通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法
【专利摘要】本发明公开一种通过施加电流实现原子力显微镜(AFM)纳米沉积的方法，即通过向AFM针尖和基底施加一定电流并控制电流的大小，实现AFM导电探针上的原子沉积到基底上，形成导体沉积点，该沉积点可用于纳米点阵结构的加工及纳米器件中对纳米材料的焊接。本发明不但可以加工出重复性好、精度高的沉积点，而且可以灵活的控制沉积点的大小。并且本发明的方法还可以用来加工纳米线。
【专利说明】通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米加工领域，具体的说是一种通过在原子力显微镜探针和基底之间施加电流，使探针针尖表面物质运动到基底上，并堆积成纳米点的加工方法。
【背景技术】
[0002]纳米器件是由纳米材料构成的电子器件，比如各种气体传感器，生物传感器，场效应晶体管等等。纳米器件具有优异的性能，比如库仑阻塞效应等。但是目前纳米器件还没有实现广泛的应用，这是因为纳米器件在加工制造方面还存在一些问题，其中一个就是纳米器件的电连接问题。纳米器件是由纳米材料与金属电极装配在一起形成的，装配之后存在的电连接问题如下:
[0003]1、纳米材料自然搭接在电极上，没有形成良好的固定。
[0004]2、纳米材料与电极间存在很大的接触电阻，影响器件在导电性、抗干扰等方面的性能。 [0005]类似于焊接在宏观世界里所起到的作用，纳米器件的加工制造同样需要一种可以实现纳米材料之间可靠固定的电气连接的技术手段。基于AFM的纳米沉积加工可以实现对纳米材料的焊接。目前AFM纳米沉积多采用施加电压脉冲的方式，这种加工方法的重复性和可控性不理想，不能保证每次沉积加工都能成功，而且加工的沉积点不均匀，沉积点高度在几纳米和几百纳米之间变化。而且，目前加工纳米线的方法是加工一系列的纳米点，通过纳米点排列成线，需要多次加工且纳米线不平滑。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，使加工的沉积点均匀，且一次加工即能实现纳米线的加工。
[0007]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，扫描基底表面以确定加工位置^fAFM导电探针移动到加工位置，控制AFM导电探针的针尖和基底接触或离开基底几纳米距离，通过在AFM导电探针的针尖和基底之间施加电流并调节电流大小和电流作用时间来控制沉积点的大小。
[0008]所述AFM导电探针是使用镀膜设备在普通AFM探针表面镀上一层金属膜而得到的具有导电能力的AFM探针。
[0009]所述控制AFM导电探针的针尖和基底接触或离开基底几纳米距离通过以下方式实现:
[0010]使AFM接近基底，通过设置AFM逼近基底过程中悬臂梁的偏转量控制针尖压入基底的距离，实现AFM导电探针的针尖与基底接触或离开基底几纳米距离。
[0011]所述电流大小和电流作用时间与沉积点的大小关系由实验结果拟合得出。
[0012]所述电流大小和电流作用时间由可编程电流源设定。[0013]当加工纳米点阵列时，通过控制AFM导电探针的针尖在多个加工位置沉积加工出纳米点，形成纳米点阵列。
[0014]当加工纳米线时，根据预加工纳米线的高度，AFM导电探针的针尖运动速度范围为IOnm/s~I μ m/s。
[0015]当加工纳米线时，AFM导电探针的针尖运动的速度为lOnm/s本发明具有以下优
占-
^ \\\.[0016]本发明采用施加电流的方式来进行沉积加工，不但可以加工出重复性好、精度高的沉积点，而且可以灵活的控制沉积点的大小。本发明的方法还可以用来加工纳米线。
[0017]本方法采用AFM作为加工工具，具有精度高、成本低、操作灵活的优点。本方法使用电流作为沉积加工的电源，加工中的1-V曲线比使用电压作为电源加工时的1-V曲线更加平滑，因此沉积精度更高。通过改变电流的大小和作用时间，可以灵活的调节沉积点的大小。并且可以在AFM探针运动的同时进行沉积加工，高效加工出纳米线。另外本方法在AFM的接触模式下进行加工，加工过程中不需调节AFM针尖与基底之间的距离，操作方法简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的工作状态示意图；
[0019]其中I是AFM导电探针，2是基底，3是导电I父,4是金属样品台，5是可编程电流源； [0020]图2a为电流为20nA时沉积点大小与电流作用时间的关系图；
[0021]图2b为电流作用时间为2秒时沉积点大小与电流大小的关系图；
[0022]图3为使用本发明中的方法加工的纳米沉积点阵列；
[0023]图4为使用本发明中的方法加工的纳米沉积线。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0025]图1为本发明的工作状态示意图。其中I是AFM导电探针，2是基底，3是导电胶，4是金属样品台，5是可编程电流源。
[0026]加工方法为:
[0027]I)确定加工中所施加的电流的参数。沉积点的高度和电流的大小以及电流作用的时间有关。图2是通过事先开展的大量AFM纳米沉积实验结果统计出的沉积点高度和电流大小以及电流作用时间的关系曲线，该取线可作为加工不同大小沉积点时的电流参数依据。根据期望加工沉积点的高度，根据类似图2中的关系曲线确定加工电流的大小以及作用时间，并设定好可编程电流源5的参数。
