掃描電化學(xué)工作站SECM150進(jìn)行微米級(jí)測(cè)量——金上的多孔膜

1.簡(jiǎn)介

  圖3為PC1的一條逼近曲線。測(cè)得的最終z軸位置可以用于設(shè)置面掃描探針位置。圖4為Au樣品上的PC1的一系列的四個(gè)面掃描結(jié)果。圖中虛線框是下次面掃描的位置。除了3×3?m2面掃描，其他的面掃描步長(zhǎng)都減小了，以提高分辨率。與PC12一樣，從Au到電解液產(chǎn)生了一些特定的點(diǎn)?；贏u，產(chǎn)生更多的[Fe（CN）6]4-，信號(hào)增強(qiáng)。圖5中半高全寬與該產(chǎn)品的銷售數(shù)據(jù)一致。

  4.試驗(yàn)成功的關(guān)鍵點(diǎn)

  4.1 采用法拉第籠

  雜散電噪聲會(huì)影響SECM測(cè)試，尤其電極在微米級(jí)范圍時(shí)。這種情況下，如果在≤5?m范圍內(nèi)測(cè)試低電流，與較大電極相比，任何雜散電噪聲的影響都會(huì)成比例放大。雖然通過帶寬選項(xiàng)可以去掉雜散電噪聲的影響，已經(jīng)給客戶提供了所有的保護(hù)條件，但是較小的探針直徑、較低的氧化還原介質(zhì)濃度都需要更加仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。為了避免噪聲，建議用小尺度探針測(cè)試時(shí)采用法拉第籠。

  4.2 選擇合適的掃描速率

  有些用戶可能需要盡量快速的面掃描，而另一些用戶可能希望犧牲速度獲得最好的測(cè)試結(jié)果。雖然SECM150可以提供較大的掃描速率范圍來(lái)滿足客戶的需求，也需要用戶進(jìn)行一些嘗試，獲得最佳的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。表1是快速掃描和慢速掃描的對(duì)比。

  表1 快速掃描和慢速掃描的優(yōu)點(diǎn)

  4.3 調(diào)平樣品

  用于SECM測(cè)試的探針的直徑非常小，任何SECM測(cè)試中，調(diào)平樣品都是獲得最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素。為了獲得更好地實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探針到樣品的距離要小于探針直徑的三到五倍[1]。所以對(duì)于直徑25?m的探針，探針到樣品的距離最大為125?m，而對(duì)于直徑1?m的探針，探針到樣品的距離應(yīng)小于等于5?m。而且，為了獲得最佳結(jié)果，測(cè)試距離可以更小，甚至小于探針直徑[2]。這就要求樣品的傾斜度對(duì)25?m的探針測(cè)量不能產(chǎn)生影響，對(duì)1?m的探針的影響也要極低，甚至沒有影響。圖3為0.5?m探針在PC1薄膜上的逼近曲線。由逼近曲線可以看出，探針電流的變化只發(fā)生在2.5?m內(nèi)。使用直徑≤5?m的探針進(jìn)行測(cè)試時(shí)，進(jìn)行樣品調(diào)平是非常必要的。所以實(shí)驗(yàn)開始前，要用調(diào)平螺母和水平儀調(diào)平樣品。測(cè)試裝置安裝完成后，可以通過測(cè)試區(qū)域四個(gè)角的逼近曲線來(lái)進(jìn)一步判斷樣品的傾斜度。如果傾斜差異大于探針直徑的三倍，需要抬高探針，重新調(diào)平樣品。這樣反復(fù)調(diào)平，直到傾斜度在可接受范圍內(nèi)。

  注意：調(diào)平樣品時(shí)，會(huì)改變樣品的高度。所以調(diào)平樣品之前一定要先抬高探針，遠(yuǎn)離樣品表面。

  4.4 選擇恰當(dāng)?shù)难趸€原介質(zhì)

  在所有的SECM測(cè)試中，氧化還原介質(zhì)都非常重要。所以探針測(cè)試微米級(jí)范圍時(shí)，選擇恰當(dāng)?shù)难趸€原介質(zhì)非常必要。由于采用微米尺寸的電極測(cè)試低電流特征，電極污染對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響非常明顯，這也是選擇氧化還原介質(zhì)需要考慮的重要因素之一。在本文實(shí)驗(yàn)中，只采用了K3[Fe（CN6）]，而沒有采用含K4[Fe（CN6）]的混合物，因?yàn)檫@可以降低電極的污染。探針的污染會(huì)使測(cè)試電流降低。降低探針的污染，就可以進(jìn)行更大范圍的測(cè)試。選擇氧化還原介質(zhì)時(shí)，需要考慮的另一個(gè)因素是其擴(kuò)散系數(shù)D。探針測(cè)試的電流與擴(kuò)散系數(shù)有直接關(guān)系，低擴(kuò)散系數(shù)的介質(zhì)會(huì)降低測(cè)試電流。所以用戶在選擇氧化還原介質(zhì)之前要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原介質(zhì)或者文獻(xiàn)里使用的氧化還原介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，這將改進(jìn)用戶的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。Scanning Electrochemical Microscopy一書的第一章中列出了可選的介質(zhì)[3]。

  4.5 探針清潔

  與直徑≥10?m的毛細(xì)管探針不同，直徑≤5?m的探針不能進(jìn)行機(jī)械拋光。這種直徑較小的探針機(jī)械拋光過程中很容易破壞探針尖端。而且，直徑較小的探針是由鉑絲拉成的，探針尖端是逐漸變細(xì)的，機(jī)械拋光會(huì)改變探針直徑和RG值。然而可以通過電化學(xué)方法原位清潔探針。本文的實(shí)驗(yàn)中，可以通過動(dòng)電位極化，在-1.5V~1.25Vvs.SCE快速掃描的方法來(lái)清潔探針，重復(fù)多次，直到探針回到開路電位。根據(jù)CV結(jié)果來(lái)選擇電位區(qū)間。PC1測(cè)試采用的0.5?m探針在5×10-3mol L-1K3[Fe（CN6）]的0.1mol L-1KCl溶液中的CV曲線如圖6所示。注意，溶液中溶解氧的存在使得CV的基線接近-0.25V，擴(kuò)散不平衡。探針尺寸不同，確切數(shù)值也不同，與本實(shí)驗(yàn)一致的氧化還原介質(zhì)濃度和探針，清潔后，測(cè)試結(jié)果基本形狀應(yīng)與圖6一致。

  5.結(jié)論

  用戶可以采用SECM150結(jié)合微米尺寸探針測(cè)試微米尺寸的特性。本文測(cè)試了兩種不同的聚碳酸酯薄膜。通過先測(cè)試較大區(qū)域，然后可以選擇單個(gè)區(qū)域集中測(cè)試，也可以提高分辨率。最后介紹了幾種實(shí)驗(yàn)操作的技巧。

  參考文獻(xiàn)

  [1] L. Stoica, S. Neugebauer, W. Schuhmann, Adv. Biochem. Engin./ Biotechnol. 109 （2008） 455-492

  [2] M. A. Alupche-Aviles, D. O. Wipf, Anal. Chem. 73 （2001） 4873-4881

  [3] A. J. Bard, in: A. J. Bard, M. V. Mirkin （Eds.）， Scanning Electrochemical Microscopy: Second Edition, CRC Press, Boca Raton （2012） 8