CN114674905B - 用于seccm高分辨成像的探针单元和控制方法 - Google Patents
用于seccm高分辨成像的探针单元和控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114674905B CN114674905B CN202210299233.0A CN202210299233A CN114674905B CN 114674905 B CN114674905 B CN 114674905B CN 202210299233 A CN202210299233 A CN 202210299233A CN 114674905 B CN114674905 B CN 114674905B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- minimized
- probe
- correction
- needle
- needle insertion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 41
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims abstract description 37
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 claims description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 8
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 description 2
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000005385 borate glass Substances 0.000 description 1
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
本发明属于电化学技术领域，公开了一种用于SECCM高分辨成像的探针单元和控制方法，探针单元包括单通道的探针，探针的开孔直径为50‑100nm；探针由控制模块对其液滴针尖进行控制；控制模块用于进行如下控制方法：在进针过程增设最小化的进针电压校正，在进针过程增设最小化的进针速度校正，在电化学测试过程增设最小化的测试电压校正，以及在抬针过程增设最小化的抬起高度校正。本发明极大的提高了成像过程中的稳定性，为实现高分辨的成像提供了更大的可能性；并且不需要添加额外的硬件设备，避免仪器设备成本的过高增加。测试表明，本发明能够成功得到40‑50nm尺寸样品的高分辨形貌图像，已达到国际领先水平。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体的说，是涉及一种用于扫描电化学池显微镜(SECCM)高分辨成像的探针单元和控制方法。
背景技术
作为最新一代的扫描电化学探针显微技术，扫描电化学池显微镜(SECCM)可以同时给出样品的形貌学和电化学活性信息，用于直接研究材料结构-活性的关联。它的最大优势是不需要将样品电极浸泡于溶液中，只在局部测量区域实现溶液的短暂接触。此外，探针的制备和表征更加容易，测量过程也更加稳定。同时，SECCM有很好的兼容性，较为容易与其它技术联用。这使得SECCM成为表面和微观尺度电化学测试中强有力的新技术，广泛应用于半导体材料、纳米颗粒、碳基材料、储能材料以及合成制造等领域。
SECCM的仪器设置包括x-y-z压电***、电流追踪器、波形发生器、数据采集***和探针。SECCM测试过程中，通过探针末端形成的弯月形液滴针尖与目标区域的短暂接触，获取目标区域的表面形貌和电化学活性信息。通过液滴针尖与样品的程序性循环接触，最终得到样品表面的图像信息。可见，SECCM的探针针尖并不单纯是玻璃毛细管的玻璃尖端，还包括玻璃毛细管末端形成的弯月形液滴针尖，而液滴针尖的大小和稳定性决定了可达到的最大分辨率。SECCM的高分辨率成像极大地受限于液滴探针的稳定性。尤其纳米尺寸的小液滴探针，其稳定性控制存在着很大困难，这也是SECCM高分辨图像测试一直存在的挑战。
发明内容
本发明旨在解决扫描电化学池显微镜图像分辨率难以提高的技术问题，提供了一种用于SECCM高分辨成像的探针单元和控制方法，通过提高扫描电化学池显微镜液滴针尖的稳定性，达到扫描电化学池显微镜的高分辨成像的目的。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于SECCM高分辨成像的探针单元，包括单通道的探针，所述探针的开孔直径为50-100nm；所述探针由控制模块对其液滴针尖进行控制；所述控制模块用于在进针过程增设最小化的进针电压校正，在进针过程增设最小化的进针速度校正，在电化学测试过程增设最小化的测试电压校正，以及在抬针过程增设最小化的抬起高度校正。
进一步地，所述最小化的进针电压校正为：将所述进针的电压值校正为高于阈值电流所需最小电压值0.1-0.4V。
进一步地，所述最小化的进针速度校正为：将所述进针的速度校正为0.1-0.3μms-1。
进一步地，所述最小化的电化学测试电压校正为：将测试电压校正为高于反应起始电压0.1-0.3V。
进一步地，所述最小化的抬起高度校正为：将抬起高度校正为2-4倍的所述探针的直径。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于SECCM高分辨成像的控制方法，其跳跃模式循环如下运行过程直至成像完成：(1)进针；(2)电化学测试；(3)抬针；该控制方法对探针的液滴针尖进行控制，所述探针具有单通道，其开孔直径为50-100nm；并且：
步骤(1)的进针还包括最小化的进针电压校正；
步骤(1)的进针还包括最小化的进针速度校正；
步骤(2)的电化学测试还包括最小化的测试电压校正；
步骤(3)的抬针还包括最小化的抬起高度校正。
进一步地，所述最小化的进针电压校正为：将所述进针的电压值校正为高于阈值电流所需最小电压值0.1-0.4V。
