阅读说明：本技术 用于原子力显微镜的二维材料探针及其制备方法和应用 (Two-dimensional material probe for atomic force microscope and preparation method and application thereof ) 是由 李津津 李鉴峰 刘大猛 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用于原子力显微镜的二维材料探针及其制备方法和应用。其中,该二维材料探针包括：悬臂梁、硬质小球和二维材料层,所述硬质小球的上部与所述悬臂梁的尖端固定相连；所述二维材料层粘附在所述硬质小球的底部。该二维材料探针结构简单、稳固,制备速度快且成本低,非常适用于与某种特定二维材料有关的摩擦实验。(The invention discloses a two-dimensional material probe for an atomic force microscope and a preparation method and application thereof. Wherein, this two-dimensional material probe includes: the cantilever beam, the hard ball and the two-dimensional material layer are fixedly connected with the tip end of the cantilever beam; the two-dimensional material layer is adhered to the bottom of the hard small ball. The two-dimensional material probe is simple and stable in structure, high in preparation speed and low in cost, and is very suitable for friction experiments related to a certain specific two-dimensional material.)

用于原子力显微镜的二维材料探针及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于原子力显微镜领域，具体而言，涉及用于原子力显微镜的二维材料探针及其制备方法和应用。

背景技术

摩擦与磨损是提高机械系统效率的两大主要障碍，会导致大量不必要的能量耗散以及零部件的损坏失效，因此在高性能的微机电系统或纳米机电系统的设计中，要求摩擦副之间实现近零的摩擦和极低的磨损。超滑是指摩擦系数降至0.001量级甚至更低时的润滑状态，是实现近零摩擦的一种有效方法。由于石墨烯等二维层状材料的层间范德华相互作用较弱，因此可在一定条件下实现超滑，近年来它们的超滑特性得到了广泛的研究。目前主要采用原子力显微镜对纳米尺度下石墨烯超滑的微观机理进行研究，因此需要制备用于原子力显微镜的石墨烯探针。

目前，已有三类制备用于原子力显微镜的石墨烯探针的方法，第一类方法是采用化学气相沉积等途径在原子力显微镜针尖上直接生长石墨烯，第二类方法是采用湿法转移、热转移或光刻蚀的方法将石墨烯转移至原子力显微镜针尖上。然而这两类方法制备过程复杂，成本较高。第三类方法是通过摩擦转移技术将石墨烯直接吸附在原子力显微镜尖上，但该方法偶然性较大，且在针尖运动过程中石墨烯容易脱落，稳定性差，较难用于相关摩擦实验。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出用于原子力显微镜的二维材料探针及其制备方法和应用。该二维材料探针结构简单、稳固，制备速度快且成本低，非常适用于与某种特定二维材料有关的摩擦实验。

根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种用于原子力显微镜的二维材料探针。根据本发明的实施例，该二维材料探针包括：

悬臂梁；

硬质小球，所述硬质小球的上部与所述悬臂梁的尖端固定相连；

二维材料层，所述二维材料层粘附在所述硬质小球的底部。

本发明上述实施例的用于原子力显微镜的二维材料探针不仅结构简单、稳固，制备速度快且成本低，而且通过将硬质小球与悬臂梁尖端固定相连并将二维材料层粘附在硬质小球的底部，还可以有效避免二维材料层在针尖运动过程中脱落，非常适用于与某种特定二维材料(例如石墨烯)有关的摩擦实验。

另外，根据本发明上述实施例的用于原子力显微镜的二维材料探针还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述二维材料层的片径与所述硬质小球的外径之比为0.2～1，优选0.3～0.8。由此不仅有利于二维材料探针的制备，还可以确保检测结果的准确性和稳定性。

在本发明的一些实施例中，所述二维材料层的厚度为微纳米级，优选不大于5μm，更优选不大于100nm。

在本发明的一些实施例中，所述二维材料层的片径为4～100μm，优选5～50μm。

在本发明的一些实施例中，所述二维材料为石墨烯、二硫化钼、二硫化钨或氮化硼。

在本发明的一些实施例中，所述二维材料为石墨烯，所述二维材料层的厚度为1～100nm、片径为4～100μm。

在本发明的一些实施例中，所述硬质小球为正球形或椭球形。

在本发明的一些实施例中，所述硬质小球的外径为20～100μm。

在本发明的一些实施例中，所述硬质小球的材质为二氧化硅、聚苯乙烯、玻璃或陶瓷。

在本发明的一些实施例中，所述硬质小球和所述悬臂梁通过第一胶粘层固定相连，所述二维材料层通过第二胶粘层粘附在所述硬质小球的底部。

根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述用于原子力显微镜的二维材料探针的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)通过胶黏剂使所述硬质小球与所述悬臂梁的尖端接触，以便使所述硬质小球的上部与所述悬臂梁的尖端固定相连；

