【摘要】：納米探針通常定義為針尖半徑小于100 nm的探針,它是當(dāng)今納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中研究材料、分子和顆粒性質(zhì)最重要的表征工具之一。掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)主要利用探針與樣品之間的相互作用力來探測樣品表面的形貌、物理、機(jī)械、化學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。因此,納米探針對于獲取高分辨圖像和可靠性數(shù)據(jù)起著十分關(guān)鍵的作用。目前,SPM納米探針的工業(yè)技術(shù)在很大程度上依賴于硅體微加工技術(shù)來制備針尖尖端的形狀輪廓,并用導(dǎo)電涂層來提供附加性功能。為了確保針尖較小的半徑,維持高的圖像分辨率,因此涂層的厚度不能太厚。然而,在測試過程中產(chǎn)生的高電流密度和大橫向摩擦力,往往會使導(dǎo)電納米探針的金屬薄膜鍍層快速退化,喪失導(dǎo)電性。這些是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的技術(shù)難題,使得探針過快消耗而增加使用成本�，F(xiàn)有的摻雜金剛石探針和純固體金屬探針雖然能夠有效地降低探針的磨損速度,但是與普通金屬鍍層導(dǎo)電探針相比,價(jià)格十分昂貴,而且金剛石極強(qiáng)的硬度對樣品表面易造成損傷。因此,尋找合適的導(dǎo)電鍍層替代材料以提高探針的使用性能和壽命,并實(shí)現(xiàn)在其它特殊性能方面的提升十分必要。本博士論文中,結(jié)合二維材料石墨烯優(yōu)異機(jī)械和電學(xué)性質(zhì),研發(fā)了一種石墨烯包覆納米探針。總體來講,與普通導(dǎo)電探針相比,本論文制備的石墨烯探針不僅展現(xiàn)了可抵抗高電流密度和摩擦力等提高的可靠性,而且有效地提供了新的先進(jìn)功能,比如:壓電性和疏水性。本論文包含五個(gè)章節(jié),具體的研究內(nèi)容如下:第一章概括總結(jié)了導(dǎo)電納米探針的現(xiàn)狀、二維材料的性質(zhì)和應(yīng)用、石墨烯的制備方法與應(yīng)用及其作為包覆層在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。第二章研究了氧化環(huán)境對石墨烯機(jī)械性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨烯的晶界區(qū)域易被氧化生成突起的氧化物,其機(jī)械性能顯著下降,而未被氧化的石墨烯晶域內(nèi)仍保持原來的良好性能,該研究反映了制備高質(zhì)量大尺寸單晶石墨烯的重要性。第三章中,研發(fā)了一種簡便易操作的溶液浸泡法制備石墨烯包覆納米探針(下文簡寫石墨烯探針)的技術(shù)方法,及相關(guān)電學(xué)性能表征。利用氧化還原法制備石墨烯片層包覆的納米探針具有延長的使用壽命和可靠性,并保持了較高的圖像橫向分辨率和導(dǎo)電性。該制備方法的突出優(yōu)勢是簡單高效,時(shí)間僅需10 s,且制備條件溫和,成本極低。第四章重點(diǎn)探討了石墨烯探針的可變性分析,研究表明,由于石墨烯包覆層對探針的影響遠(yuǎn)比探針自身之間存在的偏差要小,從而石墨烯探針具有較高的可靠性,該研究證明了石墨烯探針符合市場化性能需求。第五章中研究了石墨烯探針的特殊性能及除石墨烯外其他材料的性質(zhì)和應(yīng)用。鉀摻雜的石墨烯具有壓電性,可用于納米壓電機(jī)。氧化石墨烯探針,可在納米尺度下研究金屬-氧化石墨烯-金屬結(jié)構(gòu)器件的阻變特性等。本論文從研究二維材料石墨烯的基本性質(zhì)出發(fā),利用其優(yōu)異的機(jī)械學(xué)和電學(xué)性質(zhì),作為包覆層提高納米探針的性能和使用壽命。同時(shí),石墨烯探針的可靠性和材料的拓展性應(yīng)用研究為未來納米電子器件的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。本工作中最重要的成果是實(shí)現(xiàn)了成果技術(shù)的轉(zhuǎn)移,石墨烯探針制備技術(shù)已經(jīng)獲中國授權(quán)發(fā)明專利,并申請了國際專利(專利號:WO2016/074305),在2017年獲得了北京協(xié)同創(chuàng)新研究院560萬元的項(xiàng)目投資,由此體現(xiàn)出該研究的必要性和巨大的潛在應(yīng)用前景。
【圖文】：

基于二維材料納米探針的研究及應(yīng)用 第一章最終所有采集得的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，通過圖片處理軟件識別，從而獲得樣品的三維（3D）形貌圖[14]。通常情況下，一張普通的 AFM 形貌圖包含 256×256 個(gè)像素點(diǎn)。導(dǎo)電原子力顯微鏡（CAFM）是可同時(shí)采集樣品的形貌圖和通過針尖/樣品之間的電流圖的 AFM，其結(jié)構(gòu)和 AFM 相似（如圖 1-1 b）。CAFM 與 AFM 相比，主要有三大不同點(diǎn)：（1）要求 CAFM 中所使用的探針必須導(dǎo)電；（2）在探針和樣品之間增加電壓源裝置；（3）前置放大器用于將（模擬）電流信號轉(zhuǎn)換為（數(shù)字）電壓，可以被計(jì)算讀取。在 CAFM 實(shí)驗(yàn)中，樣品需用導(dǎo)電膠帶/膠水固定在樣品臺上，通常使用的是導(dǎo)電銀膠[15]。當(dāng)在樣品和針尖之間施加電壓后，會產(chǎn)生電場，使電流通過探針和樣品。因此，可以在高納米分辨條件下探測到樣品的局部電學(xué)性質(zhì)。

納米探針的研究及應(yīng)用 屬硫化物（TMDs，比如 MoS2, TiS2, TaS2, WS2, MoSe2, W屬氧化物[41]。重要的是，許多新型超薄二維材料在最近幾和研究，例如：金屬-有機(jī)物框架（MOFs）[42,43]、共價(jià)有機(jī)物[45-47]、黑磷[48]、硅烯[49]等（圖 1-5），豐富了 2D 材料這個(gè)質(zhì)主要是由他們的二維結(jié)構(gòu)單元決定，，比如：層狀的和銅氧化物，展現(xiàn)出相關(guān)的電學(xué)現(xiàn)象如電荷密度波和高溫
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2656193