厚度为lOOnm-1 u m。本专利技术的技术优点和效果本专利技术是一种基于碳纳米管和平面波导结构的原子力显微镜探针，可同时实现对 纳米材料、器件以及各种软物质(如生物细胞等)样品的表面形貌、高频(至微波波段)电 学性能等测量。该装置具备的功能包括(1)通过将该探针安装至AFM，可以在AFM的几种 标准工作模式下进行样品形貌的精确表征；(2)通过将该探针安装至AFM，并将探针表面的 平面波导结构通过高频电缆或微波波导连接至电学测量仪器(如信号源、示波器等)，可以 通过AFM的操作定点或者扫描来测量样品的高频特性；(3)可以同时进行上述(1)、(2)功 能，即在表征样品表面形貌的同时原位地测量样品的高频特性；(4)作为AFM探针针尖的多 壁碳纳米管束可以通过控制生长条件(包括催化剂颗粒尺寸等)和后期处理(包括多壁碳 纳米管束表面聚合物的覆盖)来控制针尖的特性(包括直径大小、力学特性等)。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步详细地说明图1为AFM探针制备过程原理图；图2为本专利技术AFM探针结构示意图，其中1-AFM探针基底平台；2_平面波导；3_碳 纳米管针尖；4-聚合物；图3整个AFM探针装置的应用框图。具体实施方式下面参照本专利技术的附图，更详细的描述出本专利技术的实施例。本专利技术提供了一种制备相对简易，能够实现对纳米材料、器件以及各种软物质等 样品同时进行表面形貌、高本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种原子力显微镜的探针，包括一与原子力显微镜兼容的探针基底平台，该探针基底平台的前端为悬臂梁，其特征在于，附着于探针基底平台表面上有平面波导结构，该平面波导的一端连接电极，平面波导的另一端与在悬臂梁上的碳纳米管针尖相连。
【技术特征摘要】
一种原子力显微镜的探针，包括一与原子力显微镜兼容的探针基底平台，该探针基底平台的前端为悬臂梁，其特征在于，附着于探针基底平台表面上有平面波导结构，该平面波导的一端连接电极，平面波导的另一端与在悬臂梁上的碳纳米管针尖相连。2.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述平面波导采用地线-信...
【专利技术属性】
技术研发人员：许胜勇，孙伟强，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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