一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法技术

本发明专利技术公开了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法。该方法通过对导电原子力显微镜(C‑AFM)探针针尖施加一定的直流偏压，使二元过渡金属氧化物薄膜在与探针接触的界面处产生离子电化学反应，通过控制偏压的幅值、施加次数和针尖作用区域及扫描次数，实现对二元过渡金属氧化物薄膜不同形状的纳米图形加工。本发明专利技术不但具有纳米级加工精度、加工流程简便、超低能耗、无污染、不需要掩膜版等优点，并且本发明专利技术的方法降低了对探针针尖的物理损伤。

A Method for Machining Nano-Graphics of Binary Transition Metal Oxide Films

The invention discloses a nano-pattern processing method of binary transition metal oxide film. By applying a certain DC bias voltage to the tip of a conductive atomic force microscope (C_AFM) probe, the ionic electrochemical reaction of binary transition metal oxide films is generated at the interface of the probe. By controlling the magnitude of the bias voltage, the applied times, the action area of the tip and the scanning times, the nano-graphics of different shapes of binary transition metal oxide films are fabricated. The invention not only has the advantages of nano-scale processing accuracy, simple processing flow, ultra-low energy consumption, pollution-free and no mask plate, but also reduces the physical damage to the probe tip.

【技术实现步骤摘要】
一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法
本专利技术公开了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，属于微纳米结构加工领域，涉及纳米离子学领域。
技术介绍
微纳米结构加工技术是一种在微米及其以下尺度的加工细微结构的技术，最早应用于集成电路的制备。近些年，不断发展的微纳米结构加工技术被广泛应用于信息存储、生物、航空航天等领域。传统的微纳米结构加工技术包括光学曝光技术、电子束曝光技术、聚焦离子束加工技术、激光加工技术等。然而，复杂的加工过程、昂贵的加工设备、微米尺度的加工范围等缺点限制了微纳米结构加工技术的进一步发展。随着纳米技术的快速发展，扫描探针显微镜技术被广泛应用于微纳米结构加工领域。基于扫描探针显微镜探针针尖与样品表面之间的化学作用的纳米图形加方法主要依赖于阳极氧化和摩擦化学氧化。例如ZhiwenShi等人利用C-AFM技术通过阳极氧化对石墨烯进行了不需要电极的纳米图形加工(Nanoletters,2018,18(12):8011-8015)，但是这种纳米图形加工方法却很难应用于过渡金属氧化物薄膜材料。基于扫描探针显微镜探针针尖与样品表面之间的物理作用的纳米图形加工方法主要有纳米压痕、机械刻画。例如JinKonKim等人使用AFM探针在室温下制作了极高密度的高聚物纳米压痕阵列(Naturenanotechnology,2009,4(11):727)，但是这种加工方法在加工过程中会对探针造成严重的物理损伤。因此，针对过渡金属氧化物薄膜基纳米器件的需求，有必要发展一种基于扫描探针显微镜技术的简便、精确且对探针物理损伤小的微纳米结构加工方法。
技术实现思路
本专利技术根据纳米离子学中电场作用下离子迁移及在界面处可发生电化学反应的性质，结合先进的C-AFM技术对二元过渡金属氧化物薄膜进行纳米图形加工。具体包括以下步骤：S1、将样品放置于样品台上，通过导线将C-AFM探针、样品、样品台、电压源连成回路。S2、使用C-AFM扫描指定区域的形貌并选取所要加工的位置。S3、为C-AFM探针针尖施加直流偏压，使样品与针尖接触的界面处发生离子电化学反应，通过控制偏压的幅值、施加次数和针尖作用区域及扫描次数，实现对二元过渡金属氧化物薄膜不同形状的纳米图形加工。本专利技术提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，C-AFM探针为表面镀有一层金属膜的具有导电能力的普通AFM探针。本专利技术提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，由C-AFM探针、样品、样品台、导线、电压源连成的回路中，将样品台接地。本专利技术提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，电压幅值、施加次数、针尖作用区域及扫描次数由可编程的电压源设置及控制。本专利技术提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，针尖作用区域分为点和面两种类型。点为针尖直接接触样品中的某一点所确定的接触区域，面为AFM接触模式下扫描样品表面形貌时所确定的矩形区域。本专利技术提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，二元过渡金属氧化物包括：TiO2、ZrO2、HfO2、V2O5、Ta2O5、MoO3、WO3、NiO、ZnO。