进一步地，所述最小化的进针速度校正为：将所述进针的速度校正为0.1-0.3μms-1。
进一步地，所述最小化的电化学测试电压校正为：将测试电压校正为高于反应起始电压0.1-0.3V。
进一步地，所述最小化的抬起高度校正为：将抬起高度校正为2-4倍的所述探针的直径。
本发明的有益效果是：
本发明通过合适的探针开孔尺寸和液滴针尖控制，极大的提高了成像过程中的稳定性，为实现高分辨的成像提供了更大的可能性；并且不需要添加额外的硬件设备，仅在原设备基础上增加特定的稳定性控制即可，避免仪器设备成本的过高增加。
利用本发明的探针单元和控制方法，运行扫描电化学池显微镜的高分辨图像测试，能够成功得到40-50nm尺寸样品的高分辨形貌图像，已达到国际领先水平。
附图说明
图1为本发明的用于SECCM高分辨成像的探针单元结构示意图；
图2为实施例1中探针的TEM图像；
图3为实施例1和2所测得的高分辨形貌图像；其中(a)为100-110nm线宽的矩阵使用SECCM测试得到的高分辨形貌图像，(b)为50-80nm线宽的矩阵使用SECCM测试得到的高分辨形貌图像。
图4为实施例3所测得的高分辨形貌图像；其中(a)为40-50nm样品的SEM图；(b)为SECCM测试得到的高分辨形貌图像。
图中：1、探针；2、液滴针尖；3、跳跃模式；4、控制模块。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供了一种用于SECCM高分辨成像的探针单元，包括探针1和液滴针尖2。液滴针尖2的大小和稳定性决定了其可达到的最大分辨率。因此，想要获得更高的分辨率，则需要更小的探针1开孔直径和更稳定的液滴针尖2。纳米尺寸的液滴针尖2对应着pA甚至fA级别的小电流。常用的跳跃模式3中，都包含进针-电化学测试-抬针-进针的多次循环运行过程，每一步骤的运行均会影响液滴针尖2的稳定性。因此，需要实现液滴针尖2的稳定控制，才能得到高分辨的形貌图像。
探针1通常由硼酸盐玻璃制成，探针1具有单通道开孔。本发明的探针单元和控制方法将探针单元中探针1的开孔直径限定为50-100nm，该开孔直径确保了SECCM成像过程可能达到的最高分辨率。
同时，本发明的探针单元还包括与探针1连接的控制模块4，控制模块4用于对液滴针尖2进行控制，其控制方法包括如下过程：
在进针过程增加设置最小化的进针电压校正。优选地，将进针的电压值校正为高于阈值电流所需最小电压值0.1-0.4V。其中，阈值电流是指控制进针停止的预设电流。
在进针过程增加设置最小化的进针速度校正。优选地，将进针的速度校正为0.1-0.3μm s-1。
在电化学测试过程增加设置最小化的测试电压校正。优选地，将测试电压校正为高于反应起始电压0.1-0.3V。其中，反应起始电压是指反应开始发生时的电压。
在抬针过程增加设置最小化的抬起高度校正。优选地，将抬起高度校正为2-4倍的探针1的直径。
本发明的探针单元和控制方法通过进针、电化学测试、抬针、进针每一步骤的校正，从而实现对液滴针尖2在pA量级电流下高灵敏性和高稳定性的有效控制，进而实现高分辨的形貌成像。
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
实施例1
采用开孔直径为50-100nm的硼硅酸盐玻璃探针1，运行跳跃模式3的扫描电化学池显微镜进行图像测试，测试100-110nm线宽的矩阵样品的形貌，跳跃模式3运行的详细步骤如下：
(1)探针1中填充特定电解液，背部***Ag/AgCl丝电极参比对电极，进行电化学析氢测试；
(2)在较大的进针电压(-1.5～-2.0V)和较大的进针速度(0.4-0.8μm s-1)下，探针靠近基底样品；
(3)探针1接触样品后，增加最小化的进针电压校正，具体为控制进针电压高于阈值电流所需电压0.1-0.4V。
其中，阈值电流所需最小电压值为-0.8V。
并且，探针1接触样品后，在增加最小化进针速度校正，具体为控制进针速度为0.1-0.3μm s-1。
(5)运行单步电化学测试后，测试过程中增加最小化的测试电压校正，具体为控制电化学测试电压高于反应起始电压0.1-0.3V。
其中，反应起始电压为-0.5V。
(6)执行探针1抬起过程；增加探针1抬起高度校正，具体为控制探针1抬起高度为2-4倍的探针1直径。
实施例2
采用实施例1中探针单元和控制方法，对50-80nm线宽的矩阵样品进行高分辨的形貌图像测试；其与实施例1的区别仅在于进针电压设置为-0.7V。
实施例3
采用实施例1中探针单元和控制方法，对40-50nm纳米颗粒样品进行高分辨的形貌图像测试；其与实施例1的区别仅在于进针电压设置为-0.7V。
关于上述实施例结果和数据讨论
图2为实施例1中探针1的TEM图像。从图2中可以看出，所用探针1的开孔直径为50-60nm。
图3为实施例1和2所测得的高分辨形貌图像。从图3中可以看出，成功得到了100-110nm线宽和50-80nm线宽矩阵的高分辨形貌图像，且图像与SEM结果可以很好的对应。
图4为实施例3所测得的高分辨形貌图像。从图4中可以看出，成功得到了40-50nm纳米颗粒的高分辨形貌图像，且图像与SEM结果可以很好的对应。
可见，本发明的探针单元和控制方法能够对液滴针尖2稳定性进行成功控制。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于SECCM高分辨成像的探针单元，包括单通道的探针，其特征在于，所述探针的开孔直径为50-100nm；所述探针由控制模块对其液滴针尖进行控制；所述控制模块用于在进针过程增设最小化的进针电压校正，在进针过程增设最小化的进针速度校正，在电化学测试过程增设最小化的测试电压校正，以及在抬针过程增设最小化的抬起高度校正。
2.根据权利要求1所述的一种用于SECCM高分辨成像的探针单元，其特征在于，所述最小化的进针电压校正为：将所述进针的电压值校正为高于阈值电流所需最小电压值0.1-0.4V。
3.根据权利要求1所述的一种用于SECCM高分辨成像的探针单元，其特征在于，所述最小化的进针速度校正为：将所述进针的速度校正为0.1-0.3μm s-1。
