基于电化学液膜法腐蚀制备STM钨探针的研究*

2024-03-04马玉麟

贵州科学 2024年1期

马玉麟,丁召,王一,郭祥▲

(1贵州大学大数据与信息工程学院,贵州贵阳 550025;2贵州省微纳电子与软件技术重点实验室,贵州贵阳 550025;3半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心,贵州贵阳 550025)

0 引言

纯钨金属丝具有硬度高、熔点高、常温下不受空气侵蚀、化学性质比较稳定等优点,常用作制备扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)的金属探针[1～3]。目前基于电化学腐蚀制备钨探针的方法主要有两种:溶液腐蚀[4～6]和液膜腐蚀[7～8]。溶液法的缺点是针尖不够尖锐,针尖曲率不易控制,探针浸入溶液长度不精确,而液膜法很好地弥补了前者的不足。本文采用垂直液膜法制备钨探针,通过控制变量法研究腐蚀电压、薄膜下钨丝长度等参数对探针质量的影响,旨在为液膜法制备高质量钨探针提供实验基础。

1 实验

1.1 实验原理

图1 垂直液膜法原理图

(1)

阴极:2H2O + 2e-→H2↑ + 2OH-

(2)

(3)

图2 OH-扩散示意图图扩散示意图

1.2 实验器材与操作

实验材料与仪器:2 mol/L的分析纯级NaOH溶液、直径为0.38 mm的金属钨丝、直径为0.3 mm的不锈钢丝、ITECH公司生产的型号为IT6932A自动量程直流电源、上海奋业公司生产的型号为ZL500LJT的透反射式正置金相显微镜。

液膜法制备钨探针的装置见图4所示,将不锈钢丝一端缠绕于铁架台并连接电源负极,另一端围成直径为6 mm的圆圈并水平放置;将金属钨丝一端缠绕于铁架台并连接电源正极,另一端垂直穿过不锈钢圈圆心。玻璃杯放置于不锈钢圈正下方,用于收集NaOH废液。使用胶头滴管在不锈钢圈内滴入NaOH溶液,由于液体表面张力的作用,液滴会在不锈钢圈内形成一层液膜。实验以钨丝为阳极,不锈钢圈为阴极,NaOH液膜为电解质,进行电化学腐蚀。

图4 液膜法制备钨探针装置示意图

首先研究腐蚀电压对探针的影响:从金属钨丝发生电化学反应的最小电压开始做实验,实验采用直流电源,电解质为2 mol/L的NaOH溶液,液膜下钨丝长度为2 mm,分别在2 V、3 V、4 V、5 V、6 V、7 V、8 V的电压下制备了大量的针尖,使用纯水清洗探针后,通过光学显微镜对针尖进行100倍和800倍放大,如图5所示。

图5 不同腐蚀电压制备的钨探针

其次研究液膜下钨丝长度对探针的影响:实验采用5 V直流电源,分别在超出液膜2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的长度下制备了大量针尖,使用纯水清洗探针后,通过光学显微镜对针尖进行100倍和800倍放大,如图6所示。

图6 液膜下不同钨丝长度制备的钨探针

2 结果与讨论

对不同腐蚀电压下探针数据进行统计,如表1所示。可以发现:当电压大于6 V时,制备探针所需时长较短,但电化学反应剧烈,过程中不锈钢圈边缘产生大量H2气泡,由于圈内中心弯液面比圈边缘的液膜要高,气泡会向圈中心汇集,从而影响针尖的质量,制备的针尖锥面上毛刺现象严重,针尖整体对称性差;当电压小于3 V时,电化学反应平和,但探针制备较慢,针尖锥面对称性较差;通过实验比较,电压选在4～5 V之间较合适。

表1 不同腐蚀电压下探针数据统计

对液膜下不同钨丝长度所制备的探针进行统计,如表2所示。可以发现:随着液膜下钨丝长度的增加,制备针尖时长缩短,这是因为液膜下钨丝越长重力就越大,随着电腐蚀的进行,当钨丝连接处的抗拉强度不足以支撑液膜下半部分的重量时,钨丝被拉断,针尖形成;当液膜下钨丝长度大于6 mm时,针尖锥面对称性一般,且不再展现锥面弧度;当液膜下钨丝长度小于2 mm时,针尖略迟钝;通过实验比较,液膜下钨丝长度选在4 mm较合适。