(2)通过胶黏剂使所述二维材料层与固定于所述悬臂梁尖端的硬质小球底部接触，以便使所述二维材料层粘附在所述硬质小球的底部，得到二维材料探针。

本发明上述实施例的制备方法不仅工艺简单、成本低、制备速度快，而且制备得到的二维材料探针结构简单、稳固，且粘附在硬质小球的底部的二维材料层在针尖运动过程中不易脱落，非常适用于与某种特定二维材料(例如石墨烯)有关的摩擦实验。

在本发明的一些实施例中，步骤(2)进一步包括：将得到的二维材料探针置于洁净环境中保持16～24h，以便使胶黏剂充分固化。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，通过胶黏剂使所述硬质小球与所述悬臂梁的尖端接触并保持15～30秒；步骤(2)中，通过胶黏剂使所述二维材料层与固定于所述悬臂梁尖端的硬质小球底部接触并保持15～30秒。

在本发明的一些实施例中，所述二维材料层为石墨烯层，所述石墨烯层的制备方法如下：(2-1)利用胶带反复剥离鳞片石墨，并将粘附有薄层石墨烯的胶带按压在载玻片上，以便将所述薄层石墨烯粘附于所述载玻片上；(2-2)利用原子力显微镜针尖使粘附于所述载玻片上的薄层石墨烯翻转，以便得到平铺在所述载玻片上的石墨烯层。

在本发明的一些实施例中，步骤(2-2)进一步包括：下压所述原子力显微镜针尖使其与所述载玻片接触，从所述薄层石墨烯的边缘处的一端向另一端划动所述原子力显微镜针尖，使所述薄层石墨烯在所述原子力显微镜针尖的挤压作用下与所述载玻片部分脱离，操作所述原子力显微镜针尖运动轨迹使所述薄层石墨烯翻转并平铺在所述载玻片上。

根据本发明的第三方面，本发明提出了一种原子力显微镜。根据本发明的实施例，该原子力显微镜具有上述用于原子力显微镜的二维材料探针或采用上述制备用于原子力显微镜的二维材料探针的方法得当的二维材料探针。该原子力显微镜可以用于对微纳米尺度下某种特定材料例如石墨烯超滑的微观机理的研究。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的用于原子力显微镜的二维材料探针的结构示意图。

图2是根据本发明一个实施例的制备用于原子力显微镜的二维材料探针的方法流程图。

图3是根据本发明又一个实施例的制备用于原子力显微镜的二维材料探针的方法流程图。

图4是根据本发明一个实施例的用于原子力显微镜的石墨烯探针的扫描电镜图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的第一个方面，本发明提出了一种用于原子力显微镜的二维材料探针。根据本发明的实施例，如图1所示，该二维材料探针包括：悬臂梁10、硬质小球30和二维材料层40。其中，硬质小球30的上部与悬臂梁10的尖端固定相连；二维材料层40粘附在硬质小球30的底部。该用于原子力显微镜的二维材料探针不仅结构简单、稳固，制备速度快且成本低，而且通过将硬质小球与悬臂梁尖端固定相连并将二维材料层粘附在硬质小球的底部，还可以有效避免二维材料层在针尖运动过程中脱落，非常适用于与某种特定二维材料(例如石墨烯)有关的摩擦实验。

下面对本发明上述实施例的用于原子力显微镜的二维材料探针进行详细描述。

根据本发明的一个具体实施例，用于原子力显微镜的二维材料探针中，硬质小球30和二维材料层40的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要选择，例如，硬质小球30可以为二氧化硅、聚苯乙烯、玻璃或陶瓷等；二维材料层40可以为石墨烯层、二硫化钼层、二硫化钨层或氮化硼层等，由此可以有效测量石墨烯、二硫化钼、二硫化钨或氮化硼等二维材料与基底样品之间的相互作用力或摩擦力等性能。

根据本发明的再一个具体实施例，硬质小球30为可以正球形或椭球形，其中，本发明中所述的硬质小球的“上部”指的是硬质小球靠近悬臂梁尖端的一侧，硬质小球的“底部”指的是硬质小球远离悬臂梁尖端的一侧。

