原位透射电镜电学液体芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及原位透射电镜技术领域，提供一种原位透射电镜电学液体芯片及其制备方法。原位透射电学液体芯片包括：功能芯片、盖板芯片和盖板；功能芯片包括：第一基底、第一薄膜承载层和金属电极层，金属电极层包括工作电极、对电极和参比电极导线；钝化保护层，部分覆盖第一薄膜承载层和金属电极层；盖板芯片包括：第二基底和第二薄膜承载层；盖板设置于功能芯片的顶部，覆盖储液槽。本发明专利技术提供的原位透射电镜电学液体芯片及其制备方法，在实现液体环境施加的基础上，将传统电化学领域的三电极测试体系引入透射电镜，可对液体环境中样品的电化学行为进行原子尺度原位动态观测的同时，完成电学信号的精确控制及采集。电学信号的精确控制及采集。电学信号的精确控制及采集。

【技术实现步骤摘要】
原位透射电镜电学液体芯片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及原位透射电镜高分辨原位表征
，尤其涉及一种原位透射电镜电学液体芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]液态，是自然界物质的基本组成状态之一。液体环境也是材料科学、生命科学等领域中各种化学、物理反应的重要场所。研究不同材料在液体环境中微观结构的变化，可以帮助我们更加全面、客观地了解材料的本质特征，进而指导设计出各种新型高性能特性材料。液体透射电子显微镜(Liquid phase transmission electron microscopy，LPTEM)由于功能材料强烈的需求导向，成为近年来快速发展的一项原位技术。将透射电子显微镜高空间分辨、结构分析、成分分析等功能特性应用于液体样品(特别是水等高蒸汽压液体)的成像与分析，可获得液体环境中传统静态显微分析方法无法观察到的显微结构演化动态过程。
[0003]现有技术中，先后推出了可用于透射电镜的原位MEMS液体芯片和样品杆。有的是在其原位液体样品杆前端集成有金属触点，将这些金属触点与电化学液体芯片上的金属电极连接，即可完成对TEM液体实验电学信号的控制与采集。还有的针对电场下的TEM原位液体实验设计了液体芯片，芯片表面设计了工作电极、对电极和参比电极三根铂金属通电电极，可以满足电化学阻抗谱、循环伏安曲线、电池充放电曲线等较为精确的电化学实验的测量需求。还有的则根据液体实验电场加载的需求，在TEM原位液体芯片表面图案化生长一层金属电阻丝，可用于电场加载与测量(三电极设计：工作电极、对电极、参比电极)。
[0004]但上述几种透射电镜电学液体芯片存在共同的问题，即其所使用的三电极测试体系中的工作电极、对电极、参比电极材料相同，结构简单，其参比电极属于伪参比电极，与电化学三电极测试体系要求不符。电化学三电极测试体系中的参比电极在使用过程中，除了需要依据反应体系选择合适的参比电极材料外，还需要有与所选参比电极一一对应的电解质溶液。参比电极伸入的对应电解质溶液与工作电极参与电化学反应所需的电解质溶液为两种不同的电解质溶液，且两种电解质溶液需放置在两个隔开的液体池中，避免溶液之间的交叉污染。但在电化学反应过程中需要两种电解质溶液发生离子交换，将工作电极与参比电极连接构成测量控制回路，测试工作电极上电化学反应过程中的电学信号变化(工作电极与参比电极构成的测量控制回路在工作过程中并没有极化电流流过，只存在有极小的测量电流)。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种原位透射电镜电学液体芯片及其制备方法，突破了透射电镜狭小极靴空间尺寸及高真空环境限制，在实现液体环境施加的基础上，将传统电化学领域的三电极测试体系引入透射电子显微镜。该芯片可对液体环境中样品的电化学行为进行原子尺度原位动态观测的同时，完成电学信号的精确控制及采集。
[0006]本专利技术提供一种原位透射电学液体芯片，设置于透射电镜样品杆上，包括：功能芯
片、盖板芯片和盖板；
[0007]所述功能芯片包括：
[0008]第一基底，开设有至少一个第一通孔，且所述第一基底的顶部设置有储液槽；
[0009]第一薄膜承载层，设置于所述第一基底的顶部；
[0010]金属电极层，设置于所述第一薄膜承载层的顶部，包括工作电极、对电极和参比电极导线；且所述工作电极的前端延伸至其中一个所述第一通孔的第一范围内；所述参比电极的导线延伸至所述储液槽内；
[0011]钝化保护层，部分覆盖所述第一薄膜承载层和所述金属电极层；未覆盖部分为样品反应区域或外接导线区域；
[0012]所述盖板芯片包括：
[0013]第二基底，设置于所述钝化保护层的顶部，且覆盖所述工作电极、对电极和参比电极前端，未覆盖所述储液槽；所述第二基底开设有与所述第一通孔对应的第二通孔；
[0014]第二薄膜承载层，覆盖于所述第二基底靠近所述钝化保护层的一侧；
[0015]所述盖板设置于所述功能芯片的顶部，且所述盖板覆盖所述储液槽。
[0016]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述第一基底上开设有多个第一通孔，且至少一个所述第一通孔的顶部悬空覆盖有所述第一薄膜承载层。
