本發明涉及微納(na)米(mi)(mi)加(jia)工技(ji)術制造(zao)，特別是涉及基于金(jin)屬(shu)擴散流的掃(sao)描探針、微納(na)米(mi)(mi)加(jia)工設(she)備和方法。

背景技術：

1、微(wei)納加(jia)工(gong)制(zhi)(zhi)造面向的(de)是微(wei)米(mi)、納米(mi)甚至更(geng)小(xiao)尺(chi)度(du)(du)下的(de)加(jia)工(gong)制(zhi)(zhi)造。1981年(nian)(nian)，掃描隧道顯微(wei)鏡stm問(wen)世(shi)，使(shi)(shi)得人們觀測物質分子(zi)、原(yuan)子(zi)以(yi)(yi)及在原(yuan)子(zi)尺(chi)度(du)(du)上進行加(jia)工(gong)制(zhi)(zhi)造成為可(ke)能(neng)(neng)。隨后(hou)的(de)數十年(nian)(nian)內，憑借著(1)能(neng)(neng)夠(gou)使(shi)(shi)器(qi)(qi)件(jian)(jian)小(xiao)型化、高度(du)(du)集成化以(yi)(yi)降(jiang)低器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)體積、功耗(hao)和提高器(qi)(qi)件(jian)(jian)運行的(de)穩(wen)定性；(2)節省原(yuan)材料、能(neng)(neng)夠(gou)高效批量(liang)生產以(yi)(yi)降(jiang)低生產成本；(3)能(neng)(neng)夠(gou)使(shi)(shi)器(qi)(qi)件(jian)(jian)實現如(ru)量(liang)子(zi)效應、小(xiao)尺(chi)度(du)(du)效應、表(biao)面和界面效應和量(liang)子(zi)隧穿效應等一系列微(wei)觀效應，等優點。微(wei)納米(mi)加(jia)工(gong)制(zhi)(zhi)造技術的(de)進步和發(fa)展可(ke)以(yi)(yi)極(ji)大(da)促進半導體、航空(kong)航天、生物醫學和能(neng)(neng)源科學等領域的(de)發(fa)展。

2、對(dui)(dui)于(yu)(yu)金(jin)(jin)(jin)屬的(de)(de)微(wei)納尺(chi)(chi)度打印(yin)加(jia)工(gong)(gong)，常用的(de)(de)技(ji)術(shu)方法是將(jiang)液(ye)態的(de)(de)金(jin)(jin)(jin)屬從微(wei)管(guan)的(de)(de)前端擠出而實現(xian)打印(yin)，該(gai)方法由于(yu)(yu)金(jin)(jin)(jin)屬的(de)(de)表面張(zhang)力以(yi)及流體(ti)的(de)(de)rayleigh不穩定(ding)性等原(yuan)因，金(jin)(jin)(jin)屬打印(yin)的(de)(de)分辨率有限(xian)，一(yi)般分辨率受限(xian)于(yu)(yu)微(wei)米尺(chi)(chi)度。現(xian)有的(de)(de)3d打印(yin)技(ji)術(shu)難以(yi)對(dui)(dui)金(jin)(jin)(jin)屬/合(he)金(jin)(jin)(jin)進行更加(jia)精細的(de)(de)打印(yin)和加(jia)工(gong)(gong)，且3d打印(yin)金(jin)(jin)(jin)屬只能限(xian)于(yu)(yu)微(wei)米尺(chi)(chi)度的(de)(de)增(zeng)材制(zhi)造(zao)。另(ling)外(wai)，stm雖然可以(yi)實現(xian)原(yuan)子尺(chi)(chi)度的(de)(de)加(jia)工(gong)(gong)制(zhi)造(zao)，但其加(jia)工(gong)(gong)效率低，耗時多。

3、需要(yao)說明的(de)是，在上述背(bei)景技術(shu)部分公開(kai)的(de)信(xin)息僅(jin)用于(yu)對本(ben)申請的(de)背(bei)景的(de)理解(jie)，因此(ci)可(ke)以包括不構成對本(ben)領(ling)域普通技術(shu)人員已知的(de)現有技術(shu)的(de)信(xin)息。

技術實現思路

1、本發明的(de)主(zhu)要目的(de)在于克服上(shang)述背景(jing)技術的(de)缺陷(xian)，提供一種基于金屬擴散流的(de)掃描探針(zhen)、微納(na)米加工設備和方法(fa)。

