馬玉麟,丁 召,王 一,郭 祥▲

(1貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025;3半導(dǎo)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(diǎn)高、常溫下不受空氣侵蝕、化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),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(xué)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(diǎn)是針尖不夠尖銳,針尖曲率不易控制,探針浸入溶液長(zhǎng)度不精確,而液膜法很好地彌補(bǔ)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(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)探針質(zhì)量的影響,旨在為液膜法制備高質(zhì)量鎢探針提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(kuò)散示意圖 圖擴(kuò)散示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)器材與操作

實(shí)驗(yàn)材料與儀器:2 mol/L的分析純級(jí)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(hào)為IT6932A自動(dòng)量程直流電源、上海奮業(yè)公司生產(chǎn)的型號(hào)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(tái)并連接電源負(fù)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(tái)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(nèi)滴入NaOH溶液,由于液體表面張力的作用,液滴會(huì)在不銹鋼圈內(nèi)形成一層液膜。實(shí)驗(yàn)以鎢絲為陽極,不銹鋼圈為陰極,NaOH液膜為電解質(zhì),進(jìn)行電化學(xué)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(duì)探針的影響:從金屬鎢絲發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最小電壓開始做實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)采用直流電源,電解質(zhì)為2 mol/L的NaOH溶液,液膜下鎢絲長(zhǎng)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(xué)顯微鏡對(duì)針尖進(jìn)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(zhǎng)度對(duì)探針的影響:實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度下制備了大量針尖,使用純水清洗探針后,通過光學(xué)顯微鏡對(duì)針尖進(jìn)行100倍和800倍放大,如圖6所示。

圖6 液膜下不同鎢絲長(zhǎng)度制備的鎢探針

2 結(jié)果與討論

對(duì)不同腐蝕電壓下探針數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表1所示。 可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)電壓大于6 V時(shí),制備探針?biāo)钑r(shí)長(zhǎng)較短,但電化學(xué)反應(yīng)劇烈,過程中不銹鋼圈邊緣產(chǎn)生大量H2氣泡,由于圈內(nèi)中心彎液面比圈邊緣的液膜要高,氣泡會(huì)向圈中心匯集,從而影響針尖的質(zhì)量,制備的針尖錐面上毛刺現(xiàn)象嚴(yán)重,針尖整體對(duì)稱性差;當(dāng)電壓小于3 V時(shí),電化學(xué)反應(yīng)平和,但探針制備較慢,針尖錐面對(duì)稱性較差;通過實(shí)驗(yàn)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(jì)

對(duì)液膜下不同鎢絲長(zhǎng)度所制備的探針進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn):隨著液膜下鎢絲長(zhǎng)度的增加,制備針尖時(shí)長(zhǎng)縮短,這是因?yàn)橐耗は骆u絲越長(zhǎng)重力就越大,隨著電腐蝕的進(jìn)行,當(dāng)鎢絲連接處的抗拉強(qiáng)度不足以支撐液膜下半部分的重量時(shí),鎢絲被拉斷,針尖形成;當(dāng)液膜下鎢絲長(zhǎng)度大于6 mm時(shí),針尖錐面對(duì)稱性一般,且不再展現(xiàn)錐面弧度;當(dāng)液膜下鎢絲長(zhǎng)度小于2 mm時(shí),針尖略遲鈍;通過實(shí)驗(yàn)比較,液膜下鎢絲長(zhǎng)度選在4 mm較合適。

表2 超出液膜不同長(zhǎng)度下探針數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本文基于電化學(xué)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(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)探針質(zhì)量的影響。在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定了液膜法制備探針的最佳參數(shù)值,當(dāng)使用2 mol/L的NaOH溶液作為液膜時(shí),最佳腐蝕電壓為5 V、液膜下最佳鎢絲長(zhǎng)度為4 mm,在此參數(shù)下制備出的針尖尖銳、錐面對(duì)稱性好。