4.根据权利要求1所述的一种用于SECCM高分辨成像的探针单元，其特征在于，所述最小化的电化学测试电压校正为：将测试电压校正为高于反应起始电压0.1-0.3V。
5.根据权利要求1所述的一种用于SECCM高分辨成像的探针单元，其特征在于，所述最小化的抬起高度校正为：将抬起高度校正为2-4倍的所述探针的直径。
6.一种用于SECCM高分辨成像的控制方法，其跳跃模式循环如下运行过程直至成像完成：(1)进针；(2)电化学测试；(3)抬针；其特征在于，该控制方法对探针的液滴针尖进行控制，所述探针具有单通道，其开孔直径为50-100nm；并且：
步骤(1)的进针还包括最小化的进针电压校正；
步骤(1)的进针还包括最小化的进针速度校正；
步骤(2)的电化学测试还包括最小化的测试电压校正；
步骤(3)的抬针还包括最小化的抬起高度校正。
7.根据权利要求6所述的一种用于SECCM高分辨成像的控制方法，其特征在于，所述最小化的进针电压校正为：将所述进针的电压值校正为高于阈值电流所需最小电压值0.1-0.4V。
8.根据权利要求6所述的一种用于SECCM高分辨成像的控制方法，其特征在于，所述最小化的进针速度校正为：将所述进针的速度校正为0.1-0.3μm s-1。
9.根据权利要求6所述的一种用于SECCM高分辨成像的控制方法，其特征在于，所述最小化的电化学测试电压校正为：将测试电压校正为高于反应起始电压0.1-0.3V。
10.根据权利要求6所述的一种用于SECCM高分辨成像的控制方法，其特征在于，所述最小化的抬起高度校正为：将抬起高度校正为2-4倍的所述探针的直径。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210299233.0A CN114674905B (zh) | 2022-03-25 | 2022-03-25 | 用于seccm高分辨成像的探针单元和控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210299233.0A CN114674905B (zh) | 2022-03-25 | 2022-03-25 | 用于seccm高分辨成像的探针单元和控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114674905A CN114674905A (zh) | 2022-06-28 |
| CN114674905B true CN114674905B (zh) | 2024-01-19 |
Family
ID=82073536
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210299233.0A Active CN114674905B (zh) | 2022-03-25 | 2022-03-25 | 用于seccm高分辨成像的探针单元和控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114674905B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109142797A (zh) * | 2018-09-05 | 2019-01-04 | 西安交通大学 | 一种液滴型扫描离子电导显微镜及其探针和扫描方法 |
| CN109900764A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-06-18 | 西安交通大学 | 一种用于seccm的微环境控制平台及其扫描方法 |
| CN111122750A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-08 | 河南阿尔法科学仪器有限公司 | 一种全自动转塔式固相微萃取装置 |
| CN111693737A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-09-22 | 中国科学院力学研究所 | 一种用于样品表面形貌测量的纳米纤维探针针尖制作方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6985087B2 (ja) * | 2017-09-28 | 2021-12-22 | 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス | インクジェット印刷装置のヘッド電圧補正方法及びそれを用いた装置 |
| US10739378B2 (en) * | 2018-04-24 | 2020-08-11 | The Trustees Of Columbia University In The City Of New York | Non-local scanning probes for scanning probe microscopy |
-
2022
- 2022-03-25 CN CN202210299233.0A patent/CN114674905B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109142797A (zh) * | 2018-09-05 | 2019-01-04 | 西安交通大学 | 一种液滴型扫描离子电导显微镜及其探针和扫描方法 |
| CN109900764A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-06-18 | 西安交通大学 | 一种用于seccm的微环境控制平台及其扫描方法 |
| CN111122750A (zh) * | 2020-01-16 | 2020-05-08 | 河南阿尔法科学仪器有限公司 | 一种全自动转塔式固相微萃取装置 |