[0028]类似图2中的电流大小和电流作用时间与沉积点的大小关系由实验结果拟合得出。本实施例中，该实验过程为:在电流作用时间一定的情况下，电流大小从O变化到25nA，在此过程中通过AFM测量沉积点高度得到在该电流作用时间条件下的电流大小与沉积点的大小关系曲线；在电流大小一定的情况下，电流作用时间从O变化到5s，在此过程中通过AFM测量沉积点高度得到在该电流大小条件下的电流作用时间与沉积点的大小关系曲线。依此类推，得到不同电流大小和不同电流作用时间对应的沉积点大小。[0029]2 )AFM针尖和基底距离的控制方法。使AFM导电探针I接近基底2，通过设置AFM导电探针I逼近基底过程中悬臂梁的偏转量控制针尖压入基底2的距离，可实现AFM针尖与基底2轻微接触或离开基底2几纳米的距离。
[0030]3)沉积物加工。移动AFM针尖到待加工的位置，控制AFM导电探针I与基底2轻微接触，然后根据预加工沉积点的大小向AFM导电探针I和金属样品台4施加一定电流，该电流大小和作用时间由步骤I)给出。当加工纳米点阵列时，AFM针尖在每个加工位置的加工时间需要大于I)中选定的电流作用时间。加工纳米线时，为加工出比较均匀的纳米线需设定AFM针尖以较慢速度运动来进行沉积加工，比较理想的运动速度为lOnm/s。加工完成后，重新扫描基底表面，即可扫描得到预定的沉积结构。
[0031]本发明通过在AFM探针和基底之间施加一个电流，使探针表面的原子电离，并在电场的作用下脱离针尖表面，向基底运动，并最终沉积在基底上，形成纳米点。通过改变施加电流的大小和电流的作用时间，可以调节沉积点的大小。如果在纳米材料的连接处进行沉积加工，那么沉积点将会包裹纳米材料，改善纳米材料之间的物理固定和电气连接，起到焊接的作用。除了用于纳米焊接，该方法还可用于加工纳米结构。在施加电流的同时缓慢移动AFM探针，将形成与AFM探针运动轨迹相同的沉积结构。
[0032]AFM导电探针I是指使用镀膜设备在普通AFM探针表面镀上一层金属膜而得到的具有导电能力的AFM探针。普通AFM探针多为硅材料，导电性能差，无法直接用于沉积加工，因此需要通过镀膜技术加工导电探针。
[0033]沉积加工的基底2可以是金属、石墨等导体，也可以是硅、砷化镓等半导体材料。
[0034]导电胶3是具有良好的导电性、起到粘合作用的物质，用于改善基底2和金属样品台4的接触。
[0035]金属样品台4是AFM系统自带、用于放置基底2的平台。
[0036]可编程电流源5是可以通过程序控制输出大小、波形和时间的电流源。
[0037]图3是使用本发明中的方法加工的纳米沉积点阵列实例。图4是使用本发明中的方法加工的纳米沉积线实例。
【权利要求】
1.一种通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，扫描基底表面以确定加工位置；将AFM导电探针移动到加工位置，控制AFM导电探针的针尖和基底接触或离开基底几纳米距离，通过在AFM导电探针的针尖和基底之间施加电流并调节电流大小和电流作用时间来控制沉积点的大小。
2.根据权利要求1所述的通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，所述AFM导电探针是使用镀膜设备在普通AFM探针表面镀上一层金属膜而得到的具有导电能力的AFM探针。
3.根据权利要求1所述的通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，所述控制AFM导电探针的针尖和基底接触或离开基底几纳米距离通过以下方式实现: 使AFM接近基底，通过设置AFM逼近基底过程中悬臂梁的偏转量控制针尖压入基底的距离，实现AFM导电探针的针尖与基底接触或离开基底几纳米距离。
4.根据权利要求1所述的通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，所述电流大小和电流作用时间与沉积点的大小关系由实验结果拟合得出。
5.根据权利要求1所述的通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，所述电流大小和电流作用时间由可编程电流源设定。
6.根据权利要求1所述的通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，当加工纳米点阵列时，通过控制AFM导电探针的针尖在多个加工位置沉积加工出纳米点，形成纳米点阵列。
7.根据权利要求1所述的通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，当加工纳米线时，根据预加工纳米线的高度，AFM导电探针的针尖运动速度范围为IOnm/s?I μ m/s。
8.根据权利要求7所述的通过施加电流实现原子力显微镜纳米沉积的方法，其特征在于，当加工纳米线时，AFM导电探针的针尖运动的速度为lOnm/s。
【文档编号】B82Y40/00GK103879955SQ201210555839
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2012年12月19日
【发明者】焦念东, 刘增磊, 刘连庆 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所