电化学腐蚀法制备针尖的试验研究

ziliao

　　　　　　　　　　传感器技术(JournalofTransducerTechnology)　　　　　　　　　　　2005年第24卷第3期24

电化学腐蚀法制备针尖的试验研究

王明环,朱　荻,徐惠宇

(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)

3

摘　要:用电化学腐蚀法制备微小尺寸的针尖,在深入分析电化学腐蚀原理的基础上,率的方法对腐蚀过程进行控制,使切断时间控制在微秒级以下,深度、溶液浓度等)对试验结果的影响进行了分析,关键词:电化学腐蚀;针尖;电流变化率控制法;中图分类号:TN16;TH742　　　9787(2005)03-0024-03

ontipspreparationusing

micaletching

WANGMing2huan,ZHUDi,XUHui2yu

(CollechandElecEngin,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)Abstract:

Preparationofsmallsizedtipsisobtainedusingelectrochemicaldissolution.Basedonthe

understandingoftheprincipleofelectrochemicaletching,theratioofcurrentchangeisdetectedtocontrolthedissolutionprocess;cutofftimeislimitedbelowmicrosecond.Effectsoftheappliedvoltage,immerseddepthandelectrolyteconcentrationonthesizeoftipsarediscussed.Tipslessthanmicrometerisfabricated.Keywords:electrochemicaletching;tips;ratioofcurrentchange;tipsquality

0　引　言

置如图1所示,阳极为直径0.3mm的钨丝,阴极为1mm厚的不锈钢板。为防止钨丝受液体搅动的影响,钨丝装在固定于机床主轴的不锈钢管内。阴极不锈钢板上钻一直径

8mm的孔,钨丝穿过孔的中心处,以保证腐蚀出的针尖圆

扫描隧道显微镜(STM)由于其极高的分辨力在微细/精密加工领域得到了广泛的应用。作为STM的探测元件———扫描探针,在很大程度上决定着扫描隧道显微镜的性能,探针的尺寸、形状以及化学成分直接影响着STM扫描图像的质量。针尖的尺寸越小,扫描图像的质量和分辨力越高,因此,针尖制备是非常关键的工艺。

目前,制备针尖的研究方法有多种,如,机械成型法、离子束铣削法、电子束沉积法、场致蒸发法等[1],但是,这些方法都存在各自的局限性。电化学腐蚀法由于是以离子的形式去除材料,而且,这种方法经济、方便、高效、加工参数容易控制,经常用于针尖的制备,国内外某些科研机构在此研究领域进行了研究与探讨[2～4]。

利用电化学腐蚀法制备针尖非常关键的工序,就是在电极丝断裂的瞬间及时切断电源,否则,针尖就会继续腐蚀而发生变形,影响针尖的质量。针对以上问题,本文采取检测腐蚀电流变化率的办法对腐蚀过程进行控制,在电极丝断裂的瞬间迅速切断电源,制备出较高质量的针尖。

1　试验装置与控制系统

度均匀。在阳极和阴极之间通电后,阴极不锈钢板上会有气泡(H2)冒出,电化学反应开始进行,阴阳两极发生电化学反应

。

图1　电化学腐蚀原理图

Fig1　Principlediagramofelectrochemicaletching

1.1　试验装置

试验在自行研制的微细数控电解加工机床上进行。装

收稿日期:2004-09-27

3基金项目:航空科学基金重点资助项目(04H52055)

(1)阴极反应

6H2O+6e-→3H2(g)+6OH-。(2)阳极反应

2

W+8OH-→WO　+4H2O+6e-;4-2W(g)+2OH-+2H2O→WO　+2H2(g)。4-

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2　　腐蚀过程中,WO　4-离子在重力作用下沿着钨丝下

点采样的时间间隔。

由于腐蚀过程中电流呈线性变化,所以,电流变化率正常情况下为1,当电流的变化率大于1时,说明电流发生突变,由试验结果发现,电流突变的变化率取2时,即为电极丝断的瞬间。