本专利技术提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，离子电化学反应中的离子类型为O2-。本专利技术提供了一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，其原理是基于电场作用下的O2-迁移及针尖与样品界面处的O2-电化学反应导致的氧气的喷发和氧空位的产生。具体反应方程式可以描述为：其中为氧原子，O2为氧气，为氧空位，e-为电子。附图说明图1为本专利技术方法的加工示意图。其中，A、B分图分别是单点加工和面加工的加工示意图。图2为实施例一方法中氧化铪薄膜加工前形貌图和加工后形貌图。其中，A分图为氧化铪薄膜加工前形貌图，图中四个白色虚线圆的圆心标定出加工点的位置，然后分别在四个位置上为探针针尖施加0V-6V的偏压5次、20次、60次、85次。B分图为氧化铪薄膜加工后所对应的AFM形貌图。图3为应用实施例一方法在氧化铪薄膜表面加工出的圆形纳米凹坑的AFM形貌图及其对应的圆形纳米凹坑直径和深度图。其中，A、B、C、D分图是对探针针尖分别施加偏压5次、20次、60次、85次后在氧化铪薄膜表面加工出的圆形纳米凹坑的AFM形貌图，a、b、c、d分图分别为A、B、C、D分图中白色箭头标出的圆形纳米凹坑的直径和深度图。图4为实施例一中探针偏压施加不同次数对所加工圆形纳米凹坑直径和深度的影响规律。其中，A分图是探针偏压施加次数对加工直径的影响规律，B分图是探针偏压施加次数对加工深度的影响规律。图5为实施例二方法中氧化铪薄膜加工前形貌图和加工后形貌图。其中，A分图为氧化铪薄膜加工前形貌图，三个白色虚线圆的圆心标定出加工点的位置，分别在三个位置上为探针针尖施加0V-6V、0V-8V、0V-10V的偏压各50次。B分图为氧化铪薄膜加工后所对应的AFM形貌图。图6为应用实施例二方法在氧化铪薄膜表面加工出的圆形纳米凹坑的AFM形貌图及其对应的圆形纳米凹坑直径和深度图。其中，A、B、C分图是对探针针尖分别施加0V-6V、0V-8V、0V-10V的偏压各50次后在氧化铪薄膜表面加工出的圆形纳米凹坑的AFM形貌图，a、b、c分图分别为A、B、C分图中白色箭头标出的圆形纳米凹坑的直径和深度图。图7为实施例三方法在加工前选择的面加工区域的AFM形貌图。图8为应用实施例三方法在氧化铪薄膜表面加工出的圆形纳米凹坑的AFM形貌图及其对应的圆形纳米凹坑直径和深度图。其中，A、B分图是探针针尖施加10V的直流偏压后分别在选定的加工区域进行1μm×1μm矩形面扫5次、15次后所加工出的圆形纳米凹坑AFM形貌图。a、b分图分别为A、B分图中白色箭头标出的圆形纳米凹坑的直径和深度图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术方法作进一步的说明。需要指出，实施例只用于说明本专利技术方法，而不是对本专利技术方法进行限定，任何在本专利技术基础上改变二元过渡金属氧化物薄膜种类、施加电场方式等均在本专利技术的保护范围内。实施例一本专利技术的第一种实施方式是，在固定探针施加电压幅值的情况下，对二元过渡金属氧化物薄膜进行单点的纳米图形加工，加工示意图如图1(A)所示，其具体操作方式是：1、如图2(A)所示，使用AFM轻敲模式扫描样品中5μm×5μm大小的矩形面，然后选取四个点。四个白色虚线圆的圆心位置即为单点加工时探针针尖与样品接触的点的位置。2、将C-AFM系统形貌扫描模式切换至接触模式。3、将探针针尖准确接触在所选取的四个点上，在四个点处并分别为探针针尖施加0V-6V的直流偏压5次、20次、60次、85次。以下是采用本例方法进行的四个具体加工试验的结果说明：图2(B)为本实施例中加工后氧化铪薄膜的AFM形貌图。图3为本实施例的四个具体加工试验在氧化铪薄膜表面所加工出的圆形纳米凹坑的AFM形貌图及其对应的圆形纳米凹坑直径和深度图。其中，A、B、C、D分图是对探针针尖分别施加偏压5次、20次、60次、85次后在氧化铪薄膜表面加工出的圆形纳米凹坑的AFM形貌图，a、b、c、d分图分别为A、B、C、D分图中白色箭头标出的圆形纳米凹坑的直径和深度图。在由C-AFM探针、氧化铪薄膜、样品台、导线、电压源连成的回路中，通过C-AFM控制软件，为探针针本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、将样品放置于样品台上，通过导线将C‑AFM探针、样品、样品台、电压源连成回路。S2、使用C‑AFM扫描指定区域的形貌并选取所要加工的位置。S3、为C‑AFM探针针尖施加直流偏压，使样品与针尖接触的界面处发生离子电化学反应，通过控制偏压的幅值、施加次数和针尖作用区域及扫描次数，实现对二元过渡金属氧化物薄膜不同形状的纳米图形加工。

【技术特征摘要】
1.一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、将样品放置于样品台上，通过导线将C-AFM探针、样品、样品台、电压源连成回路。S2、使用C-AFM扫描指定区域的形貌并选取所要加工的位置。S3、为C-AFM探针针尖施加直流偏压，使样品与针尖接触的界面处发生离子电化学反应，通过控制偏压的幅值、施加次数和针尖作用区域及扫描次数，实现对二元过渡金属氧化物薄膜不同形状的纳米图形加工。2.根据权利要求1所述的一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，其特征在于：所述步骤S1中，C-AFM探针为因表面镀有一层金属膜而具有导电能力的普通原子力显微镜(AFM)探针。3.根据权利要求1所述的一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，其特征在于：所述步骤S1中，将样品台接地。4.根据权利要求1所述的一种二元过渡金属氧化物薄膜纳米图形加工方法，其特征在于：所述步骤S3中，偏压幅值、施加次数、针尖作用区域及扫描次数由可编程的电压源设置及控制。5.根据权利要求1所述的一种二元过渡金属氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕少安，王冬，龚俊，王海龙，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43