2、為(wei)實現上述目的，本發(fa)明(ming)采用以下(xia)技術(shu)方案(an)：

3、一種基于金(jin)(jin)(jin)(jin)屬擴散(san)流的(de)掃(sao)描探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)，包括直徑為幾(ji)十微米(mi)以(yi)下(xia)的(de)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)前(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)，所(suo)述(shu)(shu)(shu)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)前(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)經過表面修飾而(er)形(xing)成(cheng)浸潤(run)涂層(ceng)(ceng)和/或合金(jin)(jin)(jin)(jin)化(hua)誘導層(ceng)(ceng)，其中，所(suo)述(shu)(shu)(shu)浸潤(run)涂層(ceng)(ceng)用以(yi)增(zeng)強金(jin)(jin)(jin)(jin)屬對探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)表面的(de)浸潤(run)性，所(suo)述(shu)(shu)(shu)合金(jin)(jin)(jin)(jin)化(hua)誘導層(ceng)(ceng)用以(yi)促進金(jin)(jin)(jin)(jin)屬與探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)表面的(de)合金(jin)(jin)(jin)(jin)化(hua)反應，從(cong)而(er)促進金(jin)(jin)(jin)(jin)屬在所(suo)述(shu)(shu)(shu)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)前(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)的(de)流動(dong)；其中，在電偏(pian)壓(ya)作用下(xia)，所(suo)述(shu)(shu)(shu)掃(sao)描探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)吸取(qu)的(de)所(suo)述(shu)(shu)(shu)熔融金(jin)(jin)(jin)(jin)屬或液態(tai)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬在所(suo)述(shu)(shu)(shu)探(tan)(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)(zhen)(zhen)前(qian)(qian)端(duan)(duan)(duan)的(de)表面形(xing)成(cheng)定向流動(dong)的(de)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬擴散(san)流。

4、進一步地：

5、所(suo)述探(tan)針前端的材(cai)料為(wei)金屬材(cai)質細針尖(jian)、纖維(wei)、納米(mi)線或納米(mi)管。

6、所述浸潤(run)(run)涂層形成擴散流(liu)的金屬(shu)(shu)對于浸潤(run)(run)涂層表面的浸潤(run)(run)角小(xiao)于九十度，浸潤(run)(run)涂層可優選(xuan)的為(wei)zno層；形成擴散流(liu)的金屬(shu)(shu)可優選(xuan)的包括(kuo)ga或(huo)gain合金。

7、一種微納米加工設(she)備，包(bao)括：

8、所(suo)(suo)述(shu)(shu)的基(ji)于金屬擴散流的掃描探(tan)針，其(qi)經配置以通(tong)過(guo)所(suo)(suo)述(shu)(shu)金屬擴散流進行微納米尺度上的加(jia)工(gong)(gong)，所(suo)(suo)述(shu)(shu)加(jia)工(gong)(gong)包括(kuo)金屬增(zeng)材制(zhi)造、金屬減材制(zhi)造和金屬噴射切割中的任一種；

9、電(dian)源(yuan)裝(zhuang)置(zhi)，其經配置(zhi)以對所述(shu)掃描(miao)探針和金屬(shu)源(yuan)之間施加正向或反向電(dian)偏壓(ya)，以促進金屬(shu)在所述(shu)掃描(miao)探針表面的擴散(san)流(liu)動。

10、進一步地：

11、還(huan)包括加熱附(fu)件，其經配置以加熱所述金屬(shu)至其熔點(dian)附(fu)近或(huo)熔點(dian)以上，以增強金屬(shu)的流動性。

12、所(suo)述加(jia)工為金屬(shu)增材制造或金屬(shu)噴射(she)切割時，所(suo)述金屬(shu)利用施加(jia)電(dian)偏壓預先(xian)吸取(qu)到所(suo)述掃描(miao)探針(zhen)(zhen)上(shang)(shang)，或直接投放到所(suo)述掃描(miao)探針(zhen)(zhen)上(shang)(shang)。

13、所述加(jia)(jia)工為金(jin)屬增材制造時，所述掃描探針與基底(di)為接(jie)觸(chu)式(shi)和(he)懸離式(shi)設置；所述加(jia)(jia)工為金(jin)屬噴(pen)射(she)切割時，所述掃描探針與基底(di)為懸離式(shi)設置；對(dui)于接(jie)觸(chu)式(shi)設置，施加(jia)(jia)正(zheng)向(xiang)電(dian)偏(pian)(pian)壓(ya)后(hou)，金(jin)屬沿(yan)著探針表面以擴散(san)流(liu)形式(shi)流(liu)動到(dao)所接(jie)觸(chu)的基底(di)位置；對(dui)于懸離式(shi)設置，施加(jia)(jia)正(zheng)向(xiang)電(dian)偏(pian)(pian)壓(ya)后(hou)，金(jin)屬沿(yan)著探針表面以擴散(san)流(liu)形式(shi)流(liu)動到(dao)探針最(zui)前端，并(bing)在(zai)電(dian)偏(pian)(pian)壓(ya)作用下(xia)噴(pen)射(she)到(dao)基底(di)位置處(chu)。