其控制过程为:由电流传感器CHB225NP检测腐蚀过程中的电流信号,由数据采集卡PCI7344对数据进行采集与处理,同时,,计算出电流的变化率,,切断电源,同时,,离开液面,获得腐3

100×10次/秒,

移,包裹在钨丝下部的表面,保护钨丝进一步溶解;同时,与液面交界处的钨丝溶解最快,随着溶解的进行,此处越来越细,最后,在下部重力作用下拉断,形成针尖状结构。

试验采用电解液为1～2.5mol/L的KOH,腐蚀电压为

2～15V,温度为25℃。

1.2　试验控制系统

电化学针尖腐蚀过程中,电流随时间线性减小,如图

2。在电极丝断裂的瞬间,电流会突然减小到接近0。根据

这一现象,过去研究人员通常采取设置一电流参考值的办法,当加工电路中的电流小于这个参考值时,说明钨丝断裂,此时,控制电路切断电源,避免针尖进一步腐蚀钨丝断裂时的电流随浸入深度、不同,所以,电流参考值很难确定,,控制流程图如图3

从检测到电流突变到电源切断的时间为微秒级以下,从而可以很好地控制切断时间,获得小尺寸针尖。试验获得的针尖由×1500的显微镜测量。

2　试验结果与讨论

为了获得较好的试验加工工艺,分别对影响试验的加工参数,如,腐蚀电压、电解液浓度、浸入深度等对试验结果的影响进行分析。

2.1　加工过程中的电流变化

λ/A可知,随着电极丝材料由欧姆定律U=IR和R=ρ的不断蚀除,电极丝浸入溶液的面积逐渐减小,致使电解液阻抗增加,从而加工电流减小。随着腐蚀的进行,电流值越来越小,当反应进行到一定阶段时,电流发生突变,减小到

图2　电流随时间变化曲线

Fig2　Relationcurveoftime2

current

接近0值,试验表明:此时刻即为钨丝断裂的瞬间。

2.2　电压对钨丝针尖的影响

根据法拉第定律[5],电流的大小直接影响着材料的去除量。试验测得钨在浓度为2mol/L的KOH中溶解时的电流-电压变化曲线如图4,取浸入深度为2mm,从图中可以看出:在电压小于2V时,钨丝基本没有溶解,随着电压的升高,电流越来越大,钨丝溶解也越快,电压在5～9V范围

内,电流密度没有明显的变化,因为这段时间内钨丝表面有钝化膜形成,腐蚀加工过程受到抑制;电压大于9V时,钝化膜被破坏,电流密度迅速增加,电化学反应剧烈,然而,此时腐蚀加工过程不容易控制,

腐蚀后的针尖容易变形。

图3　试验过程控制流程图

Fig3　Flowchartofprocesscontrol

图中,电流变化率ζ由下式表示为

ζ=

(I-I)/ΔtI-I(i=1,2,3…).(Ii-Ii+1)/ΔtIi-Ii+1

图4　电流-电压关系曲线

Fig4　Relationcurveofvoltage2current

取电流信号采集过程中第i个采样值为Ii,相邻的第

i+1个采样值为Ii+1,第i+2个采样值为Ii+2,Δt为相邻两

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试验还测得针尖长径比-电压变化曲线,如图5。所谓长径比是指针尖总的长度与钨丝直径的比值,由图中可以看出:随着电压的升高,针尖的长径比减小,而且,减小速度逐渐变得缓慢,这是由于在电压小于5V时,腐蚀电流随着电压的升高而迅速增大,电化学反应迅速,弯液面处溶解较快,溶解的离子包裹在针尖的下部,增大其重力,所以,长径比减小较快;当电压逐渐增大时(>5V),由于钝化膜的影