根据本发明的又一个具体实施例，二维材料层40的片径与硬质小球30的外径之比可以为0.2～1。发明人发现，与硬质小球的外径相比，若二维材料层的片径过小，二维材料层不足以包覆硬质小球底部，针尖运动过程中硬质小球可能会与基底样品接触，无法确保测量二维材料层与基底样品之间的相互作用力或摩擦力等性能的准确性；而若二维材料层的片径过大，一方面，在粘附过程中片径过大的二维材料层不能完整地包覆在硬质小球底部，超出硬质小球面积的部分由于未与胶黏剂接触，将在重力的作用下向下弯曲，影响测量结果的准确性，另一方面，需要更多的胶黏剂来确保二维材料层与硬质小球的粘结强度，而过多的胶黏剂又极易导致二维材料层受到胶黏剂的污染。本发明中通过控制二维材料层的片径与硬质小球的外径之比为0.2～1，不仅有利于二维材料探针的制备，还可以确保检测结果的准确性和稳定性。优选地，二维材料层40的片径与硬质小球30的外径之比可以为0.3～0.8，由此可以进一步提高检查结果的准确性和稳定性。其中，二维材料层的“片径”指的是过二维材料层中心点且两端均在二维材料边缘上的线段的距离。

根据本发明的又一个具体实施例，硬质小球30的外径可以为20～100μm，例如可以为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等；二维材料层40的片径可以为4～100μm，例如5μm、15μm、25μm、35μm、45μm、55μm、65μm、75μm、85μm或95μm等，优选5～50μm。再例如，当硬质小球30的外径为20μm时，二维材料层40的片径可以为5～12μm，当硬质小球30的外径为100μm时，二维材料层40的片径可以为40～65μm等。由此既可以满足原子力显微镜对探针尺寸的要求，又有利于探针的制备并确保检测结果的准确性。

根据本发明的又一个具体实施例，本发明上述实施例的用于原子力显微镜的二维材料探针可以用于微纳米尺度下二维材料的微观机理的测量研究，其中，二维材料层40的厚度可以为微纳米级，例如二维材料层的厚度可以不大于1μm，或为1～100nm等，优选不大于5μm，更优选不大于100nm，由此可以进一步确保测量结果的准确性和稳定性。

根据本发明的又一个具体实施例，用于原子力显微镜的二维材料探针中，二维材料可以为石墨烯，石墨烯层的厚度可以为1～100nm，石墨烯层片径可以为4～100μm，由此可以在纳米尺度下对石墨烯超滑的微观机理进行研究，以便更好地测量石墨烯与相同材质或不同材质的基底样品之间的相互作用力或摩擦力等性能。

根据本发明的又一个具体实施例，硬质小球30和悬臂梁10可以通过第一胶粘层20固定相连，二维材料层40通过第二胶粘层21粘附在硬质小球30的底部，由此可以进一步提高二维材料探针的稳固性和可靠性，确保二维材料层在测量过程中不会脱落，保证测量结果的准确性。

根据本发明的又一个具体实施例，在水平方向的投影上，二维材料层40的中心尽可能靠近硬质小球30的中心，硬质小球30的中心与二维材料层40的中心偏差不大于硬质小球外径的10％，优选不大于5％。由此可以进一步确保二维材料层能够均匀粘附在硬质小球的底部，避免针尖运动过程中硬质小球与基底样品接触，保证测量结果的准确性。

根据本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述用于原子力显微镜的二维材料探针的方法。根据本发明的实施例，如图2所示，该方法包括：(1)通过胶黏剂使硬质小球与悬臂梁的尖端接触，以便使硬质小球的上部与悬臂梁的尖端固定相连；(2)通过胶黏剂使二维材料层与固定于悬臂梁尖端的硬质小球底部接触，以便使二维材料层粘附在硬质小球的底部，得到二维材料探针。该方法不仅工艺简单、成本低、制备速度快，而且制备得到的二维材料探针结构简单、稳固，且粘附在硬质小球的底部的二维材料层在针尖运动过程中不易脱落，非常适用于与某种特定二维材料(例如石墨烯)有关的摩擦实验。

根据本发明的一个具体实施例，步骤(2)可以进一步包括：将得到的二维材料探针置于洁净环境中保持16～24h，以便使胶黏剂充分固化，由此可以进一步确保硬质小球与悬臂梁尖端以及二维材料层与硬质小球底部的粘结强度，进而显著提高二维材料探针的稳固性和可靠性。

根据本发明的再一个具体实施例，步骤(1)中可以通过胶黏剂使硬质小球与悬臂梁的尖端接触并保持15～30秒，从而确保硬质小球的上部能够粘附在悬臂梁的尖端上；步骤(2)中可以通过胶黏剂使二维材料层与固定于悬臂梁尖端的硬质小球底部接触并保持15～30秒，从而确保二维材料层能够粘附在硬质小球的底部。

