专利名称：一种具有spm探针功能的分子镊的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有SPM探针功能的分子镊，适用于生物、医学、材料、微电子工程和物理、化学基础研究领域，尤其适用于原子、分子、纳米颗粒和团束的搬运、移动、切割、组装，以及其特性测量，进而制作纳米生物、化学传感器，纳米量子电子器件和芯片、新型功能材料。
世界上的物质千差万别，其差别起源于原子的种类和空间排列不同。碳灰、石墨、金刚石都是由碳原子组成，如果把碳灰中的碳原子重新排列，碳灰可以变成石墨或金刚石。如果在分子水平对细胞、DNA等进行加工，可以修复损坏的细胞等等。总之从最底层对单个原子、分子、纳米颗粒和团束进行操纵、搬运、移动、组装，是长期来人们一直梦寐以求的事情，也是一个巨大的挑战，因为单个原子实在太小，只有十分之几个纳米，一般大分子也不过几个到几十个纳米。1982年IBM公司的Binnig发明了扫描隧道显微镜(STM)。实验发现STM不仅具有原子分辨本领，而且可以对单原子、分子进行移动。1990年IBM公司研究室有史以来首次用36个氙原子在镍(100)表面排列成了“IBM”三个字母。之后又用Fe原子排成一个环形量子围栏、在Cu(100)台阶上拨动C60分子构成了分子算盘等。继STM之后人们又相继发明了原子力显微镜(AFM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、磁力显微镜(MFM)等三十多种其他显微镜，这些显微镜都使用这样或那样形式的探针，因此现在统称为扫描探针显微镜(SPM)。许多种类的SPM，如AFM，同STM一样不仅具有超高分辨率，也具有单原子、分子操纵和纳米加工能力。但用STM、AFM等SPM进行单原子、分子操纵要受到一定的局限，即被操纵的单个原子、分子很难脱离表面，而是由于范得瓦耳力或静电排斥力的作用，在探针的推动或牵引下沿着表面移动，这对在三维空间组装纳米结构非常不利。1999年12月美国报道了一种分子镊，它由装在毛细玻璃管壁两侧的两根纳米碳管组成，通过电极给两根纳米碳管加电压。不加电压时，两根纳米碳管自然分开。当施加一定电压时，两根纳米碳管弯曲、合拢，可以夹起纳米颗粒在三维空间自由搬运。这是世界上迄今为止最小的镊子。但要用这种镊子夹任何纳米颗粒，还必须另外有一套电镜观察系统来进行监测调控，使镊子对准并夹住所需搬运的纳米物体，即镊子本身不长“眼睛”。所需搬运的纳米物体越小，对电镜分辨率要求越高。
本实用新型的目的是提供一种具有SPM探针功能的分子镊，它不仅可以进行SPM正常扫描成像，观察表面的原子、分子、纳米颗粒，而且可夹起感兴趣的某个原子、分子、或纳米颗粒，还可以测量所夹起的纳米颗粒的特性。
为达到上述目的，本实用新型采用SPM探针，如STM探针，作分子镊的一个脚。然后在该探针周围制作一层绝缘层，再蒸镀一层导电膜，把一根适当长度和管径的单壁或多壁纳米碳管固定在导电膜上，作分子镊的另一个脚。纳米碳管和导电膜保持良好的电学接触。通过导电膜在纳米碳管和SPM探针间施加一个合适大小和极性的电压，纳米碳管在库仑力的作用下弯曲，使分子镊合拢或打开。在分子镊处于打开状态时，STM探针可进行正常扫描成像，如果发现感兴趣的某个原子、分子、或纳米颗粒，可加电压使分子镊合拢，把它夹起来，在三维空间自由搬运。对导电纳米颗粒，分子镊的两个脚相当于两个电极，通过测量流过纳米颗粒的电流可研究其特性。
图1为具有SPM探针功能的分子镊结构示意图，其中SPM探针3与纳米碳管4分别构成分子镊的两个脚，纳米碳管4与导电膜1保持良好电接触。导电膜1与SPM探针3分别相对于地加有电压Va与Vb(如果SPM探针不导电可先蒸镀一层导电膜)，改变Va与Vb的相对大小和极性，由于库仑作用力，使纳米碳管4弯曲离开或靠近SPM探针3，从而使分子镊夹拢或打开。为了不至于影响SPM的正常扫描成像，绝缘层2不能覆盖SPM针尖，它的厚度直接影响分子镊两个脚之间的间距。当分子镊处于打开状态时，SPM探针可进行正常扫描成像。对导电纳米颗粒，通过测量流过纳米颗粒的电流I可研究其特性。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点和效果由于采用SPM探针作分子镊的一个脚，因而具有SPM扫描成像功能，相当于给镊子装上了“眼睛”。与现有的两个脚都采用纳米碳管的分子镊相比，可以省掉另外一套电镜观察系统，从而降低了进行纳米颗粒三维搬运时对仪器的苛刻要求，同时大大扩展了分子镊的使用环境范围，因为省略电镜观察系统意味着不需要真空，从而可在大气乃至液体环境下进行操作，这对生物、医学方面的应用尤为重要，因为生物、医学样品只有在大气和/或液体等自然环境下才能保持正常状态，在真空环境下会干枯。同时在SPM探针侧面附加一个纳米碳管后，可夹起纳米颗粒，在三维空间进行自由搬运，而不象单纯的SPM探针只能沿着表面对纳米颗粒进行推、拉二维移动。
权利要求1.一种具有SPM探针功能的分子镊，其特征在于由纳米碳管4、SPM探针3、绝缘层2和导电膜1组成，SPM探针3和纳米碳管4分别构成分子镊的两个脚，纳米碳管4与导电膜1保持良好电接触，如果SPM探针不导电需先蒸镀一层导电膜，通过绝缘层2的厚度可调节分子镊两个脚之间的间距，但绝缘层2不能覆盖SPM针尖。
2.根据权利要求1所述的一种具有SPM探针功能的分子镊，其特征在于可加电压使其处于打开状态，进行SPM探针正常扫描成像。
3.根据权利要求1所述的一种具有SPM探针功能的分子镊，其特征在于可通过测量流过纳米颗粒的电流研究该颗粒的特性。
专利摘要本实用新型提供了一种具有SPM探针功能的分子镊,它分别采用SPM探针3与纳米碳管4构成分子镊的两个脚。改变施加在SPM探针与纳米碳管上的电压的相对大小和极性,使纳米碳管弯曲,从而合拢或打开分子镊。该分子镊不仅可以在大气乃至液体等自然环境下进行SPM探针正常扫描成像,而且可夹起感兴趣的纳米颗粒在三维空间自由搬运,还可测量导电纳米颗粒的电学特性等,适用于生物、医学、材料、微电子工程和物理、化学等研究领域,可以用于制作纳米生物、化学传感器,纳米量子电子器件和芯片、新型功能材料等。
文档编号B82B1/00GK2471763SQ0022947
公开日2002年1月16日 申请日期2000年3月21日 优先权日2000年3月21日
发明者李志扬, 刘武 申请人:华中师范大学