14、所述(shu)加工(gong)為(wei)金(jin)屬減材制(zhi)造時，所述(shu)掃(sao)描(miao)探(tan)針(zhen)與基底為(wei)接觸(chu)式設置，施(shi)加反向(xiang)電偏壓后，金(jin)屬從所述(shu)掃(sao)描(miao)探(tan)針(zhen)接觸(chu)的基底向(xiang)探(tan)針(zhen)表面流動(dong)。

15、一種微(wei)納米(mi)加(jia)工方法，使用所述的微(wei)納米(mi)加(jia)工設備(bei)進行微(wei)納米(mi)尺(chi)度上的加(jia)工。

16、本(ben)發明(ming)具有(you)如(ru)下有(you)益(yi)效(xiao)果：

17、本發明提供一(yi)種基于金屬(shu)(shu)擴(kuo)散(san)流的掃描(miao)探針(zhen)、以(yi)及使(shi)用該掃描(miao)探針(zhen)的微(wei)納米加工(gong)(gong)設備和方法，使(shi)得金屬(shu)(shu)可以(yi)沿(yan)探針(zhen)、纖維或納米管(guan)等表面，作(zuo)為(wei)擴(kuo)散(san)流在電偏壓操(cao)控(kong)下流動實現微(wei)納米尺(chi)度打印(yin)或加工(gong)(gong)。

18、相比傳統的(de)3d打(da)印金屬技術(shu)只能(neng)限于(yu)微(wei)米尺度(du)的(de)增(zeng)材制造，本(ben)發(fa)明對(dui)金屬的(de)打(da)印精度(du)可以(yi)達到(dao)納米到(dao)原子級，相比于(yu)stm雖然可以(yi)實(shi)現(xian)原子尺度(du)的(de)加(jia)工制造，但加(jia)工效(xiao)率低耗時多，本(ben)發(fa)明在原子尺度(du)的(de)制造相對(dui)具有(you)更高的(de)制備效(xiao)率。

19、實際測試(shi)的(de)表現中，本發(fa)明可以達到(dao)納(na)米(mi)甚(shen)至(zhi)原子級別的(de)金(jin)屬(shu)(shu)打印分辨率。本發(fa)明提(ti)供(gong)了在微納(na)米(mi)乃至(zhi)原子尺度上對(dui)金(jin)屬(shu)(shu)/合金(jin)進行可控、精確、高效加(jia)工制造的(de)解(jie)決方案(an)，在材料(liao)、微電子、能源、生物等領域有廣闊的(de)應用前景和很高的(de)應用價值(zhi)。

20、本發明實施例中的其(qi)他有益效果將在下文中進一(yi)步述及。

技術特征：

1.一種基于(yu)(yu)金(jin)(jin)(jin)屬擴散流(liu)的(de)(de)掃描探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)，其(qi)(qi)特征(zheng)在于(yu)(yu)，包括直徑(jing)為幾十微米(mi)以下的(de)(de)探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)前端，所述(shu)探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)前端經過表面修(xiu)飾而(er)形(xing)成浸(jin)潤(run)涂層(ceng)和/或合金(jin)(jin)(jin)化誘(you)導層(ceng)，其(qi)(qi)中，所述(shu)浸(jin)潤(run)涂層(ceng)用(yong)(yong)(yong)以增強金(jin)(jin)(jin)屬對探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)表面的(de)(de)浸(jin)潤(run)性，所述(shu)合金(jin)(jin)(jin)化誘(you)導層(ceng)用(yong)(yong)(yong)以促進(jin)金(jin)(jin)(jin)屬與(yu)探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)表面的(de)(de)合金(jin)(jin)(jin)化反應，從而(er)促進(jin)金(jin)(jin)(jin)屬在所述(shu)探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)前端的(de)(de)流(liu)動(dong)；其(qi)(qi)中，在電偏壓作用(yong)(yong)(yong)下，所述(shu)掃描探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)吸取的(de)(de)所述(shu)金(jin)(jin)(jin)屬在所述(shu)探(tan)(tan)(tan)(tan)針(zhen)前端的(de)(de)表面而(er)形(xing)成定(ding)向流(liu)動(dong)的(de)(de)金(jin)(jin)(jin)屬擴散流(liu)。

2.如權利要求1所述(shu)的基(ji)于(yu)金屬(shu)擴(kuo)散流的掃描探針，其特征在(zai)于(yu)，所述(shu)探針前端的材(cai)料(liao)為金屬(shu)材(cai)質細針尖(jian)、纖維、納米(mi)線或納米(mi)管。

