[发明专利]磁-电-热多参量耦合显微镜探针、其制备方法与探测方法

说明书

本发明提供了一种磁‑电‑热多参量耦合显微镜探针，包括探针臂，以及与探针臂相连的针尖本体，自探针臂与针尖本体表面向外，依次覆盖着金属热电阻层、导热绝缘层、磁性导电层；金属热电阻层与外部电路构成热电回路；磁性导电层与样品、外部电路构成导电回路。该探针结构简单、制备难度低，能够原位微区探测磁电功能材料的磁信号、电信号和热信号，并且能够有效避免热电回路与电回路之间的信号干扰。

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜的探针，特别是涉及到一种磁-电-热多参量耦合显微镜探针、其制备方法与探测方法。

背景技术

近些年来，纳米科学技术正迎来前所未有的飞速发展，纳米材料的制备与表征、测量技术受到越来越多的重视，相应的仪器手段也得到了广泛的关注与迅速的发展。

作为一种新型的显微工具，扫描探针显微镜正在发挥越来越重要的作用。扫描探针显微镜在扫描隧道显微镜的基础上发展起来，并已经进一步发展出各种新型的探针显微镜，它具有极高的分辨率、实时观测、以及使用环境宽松等优点，广泛适用于各种工作环境下的科学实验。在实验过程中，可以通过探测探针与样品表面之间相互作用产生的物理量，例如电流、相互作用力等来表征样品的表面形貌以及其他物理性质，从而相应发展出了原子力显微镜、磁力显微镜、压电力显微镜、导电力显微镜等技术，分别应用于样品表面形貌、畴结构、微区电导、等物理参量的测量。近几年来，扫描热探针技术得到快速发展，将扫描探针显微镜技术推向新的热学研究领域，使得可以进一步地对样品表面微区温度、导热等热学性能的空间分布进行更深入的研究。

小型化与集成化已经成为目前电子器件发展的主流趋势，器件以及器件之间的距离都已经迈入纳米尺度。但与此同时，器件小型化、集成化带来的发热与散热的问题却严重制约了其向高密度与高集成度的发展。在这种背景下，针对微米，尤其是纳米尺度下与热相关物性的表征，以及上述发热和散热的物理过程的理解已发展成为一门崭新的热科学分支─微/纳尺度热科学。在微/纳尺度下，材料的微观结构和畴结构对热学性质有重要的影响，材料某处的一个空穴、微裂纹、晶界、乃至一个畴壁都可能对材料的热学性质产生很大的影响。以目前受到广泛研究的多铁材料为例，其在外场驱动下的磁/电畴翻转(或畴壁移动)和漏电流都会引起微区发热。然而到目前为止，人们只能通过基于扫描探针显微镜的微区热成像技术单一地获得相应的热学信息，对于原位同步观测其他物性信息则无能为力，如磁畴结构、铁电/压电畴结构、导电畴结构等，无法同时进行磁-电-热等多种物性的耦合成像。

为此，专利文献CN201410494759.X提出了一种热电偶结构的探针，该探针包括探针臂与针尖，针尖由针尖本体与覆盖层组成，覆盖层由位于针尖本体表面的薄膜一、薄膜一表面的薄膜二、薄膜二表面的薄膜三组成；薄膜一具有导电性、薄膜二具有电绝缘性、薄膜三具有磁性与导电性，薄膜一与薄膜三的材料不同；并且，薄膜一、薄膜二和薄膜三构成热电偶结构，即：在针尖本体的尖端部位，薄膜一表面为薄膜三，除本体尖端之外的其余部位，薄膜二位于薄膜一与薄膜三之间。该探针用于探测样品的热信号时，电信号施加单元、薄膜一、薄膜三形成闭合的热电回路，探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖与样品表面相接触，电信号施加单元对针尖施加电信号，电流流入针尖并对其进行加热，针尖与样品进行热交换，使热学回路中的电压信号发生改变，经采集电压信号的变化得到样品的热信号，经中心控制单元分析得到样品的热信号图像。该探针用于探测样品的电信号时，电信号施加单元、薄膜一、薄膜三以及样品形成闭合的电学回路；探针驱动单元驱动探针位移至样品表面某位置，使针尖表面与样品表面相接触，电信号施加单元对针尖施加电信号，该电信号流入薄膜一、薄膜三以及样品，形成电压信号，经电信号采集单元得到样品的电信号，经中心控制单元分析得到样品的电信号图像。

但是，该探针结构存在如下不足：(1)结构复杂，制备难度大；(2)薄膜一与薄膜三在针尖处连通，造成在同时探测热信号与导电信号时这两种信号易产生相互干扰。