| CN111693737A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-09-22 | 中国科学院力学研究所 | 一种用于样品表面形貌测量的纳米纤维探针针尖制作方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 超疏水材料表面冷凝液滴自移除及液滴尺寸分布规律;周宝玉;杨辉;冯伟;姜玉凤;陈跃;;表面技术(05);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114674905A (zh) | 2022-06-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102586854B (zh) | 一种高效率自动化钨针制备装置及方法 | |
| Gewirth et al. | Fabrication and characterization of microtips for in situ scanning tunneling microscopy | |
| Bentley et al. | Nanoscale electrochemical movies and synchronous topographical mapping of electrocatalytic materials | |
| Eckhard et al. | Redox competition mode of scanning electrochemical microscopy (RC-SECM) for visualisation of local catalytic activity | |
| EP0318289B1 (en) | Apparatus and method for detecting tunnel current and electro-chemical reaction | |
| Ballesteros Katemann et al. | Constant‐Distance Mode Scanning Electrochemical Microscopy. Part II: High‐Resolution SECM Imaging Employing Pt Nanoelectrodes as Miniaturized Scanning Probes | |
| JP2013533497A (ja) | 電解質および電極を含むピペット | |
| CN101696980A (zh) | 一种制备纳米钨探针针尖的方法 | |
| CN108550513B (zh) | 三维力电透射电镜原位样品杆 | |
| JP2010261923A (ja) | 走査型電気化学イオンコンダクタンス顕微鏡測定法、走査型電気化学イオンコンダクタンス顕微鏡、その探針および探針の製造方法 | |
| Sripirom et al. | Easily made and handled carbon nanocones for scanning tunneling microscopy and electroanalysis | |
| Wang et al. | Nanofabrication of the gold scanning probe for the STM-SECM coupling system with nanoscale spatial resolution | |
| CN114674905B (zh) | 用于seccm高分辨成像的探针单元和控制方法 | |
| Clausmeyer et al. | Detection of individual nanoparticle impacts using etched carbon nanoelectrodes | |
| Zhang et al. | Coral-like hierarchical structured carbon nanoscaffold with improved sensitivity for biomolecular detection in cancer tissue | |
| CN110108905A (zh) | 一种神经细胞膜电位和神经细胞膜修复行为检测方法及装置 | |
| Tarolla et al. | Electrodeposition of ligand-free copper nanoparticles from aqueous nanodroplets | |
| Zhuang et al. | Scanning electrochemical cell microscopy stable imaging method with a backpressure at the back of its nanopipet | |
| CN111257384A (zh) | 一种碳纳米管纤维电致变形实验台及实验方法 | |
| Qiao et al. | Fabrication of nanoelectrodes for neurophysiology: cathodic electrophoretic paint insulation and focused ion beam milling | |
| Dincer et al. | SECM detection of single boron doped diamond nanodes and nanoelectrode arrays using phase-operated shear force technique | |
| Rudolph et al. | Scanning electrochemical microscopy imaging of rhodochrosite dissolution using gold amalgam microelectrodes | |
| Kato | In-situ liquid TEM study on the degradation mechanism of fuel cell catalysts | |
| CN114166727B (zh) | 一种用于一氧化氮检测的细胞传感器及其应用 | |
| CN109487370A (zh) | 纺丝mof-235-500℃材料及其制备方法和应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |