一种纳米探针的制备方法

技术领域

本发明属于纳米制造测量技术领域，具体涉及一种纳米探针的制备方法。

背景技术

纳米技术作为当今世界科学发展的一个新兴领域，其核心是纳米加工技术。纳米加工技术水平的提高将对航空航天、微纳传感、生命科学、集成电路等技术领域产生巨大的影响。而纳米加工技术离不开纳米制造与测量，纳米制造与测量用来保证加工的精度，其精度往往至少要高于加工一个数量级，否则纳米加工将无标准可遵循。可见纳米制造与测量在纳米加工将在纳米技术的发展中占有极其重要的地位。近年来，随着原子力显微镜(AFM)技术的发展和应用，使得纳米尺度下的实验研究得到更为精确的实验数据成为可能。近年来发展起来的AFM胶体探针技术，即通过测量电解质溶液中胶体探针受到带电表面的作用力，获得表面电势和表面电荷密度。所谓胶体探针技术是指将一个微米尺寸的微球粘结到AFM的探针悬臂梁末端作为传感器，实现界面相互作用力的测量。AFM胶体探针技术是在纳米尺度测量静电作用探索表面电荷影响的有效手段。但是胶体探针尺寸在1-10微米，测试精度有限，缺乏在纳米尺度的测量。与此同时，胶体探针是通过胶水粘贴，本身粘贴位置就很难把控影响精确度，同时遇到高温或液体常常容易脱落。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种纳米探针的制备方法。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种纳米探针的制备方法，该方法通过在AFM显微镜探针的尖端附着金属纳米粒子得到纳米探针，具体包括以下实现步骤：

1)制备金属纳米粒子溶液

将金属纳米粒子溶液与含有金属离子的金属化合物溶液加入到氨基乙酸-氢氧化钠溶液中进行反应，混合均匀后，在设定温度下，反应一段时间后，冷却至室温，用去离子水洗涤数次，得到预设浓度的金属纳米粒子溶液；

2)在AFM探针尖端组装金属纳米粒子

首先将表面活性剂P123、1M氢氯酸和乙醇混合，再加入四氯化硅搅拌成为溶液，将溶液倒入蒸发皿中，静置，得到半固态硅酸混合溶液；将步骤1)中配置好的金属纳米粒子溶液加入2)形成的半固态硅酸混合溶液中得到混合溶液，将AFM探针浸入混合溶液一段时间后取出得到金属纳米探针。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，金属纳米粒子溶液的浓度为120-150pM，选择银纳米粒子或金纳米粒子。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，金属粒子类型选择重金属粒子中的铜、铅、锌、铁、钴和镍的一中，浓度为3-5μM。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，氨基乙酸-氢氧化钠的浓度为3-5mM。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，金属纳米粒子溶液、金属离子溶液以及氨基乙酸-氢氧化钠溶液的体积比为(3-5):(1-1.5):(1-1.5)。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，反应温度为160-200℃，反应时间为5-10h。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，表面活性剂P123、1M氢氯酸和乙醇的体积比为1:(0.2-0.5):(2-5)：(0.5-1.5)。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，溶液倒入蒸发皿后静置12-24h。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，将AFM探针浸入混合溶液15-30min后取出，得到金属纳米探针。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种纳米探针的制备方法，该制备方法精准测量纳米到微米尺度范围的界面，填补了该尺度空缺，可用来测量表面电势及表面电荷密度，以及解决纳米摩擦学领域的重要技术瓶颈。现有技术中，球形探针的尖端小球成微米量级，而本发明制备出来的探针尖端小球为纳米尺度，则本发明中的探针更适合纳米尺度的各种测量应用。

附图说明

图1为普通胶体探针扫描电子显微镜图片。

图2为本发明具体实施例中使用的原子力显微镜探针扫描电子显微镜图片。

图3为本发明具体实施例中原子力显微镜探针尖端生长有金纳米颗粒的扫描电子显微镜图片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步解释说明。

本发明提供的一种纳米探针的制备方法。具体步骤如下：

1)制备金属纳米粒子溶液

将120-150pM(M即mol/L)的金或银纳米粒子溶液与含有重金属粒子如铜、铅、锌、铁、钴、镍的金属化合物溶液浓度为3-5μM加入到浓度为3-5mM的氨基乙酸-氢氧化钠溶液中进行反应。按照金属纳米粒子溶液、金属离子溶液以及氨基乙酸-氢氧化钠溶液的体积比为(3-5):(1-1.5):(1-1.5)进行混合。混合均匀后，在160-200℃温度下，反应5-10h后，冷却至室温，用去离子水洗涤数次，得到一定浓度的金属纳米粒子溶液。