2

响,电流增加并不明显,周围的WO　4-浓度变化不大,所以,长径比减小缓慢,由以上分析表明:试验取电压为5V左右较为合适

。

的电流密度减小,弯液面处反应速度慢,钨丝周围的

2WO　4-离子浓度小,对下部钨丝保护不充分,下部腐蚀部分增长,长径比随之增加。同时,由于下部重量较大,这样,钨丝在断裂时,断裂处截面积就大,加之断裂后存在残余应力,促使钨丝尖端有“反弹”趋势,最终,使针尖曲率半径较

2

大;当浸入深度较浅时,电流密度大,溶解速度快,WO　4-2离子浓度高,钨丝下部被WO　4-保护充分,使得向下的重力增加,所以,长径比下降。实践证明长径比太大,针尖变得细长,,影响,因此,,一以内:。这是由(>2mol/L)时,钨丝腐蚀速度加快,产

2

WO　4-离子浓度升高,这些离子包裹在钨丝的外部,增加了下部钨丝的重力作用,使得长径比减小,曲率半径增大;反之,浓度较小时,离子浓度低、反应慢,长径比增大。然而,浓度太低,腐蚀时间过长,不宜采用,一般溶液浓度取2mol/L。3　试验实例

图6是试验获得的部分图样,其中,(a)和(b)采用相同的试验参数,(a)为由试验观察取电流参考值为1mA时获得的针尖;(b)为采用电流值变化率控制法后获得的针尖;(c)和(d)为浸入深度较大时的情况,其中,(c)采用15V的电压,(d)为小电压。从图中对比可以看出:采用电流值变化率控制法后,在选择同样试验参数下,可以获得尺寸更小的针尖。如图6(c)所示

。

图5　电压-长径比关系曲线

Fig5　Relationcurveofvoltageandaspectratio

2.3　浸入深度和溶液浓度对针尖质量的影响

试验发现,浸入深度和溶液浓度对针尖的质量有重要的影响。当浸入深度越大时,形成的针尖曲率半径和长径比较大;反之,就小;这是由于钨丝浸入越深,钨丝下部的重力越大,同时,钨丝与溶液的接触面积越大,造成钨丝表面

图6　不同试验参数下获得的针尖

Fig6　Tipsofdifferentparameters

4　结　论

SciTechnol,1999,(10):11-18.

[3]　YoshiakiNakamura,YutakaMera,KojiMaeda.Areproducible

methodtofabricateatomicallysharptipsforscanningtunnelingmicroscopy[J].ReviewofScientificInstruments,2000,70(8):3373-3376.

[4]　KerfridenS,NahléAH,CampbellSA,etal.Theelectrochemical

etchingoftungstenSTMtips[J].ElectrochimicaActa,1998,43(12-13):1939-1944.

[5]　王建业,徐家文.电解加工原理与应用[M].北京:国防工业

利用电流值变化率控制法对电化学针尖腐蚀过程进行控制,使电源切断时间控制在微秒级,可以获得尺寸在微米级以下的针尖。采用高速数据采集卡对信号进行实时检测与控制,检测过程快捷、方便。试验参数(如,腐蚀电压、溶液浓度、浸入深度等)对试验均有重要的影响,通过优选腐蚀加工参数可以获得较高质量的针尖。参考文献:

[1]　LiuAn2wei,HuXiao2tang,LiuWen2hui,etal.Improvedcontrol

techniquefortheelectrochemicalfabricationscanningtunnelingmicroscopymicrotips[J].ReviewofScientificInstruments,1997,(68):3811-3813.

[2]　EkvallI,Wahlstr mE,ClaessonD,etal.Preparationandcharac2

terizationofelectrochemicallyetchedWtipsforSTM[J].Meas

出版社,2001,(1):5-8.

作者简介:

王明环(1976-),女,山东德州人,现为南京航空航天大学机械制造及其自动化专业在读博士生,研究方向为微细特种加工技术,主攻方向为微细电解加工。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2b24.html