根据本发明的又一个具体实施例，二维材料层可以为石墨烯层，石墨烯层的制备方法可以为：(2-1)利用胶带反复剥离鳞片石墨，并将粘附有薄层石墨烯的胶带按压在载玻片上，以便将薄层石墨烯粘附于载玻片上；(2-2)利用原子力显微镜针尖使粘附于载玻片上的薄层石墨烯翻转，以便得到平铺在载玻片上且与载玻片粘附力较低的石墨烯层。其中，步骤(2-2)可以进一步包括：下压原子力显微镜针尖使其与载玻片接触，从薄层石墨烯的边缘处的一端向另一端划动原子力显微镜针尖，使薄层石墨烯在原子力显微镜针尖的挤压作用下与载玻片部分脱离，操作原子力显微镜针尖运动轨迹使薄层石墨烯翻转并平铺在载玻片上，此时薄层石墨烯与载玻片粘附力较弱，容易从载玻片上脱离。由此可以有效制备得到用于原子力显微镜的石墨烯探针。

根据本发明的又一个具体实施例，参考图3，用于原子力显微镜的石墨烯探针可以按照如下8个步骤进行：

S1：蘸取适量环氧树脂胶黏剂，涂至洁净载玻片50上，使用洗耳球对准胶黏剂反复吹气，使胶黏剂平铺在载玻片50上，形成一层较薄的胶层20；

S2：如图3(a)所示，下降悬臂梁10使其尖端与胶层20接触后等待3至5秒，其后缓慢上抬悬臂梁10，使悬臂梁10尖端残留适量胶黏剂；

S3：如图3(b)所示，将硬质小球30放置于另一洁净载玻片51上，调整悬臂梁10位置使得硬质小球30位于悬臂梁10尖端正下方，下压悬臂梁10使其与硬质小球30充分接触并保持15至30秒，之后缓慢上抬悬臂梁10，硬质小球30便在胶黏剂层20的作用下粘附于悬臂梁10尖端；

S4：如图3(c)所示，取又一洁净载玻片52，按步骤S1的方法制得较薄的胶层21，下压粘附有硬质小球30的悬臂梁10，当硬质小球30底部与胶黏剂层接触后迅速上抬悬臂梁10，注意此时硬质小球30底部残留的胶黏剂需较少，过多会导致薄层石墨烯40受胶黏剂污染，但过少会导致硬质小球30无法粘附薄层石墨烯40；

S5：使用胶带反复剥离鳞片石墨，将残留有大量薄层石墨烯的胶带按压在另一洁净载玻片53上，其后将载玻片53放置于热台上加热20分钟，热台温度为120度，之后将胶带缓慢揭下，通过光学显微镜在载玻片53上寻找到厚度为几纳米至几十纳米，片径为几微米至几十微米的新鲜待粘薄层石墨烯40；

S6：如图3(d)所示，由于新鲜薄层石墨烯40与载玻片53紧密贴合导致粘附力较大，需使用原子力显微镜针尖60将其与载玻片53分离，具体操作如下，下压原子力显微镜针尖60使其与载玻片53以尽可能大的压力接触，从薄层石墨烯40的边缘处开始缓慢由左至右划动原子力显微镜针尖60，薄层石墨烯40在原子力显微镜针尖60的挤压作用下与载玻片53部分脱离，操作原子力显微镜针尖60运动轨迹使薄层石墨烯40完全翻转并再次平铺在载玻片53上，此时薄层石墨烯40与载玻片53贴合度较低，易于分离；

S7：如图3(e)所示，调整悬臂梁10位置，使粘附于悬臂梁10尖端的硬质小球20中心与石墨烯薄层40中心大致重合，下压悬臂梁10使硬质小球30与石墨烯薄层40充分接触，并保持15至30秒，之后缓慢上抬悬臂梁10，石墨烯薄层40在胶黏剂层21的作用下与载玻片53分离并粘附于硬质小球30底部。注意，步骤S2至步骤S7均在光学显微镜的辅助下进行；

S8：将悬臂梁10在洁净条件下放置16至24小时，待胶黏剂固化后，即制得可用于原子力显微镜的石墨烯探针。其中，制备得到的用于原子力显微镜的石墨烯探针的扫描电镜图如图4所示。

需要说明的是，上述针对用于原子力显微镜的二维材料探针所描述的技术特征和效果同样适用于该制备用于原子力显微镜的二维材料探针的方法，此处不再赘述。

根据本发明的第三方面，本发明提出了一种原子力显微镜。根据本发明的实施例，该原子力显微镜具有上述用于原子力显微镜的二维材料探针或采用上述制备用于原子力显微镜的二维材料探针的方法得当的二维材料探针。该原子力显微镜可以用于对微纳米尺度下某种特定材料例如石墨烯超滑的微观机理的研究。需要说明的是，上述针对用于原子力显微镜的二维材料探针和制备用于原子力显微镜的二维材料探针的方法所描述的技术特征和效果同样适用于该原子力显微镜，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。