一种SECM精确测定探针-基底距离的方法

本发明涉及扫描电化学显微技术计量测试领域，特别是涉及一种secm精确测定探针-基底距离的方法。

背景技术：

1、扫描电化学显微镜(secm)是一种探针显微技术，通过超微电极获取的电化学信号探测样品表面的形貌信息和电化学性质，可用于定性或定量研究。secm技术的关键是检测和表征探针尖端和基底样品之间的由于额外添加氧化还原介质发生或自然发生的电化学反应。探针尖端可以通过成像模式在样品表面上扫描以区分活性位点和非活性位点，或者可以通过测量模式保持在固定位置以监测电流随时间和电势的变化。secm通过氧化还原介质，将样品表面的电化学反应及活性转化为可以被探针尖端检测收集到的微电流，进而可以提供样品表面的微区电化学信息。

2、在secm测试常用的反馈模式和产生-收集模式中，探针距离基底越近，尖端收集到的电流信号越强，但过近的距离可能会使针尖与基底接触，因此需要较为严格的控制基底于探针之间的距离；另外在其他一些测试模式中，如恒高模式和一些微区阻抗测试等，要求探针与基底保持恒定的距离，因此在满足实验的精度要求下获得探针尖端与基底之间的距离信息非常重要。

3、目前测定距离常见的方法有利用生物特性测定法、添加附件测定法以及逼近曲线拟合法等。利用生物特性测定法通常应用于生物领域，利用生物细胞或酶自身的特性，如测定细胞中过氧化氢浓度或耗氧量等，间接测定探针尖端到基底样品之间的距离，这种方法不具有广泛的普适性，无法实现在其他领域的有效适用。添加附件测定法通常需要额外添加其他附件，如传感器等，辅助完成测试。

4、逼近曲线拟合法是目前的主流测试方法。将大量反馈模式下的测试数据建立理论模型，通过将实验数据拟合到已知的曲线模型，从而估计探针尖端到基底样品之间的距离，但这种方式对数据质量要求较高，若拟合不当会产生较大偏差。另外拟合所得的数值为估计值并非准确值。

5、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供提供一种secm精确测定探针-基底距离的方法，以实现探针尖端与基底样品之间距离信息的高精度高效检测。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种secm精确测定探针-基底距离的方法，包括如下步骤：

4、a)搭建测试装置，其中探针作为工作电极，并接入对电极和参比电极；

5、b)在电解池中加入适合待测样品的液相环境的溶液；

6、c)移动探针至待测样品材料上方；

7、d)控制探针连续下降逐渐接近基底样品，接近过程中，施加设定频率和振幅的交流电压信号激发探针尖端与基底样品之间的电化学响应，同时监测所述电化学响应以捕捉与基底样品表面距离相关的信号变化；

8、e)对探针监测到的电化学响应信号进行分离和分析，以获得探针尖端电流值随距离变化的曲线；

9、f)利用电流值变化曲线获得探针尖端与基底样品之间的精确距离信息。

10、进一步地：

11、通过三维位置控制系统移动探针，所述三维位置控制系统包括步进电机和压电电机，所述步进电机和所述压电电机配合控制探针在x、y、z三个维度精确移动至预设位置。

12、所述步进电机实现探针在x轴和y轴方向上的粗调定位，所述压电电机实现探针在z轴方向上的微调定位。

13、所述溶液的加入量为0.1ml-100ml。

14、所述ac-secm模式下的电化学激发信号包括频率在100hz至50,000hz范围内的单一频率交变电流信号和电压信号，振幅为1mv至100mv。

15、所述待测样品材料包括：金属离子电池正负极材料、光电催化材料、电催化材料、电化学腐蚀测试材料中的任一种。

16、测量待测样品时，步骤e)中，还分离和分析获得探针尖端电阻值变化曲线；步骤f)中，通过所述电阻值变化曲线校验所述电流值变化曲线的准确性；校验通过后，使用所述电流值变化曲线分析获得距离信息的精确检测结果。

17、采集探针尖端在不同距离下收集的电流值和电阻值的变化曲线，结合所述电流值变化曲线和电阻值变化曲线，构建描述探针尖端与基底样品之间的距离与电流值变化曲线和电阻值变化曲线的关系的数学模型；

18、对待测样品，步骤e)中，还分离和分析获得探针尖端电阻值变化曲线；步骤f)中，利用电流值变化曲线和电阻值变化曲线，根据所述数学模型精确地计算实际的距离信息。

19、本发明具有如下有益效果：

20、本发明提供了一种精确、高效的secm测定探针-基底距离的方法，具有显著的优点。通过本发明的ac-secm模式，控制探针连续下降逐渐接近基底样品的过程中，施加设定频率和振幅的交流电压信号激发探针尖端与基底样品之间的电化学响应，同时监测所述电化学响应以捕捉与基底样品表面距离相关的信号变化，使得探针尖端与基底样品之间的距离信息可以通过分离和分析得到的电流值变化曲线实现准确检测。由此，本发明为电化学显微技术的研究和应用提供了强有力的工具。

21、进一步优选地，本发明的方法还从探测的电化学响应中分离和分析获得探针尖端电阻值变化曲线，通过电流值变化曲线和电阻值变化曲线双重验证，提高了距离测定的精确度。

22、优选方案中，通过结合步进电机和压电电机的三维位置控制系统，确保了测量的准确性的同时，提高探针在x、y、z轴上的定位精度和定位效率。

23、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

技术特征：

1.一种secm精确测定探针-基底距离的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过三维位置控制系统移动探针，所述三维位置控制系统包括步进电机和压电电机，所述步进电机和所述压电电机配合控制探针在x、y、z三个维度精确移动至预设位置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步进电机实现探针在x轴和y轴方向上的粗调定位，所述压电电机实现探针在z轴方向上的微调定位。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述溶液的加入量为0.1ml-100ml。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述ac-secm模式下的电化学激发信号包括频率在100hz至50,000hz范围内的单一频率交变电流信号和电压信号，振幅为1mv至100mv。

6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述待测样品材料包括：金属离子电池正负极材料、光电催化材料、电催化材料、电化学腐蚀测试材料中的任一种。

7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，步骤e)中，还分离和分析获得探针尖端电阻值变化曲线；步骤f)中，通过所述电阻值变化曲线校验所述电流值变化曲线的准确性；校验通过后，使用所述电流值变化曲线分析获得距离信息的精确检测结果。

8.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，采集探针尖端在不同距离下收集的电流值和电阻值的变化曲线，结合所述电流值变化曲线和电阻值变化曲线，构建描述探针尖端与基底样品之间的距离与电流值变化曲线和电阻值变化曲线的关系的数学模型；

技术总结一种SECM精确测定探针‑基底距离的方法，包括：a)搭建测试装置，其中探针作为工作电极，并接入对电极和参比电极；b)在电解池中加入适合待测样品的液相环境的溶液；c)移动探针至待测样品材料上方；d)控制探针连续下降逐渐接近基底样品，接近过程中，施加设定频率和振幅的交流电压信号激发探针尖端与基底样品之间的电化学响应，同时监测所述电化学响应以捕捉与基底样品表面距离相关的信号变化；e)对探针监测到的电化学响应信号进行分离和分析，以获得探针尖端电流值随距离变化的曲线；f)利用电流值变化曲线获得探针尖端与基底样品之间的精确距离信息。该方法高效便捷，测得的探针尖端与基底之间的距离信息精确度高。技术研发人员：翟登云,马晓蝶,康飞宇受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院技术研发日：技术公布日：2024/7/25