3.如權利(li)要求1或(huo)2所述(shu)的(de)(de)基于金屬擴(kuo)(kuo)散流(liu)的(de)(de)掃(sao)描(miao)探(tan)針，其特(te)征在于，所述(shu)浸潤涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)形成(cheng)擴(kuo)(kuo)散流(liu)的(de)(de)金屬對(dui)于浸潤涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)表面的(de)(de)浸潤角小于九十度，浸潤涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)可優選的(de)(de)為zno層(ceng)(ceng)(ceng)；形成(cheng)擴(kuo)(kuo)散流(liu)的(de)(de)金屬可優選的(de)(de)包括ga或(huo)gain合金。

4.一種微納米加工設備，其特征在(zai)于(yu)，包括：

5.如權利要求4所述的微納米加(jia)(jia)工設備(bei)，其(qi)特征在于，還(huan)包括加(jia)(jia)熱附(fu)件，其(qi)經配置以(yi)加(jia)(jia)熱所述金(jin)屬至其(qi)熔點附(fu)近或(huo)熔點以(yi)上，以(yi)增強金(jin)屬的流動性(xing)。

6.如權利(li)要求4或5所(suo)述(shu)(shu)的微(wei)納米加(jia)工設備，其特征(zheng)在于，所(suo)述(shu)(shu)加(jia)工為金屬增材制(zhi)造或金屬噴射切割時，所(suo)述(shu)(shu)金屬利(li)用施加(jia)電(dian)偏壓預先吸取到所(suo)述(shu)(shu)掃描探針(zhen)上，或直接投放到所(suo)述(shu)(shu)掃描探針(zhen)上。

7.如權(quan)利要(yao)求4至(zhi)6任一項(xiang)所(suo)述(shu)(shu)的微納(na)米加(jia)工設(she)(she)(she)備，其特征在于，所(suo)述(shu)(shu)加(jia)工為金屬增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)時(shi)，所(suo)述(shu)(shu)掃(sao)(sao)描探針(zhen)與基(ji)(ji)底(di)(di)為接觸(chu)式和懸(xuan)(xuan)離(li)式設(she)(she)(she)置；所(suo)述(shu)(shu)加(jia)工為金屬噴射切(qie)割時(shi)，所(suo)述(shu)(shu)掃(sao)(sao)描探針(zhen)與基(ji)(ji)底(di)(di)為懸(xuan)(xuan)離(li)式設(she)(she)(she)置；對于接觸(chu)式設(she)(she)(she)置，施加(jia)正向電偏壓(ya)后(hou)，金屬沿(yan)著探針(zhen)表面(mian)以擴散(san)流形式流動到所(suo)接觸(chu)的基(ji)(ji)底(di)(di)位(wei)置；對于懸(xuan)(xuan)離(li)式設(she)(she)(she)置，施加(jia)正向電偏壓(ya)后(hou)，金屬沿(yan)著探針(zhen)表面(mian)以擴散(san)流形式流動到探針(zhen)最前(qian)端(duan)，并在電偏壓(ya)作(zuo)用下噴射到基(ji)(ji)底(di)(di)位(wei)置處，進行(xing)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)或噴射切(qie)割。

8.如權利要求4至6任一項(xiang)所(suo)述的微納米加(jia)工(gong)設(she)備(bei)，其特征在(zai)于，所(suo)述加(jia)工(gong)為金(jin)屬減(jian)材制(zhi)造時，所(suo)述掃(sao)描探針(zhen)與基(ji)(ji)底為接觸式設(she)置(zhi)，施加(jia)反向(xiang)電偏壓后(hou)，金(jin)屬從所(suo)述掃(sao)描探針(zhen)接觸的基(ji)(ji)底向(xiang)探針(zhen)表面流動。

9.一種(zhong)微(wei)納米加(jia)工(gong)方法，其特征(zheng)在于(yu)，使(shi)用如權(quan)利要求(qiu)4至8任(ren)一項所述的微(wei)納米加(jia)工(gong)設(she)備進行微(wei)納米尺(chi)度上的加(jia)工(gong)。

技術總結
一種基于金屬擴散流的掃描探針、微納米加工設備和方法，該掃描探針包括直徑為幾十微米以下的探針前端，所述探針前端經過表面修飾而形成浸潤涂層和/或合金化誘導層，其中，所述浸潤涂層用以增強金屬對探針表面的浸潤性，所述合金化誘導層用以促進金屬與探針表面的合金化反應，從而促進金屬在所述探針前端的流動；其中，在電偏壓作用下，所述掃描探針吸取的所述金屬在所述探針前端的表面形成定向流動的金屬擴散流。本發明使得金屬可以沿探針、纖維或納米管等表面，作為擴散流在電偏壓操控下流動實現微納米尺度打印或加工。本發明對金屬的打印精度可以達到納米到原子級，且在原子尺度的制造相對STM具有更高的制備效率。

技術研發人員：王自強,樓佳濤,劉一航
受保護的技術使用者：清華大學深圳國際研究生院
技術研發日：
技術公布日：2024/9/9