2)在AFM探针尖端组装金属纳米粒子

首先将表面活性剂P123、1M氢氯酸和乙醇按一定的体积比混合，表面活性剂P123、1M氢氯酸、乙醇和四氯化硅的比例为1:(0.2-0.5):(2-5)：0.5-1.5，配置200-500mL溶液。将溶液倒入蒸发皿中，静置12-24h，表面活性剂形成的胶束随着乙醇的挥发。将1)中配置好的溶液加入2)形成的溶液中得到混合溶液。将AFM探针浸入混合溶液15-30min后取出得到金属纳米探针。

实施例1

1)制备金纳米粒子溶液

将120pM的金纳米粒子溶液与含有铁粒子的氧化铁化合物溶液浓度为3μM加入到浓度为3mM的氨基乙酸-氢氧化钠溶液中进行反应。按照金纳米粒子溶液、氧化铁溶液以及氨基乙酸-氢氧化钠溶液的体积比为3:1:1进行混合。混合均匀后，在160℃温度下，反应5h后，冷却至室温，用去离子水洗涤数次，得到一定浓度的金纳米粒子溶液。

2)在AFM探针尖端组装金纳米粒子

如图1为普通胶体探针SEM图像，图2为AFM的探针。首先将表面活性剂P123、1M氢氯酸和乙醇按一定的体积比混合，表面活性剂P123、1M氢氯酸、乙醇和四氯化硅的比例为1:0.2:2:0.5，配置200mL溶液。将溶液倒入蒸发皿中，静置12h，表面活性剂形成的胶束随着乙醇的挥发。将1)中配置好的溶液加入2)形成的溶液中得到混合溶液。将AFM探针浸入混合溶液15min后取出得到金纳米探针如图3所示。相比于图1尖端的纳米颗粒极大的缩小了针尖的曲率半价。

实施例2

1)制备金纳米粒子溶液

将135pM的金或银纳米粒子溶液与含有铅粒子的氢氧化铅溶液浓度为4μM加入到浓度为4mM的氨基乙酸-氢氧化钠溶液中进行反应。按照金属纳米粒子溶液、金属离子溶液以及氨基乙酸-氢氧化钠溶液的体积比为4:1.2:1.2进行混合。混合均匀后，在180℃温度下，反应8h后，冷却至室温，用去离子水洗涤数次，得到一定浓度的银纳米粒子溶液。

2)在AFM探针尖端组装银纳米粒子

首先将表面活性剂P123、1M氢氯酸和乙醇按一定的体积比混合，表面活性剂P123、1M氢氯酸、乙醇乙醇和四氯化硅的比例为1:0.3:3：1，配置300mL溶液。将溶液倒入蒸发皿中，静置18h，表面活性剂形成的胶束随着乙醇的挥发。将1)中配置好的溶液加入2)形成的溶液中得到混合溶液。将AFM探针浸入混合溶液25min后取出得到银纳米探针。

实施例3

1)制备银纳米粒子溶液

将150pM的金或银纳米粒子溶液与含有铅粒子的氢氧化铅溶液浓度为5μM加入到浓度为5mM的氨基乙酸-氢氧化钠溶液中进行反应。按照金属纳米粒子溶液、金属离子溶液以及氨基乙酸-氢氧化钠溶液的体积比为5:1.5:1.5进行混合。混合均匀后，在200℃温度下，反应10h后，冷却至室温，用去离子水洗涤数次，得到一定浓度的银纳米粒子溶液。

2)在AFM探针尖端组装银纳米粒子

首先将表面活性剂P123、1M氢氯酸和乙醇按一定的体积比混合，表面活性剂P123、1M氢氯酸、乙醇和四氯化硅的比例为1:0.5:5：1.5，配置300mL溶液。将溶液倒入蒸发皿中，静置24h，表面活性剂形成的胶束随着乙醇的挥发。将1)中配置好的溶液加入2)形成的溶液中得到混合溶液。将AFM探针浸入混合溶液30min后取出得到银纳米探针。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。