基于二维材料纳米探针的研究及应用

发布时间：2020-05-09 13:14

【摘要】：纳米探针通常定义为针尖半径小于100 nm的探针,它是当今纳米科学与技术领域中研究材料、分子和颗粒性质最重要的表征工具之一。扫描探针显微镜(SPM)技术主要利用探针与样品之间的相互作用力来探测样品表面的形貌、物理、机械、化学和电学性质。因此,纳米探针对于获取高分辨图像和可靠性数据起着十分关键的作用。目前,SPM纳米探针的工业技术在很大程度上依赖于硅体微加工技术来制备针尖尖端的形状轮廓,并用导电涂层来提供附加性功能。为了确保针尖较小的半径,维持高的图像分辨率,因此涂层的厚度不能太厚。然而,在测试过程中产生的高电流密度和大横向摩擦力,往往会使导电纳米探针的金属薄膜镀层快速退化,丧失导电性。这些是当前行业内公认的技术难题,使得探针过快消耗而增加使用成本。现有的掺杂金刚石探针和纯固体金属探针虽然能够有效地降低探针的磨损速度,但是与普通金属镀层导电探针相比,价格十分昂贵,而且金刚石极强的硬度对样品表面易造成损伤。因此,寻找合适的导电镀层替代材料以提高探针的使用性能和寿命,并实现在其它特殊性能方面的提升十分必要。本博士论文中,结合二维材料石墨烯优异机械和电学性质,研发了一种石墨烯包覆纳米探针。总体来讲,与普通导电探针相比,本论文制备的石墨烯探针不仅展现了可抵抗高电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进功能,比如:压电性和疏水性。本论文包含五个章节,具体的研究内容如下:第一章概括总结了导电纳米探针的现状、二维材料的性质和应用、石墨烯的制备方法与应用及其作为包覆层在各个领域的应用研究。第二章研究了氧化环境对石墨烯机械性能的影响,结果发现石墨烯的晶界区域易被氧化生成突起的氧化物,其机械性能显著下降,而未被氧化的石墨烯晶域内仍保持原来的良好性能,该研究反映了制备高质量大尺寸单晶石墨烯的重要性。第三章中,研发了一种简便易操作的溶液浸泡法制备石墨烯包覆纳米探针(下文简写石墨烯探针)的技术方法,及相关电学性能表征。利用氧化还原法制备石墨烯片层包覆的纳米探针具有延长的使用寿命和可靠性,并保持了较高的图像横向分辨率和导电性。该制备方法的突出优势是简单高效,时间仅需10 s,且制备条件温和,成本极低。第四章重点探讨了石墨烯探针的可变性分析,研究表明,由于石墨烯包覆层对探针的影响远比探针自身之间存在的偏差要小,从而石墨烯探针具有较高的可靠性,该研究证明了石墨烯探针符合市场化性能需求。第五章中研究了石墨烯探针的特殊性能及除石墨烯外其他材料的性质和应用。钾掺杂的石墨烯具有压电性,可用于纳米压电机。氧化石墨烯探针,可在纳米尺度下研究金属-氧化石墨烯-金属结构器件的阻变特性等。本论文从研究二维材料石墨烯的基本性质出发,利用其优异的机械学和电学性质,作为包覆层提高纳米探针的性能和使用寿命。同时,石墨烯探针的可靠性和材料的拓展性应用研究为未来纳米电子器件的发展起到了促进作用。本工作中最重要的成果是实现了成果技术的转移,石墨烯探针制备技术已经获中国授权发明专利,并申请了国际专利(专利号:WO2016/074305),在2017年获得了北京协同创新研究院560万元的项目投资,由此体现出该研究的必要性和巨大的潜在应用前景。
【图文】：

形貌,原子力显微镜,结构示意图,样品

基于二维材料纳米探针的研究及应用第一章最终所有采集得的数据发送到计算机上，通过图片处理软件识别，从而获得样品的三维（3D）形貌图[14]。通常情况下，一张普通的 AFM 形貌图包含 256×256 个像素点。导电原子力显微镜（CAFM）是可同时采集样品的形貌图和通过针尖/样品之间的电流图的 AFM，其结构和 AFM 相似（如图 1-1 b）。CAFM 与 AFM 相比，主要有三大不同点：（1）要求 CAFM 中所使用的探针必须导电；（2）在探针和样品之间增加电压源装置；（3）前置放大器用于将（模拟）电流信号转换为（数字）电压，可以被计算读取。在 CAFM 实验中，样品需用导电胶带/胶水固定在样品台上，通常使用的是导电银胶[15]。当在样品和针尖之间施加电压后，会产生电场，使电流通过探针和样品。因此，可以在高纳米分辨条件下探测到样品的局部电学性质。

骨架图,金属有机,过渡金属,氮化物

纳米探针的研究及应用属硫化物（TMDs，比如 MoS2, TiS2, TaS2, WS2, MoSe2, W属氧化物[41]。重要的是，许多新型超薄二维材料在最近几和研究，例如：金属-有机物框架（MOFs）[42,43]、共价有机物[45-47]、黑磷[48]、硅烯[49]等（图 1-5），丰富了 2D 材料这个质主要是由他们的二维结构单元决定，，比如：层状的和铜氧化物，展现出相关的电学现象如电荷密度波和高温
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

【参考文献】