[0017]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述第一基底上还设置有与所述储液槽连通的条形槽，且所述条形槽与所述工作电极的前端平行设置。
[0018]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述第一薄膜承载层、所述第二薄膜承载层为氮化硅、氧化硅、碳化硅、石墨烯、氧化石墨烯、氮化硼中的其中一种。
[0019]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述工作电极和所述对电极的前端均为对称轴图形，且二者的对称轴共轴。
[0020]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述对电极的前端设置为鱼尾号形结构，且半圆形的一侧靠近所述工作电极。
[0021]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述工作电极的前端延伸至所述第一通孔的中心处、靠近所述第一通孔、或自所述第一通孔的一侧贯穿至所述第一通孔的另一侧。
[0022]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述金属电极还包括对版标记，所述盖板芯片的边角与所述对版标记重合。
[0023]根据本专利技术提供的一种原位透射电镜电学液体芯片，所述参比电极的导线设置于所述储液槽的边缘，且所述参比电极的导线远离所述工作电极和所述对电极的前端。
[0024]本专利技术还提供一种原位透射电镜电学液体芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0025]准备并清洗单晶圆A，以保证在高温处理前去除有机物和金属离子污染物；
[0026]通过湿法腐蚀工艺或反应离子刻蚀工艺，在单晶圆A的基底刻蚀出储液槽，得到晶圆A1；
[0027]在晶圆A1表面生长一层第一薄膜承载层，得到晶圆A2；
[0028]在晶圆A2表面生长一层金属电极层，通过刻蚀工艺或剥离工艺形成工作电极、对电极、参比电极导线和对版标记，得到晶圆A3；
[0029]在晶圆A3表面生长一层钝化保护层，得到晶圆A4；
[0030]通过刻蚀工艺或剥离工艺将钝化保护层图形化，得到晶圆A5；
[0031]通过刻蚀工艺从背面刻蚀晶圆A5，形成第一通孔，得到晶圆A6；
[0032]对晶圆A6进行划片，得到芯片。
[0033]本专利技术提供的原位透射电镜电学液体芯片，通过第一基底的顶部设置有储液槽，且参比电极的导线延伸至储液槽边缘，第二基底设置于钝化保护层的顶部，覆盖工作电极前端、对电极前端，部分覆盖与工作电极平行的条形槽，不覆盖储液槽；可以将参比电极伸入的电解质溶液与工作电极参与电化学反应所需的电解质溶液有效区分、隔离，满足不同透射电镜原位液体实验中不同电化学反应体系需要不同参比电极、参比电极对应电解质溶液的使用要求。
[0034]而且，钝化保护层的设置，一方面可以保护不参与电化学反应的金属电极，提高原位液体实验中电学信号的测量、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位透射电镜电学液体芯片，设置于透射电镜样品杆上，其特征在于，包括：功能芯片、盖板芯片和盖板；所述功能芯片包括：第一基底，开设有至少一个第一通孔，且所述第一基底的顶部设置有至少一个储液槽，条形槽；第一薄膜承载层，设置于所述第一基底的顶部；金属电极层，设置于所述第一薄膜承载层的顶部，包括工作电极、对电极和参比电极导线；且所述工作电极的前端延伸至其中一个所述第一通孔的第一范围内；钝化保护层，部分覆盖、包裹所述第一薄膜承载层和所述金属电极层，未覆盖部分为样品反应区域或外接导线区域；所述盖板芯片包括：第二基底，设置于所述钝化保护层的顶部，且覆盖所述工作电极、对电极和参比电极前端，可部分覆盖条型槽，未覆盖所述储液槽；所述第二基底上开设有与所述第一通孔对应的第二通孔；第二薄膜承载层，覆盖于所述第二基底靠近所述钝化保护层的一侧；所述盖板设置于所述功能芯片的顶部，且所述盖板覆盖所述储液槽。2.根据权利要求1所述的原位透射电镜电学液体芯片，其特征在于，所述第一基底上开设有多个第一通孔，且至少一个所述第一通孔的顶部悬空覆盖有所述第一薄膜承载层。3.根据权利要求1所述的原位透射电镜电学液体芯片，其特征在于，所述第一基底上还设置有与所述储液槽连通的条形槽，且所述条形槽与所述工作电极的前端平行设置。4.根据权利要求1所述的原位透射电镜电学液体芯片，其特征在于，所述第一薄膜承载层、所述第二薄膜承载层为氮化硅、氧化硅、碳化硅、石墨烯、氧化石墨烯、氮化硼中的其中一种。5.根据权利要求1所述的原位透射电镜电学液体芯片，其特征在于，所述工作电极和...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓东，王梦龙，张剑飞，杨晓萌，田志永，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：