一种用于加工纳米材料的纳米切割刀及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于纳米材料微纳加工的纳米器件领域、尤其涉及一种用于纳米材料 切割加工的纳米管切割刀的设计。
【背景技术】
[0002] 随着微纳电子学的发展，电子器件的尺寸越做越小、集成度越来越高，传统的微机 电系统也渐渐向纳机电系统发展。构建微纳器件需要使用各种纳米材料，包括一维纳米线、 纳米颗粒、二维纳米片等等。制备纳米材料通常有自上而下的微加工工艺和自下而上的自 组装的方法，两种方法各有特色。然而，由于自上而下的微加工工艺通常适用于在基底上进 行结构制作，难以获得悬空、可自由操作的高结晶质量的纳米结构，而自下而上自组装生长 的纳米材料通常具有高纯度、高结晶度、优异电学、力学特性等优点，因而自组装生长的纳 米材料是纳米器件设计制造中会使用到的重要材料。
[0003] 自组装生长的纳米材料，如金属纳米线，通常其直径、结晶度可以通过化学手段进 行有效调控，然而对其长度通常难以精确控制。另外，对于二维纳米片，由于生长过程中难 以对其几何结构进行控制，因而当前仍无法制备具有指定几何形状的二维片层结构。这些 制约因素都限制着纳米材料在纳米器件上的应用。探索一种能够对纳米材料进行有效剪裁 的方法，设计一种可以对纳米材料进行切割加工的装置，对纳米材料的应用以及纳米器件 的设计具有重要意义。
[0004] 另外，在纳米材料的研宄过程中，研宄者发现纳米材料的结构、性能会与其几何形 状密切相关。例如，纳米催化剂、石墨條、硫化钥等，它们的性质受其结构、边缘形貌等多因 素影响。为了进一步认识纳米材料不同几何结构状态与其性质、性能之间的联系，研宄者需 要对这些纳米材料进行选择性地进行加工、切削。而当前尚缺乏能够对纳米材料进行加工 切削的有效方法，因而探索一种纳米尺度的切割工具对于深入研宄纳米材料的结构和性能 也同样具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所解决的技术问题是： 设计一种可用于切割纳米材料的纳米切割刀。利用本发明所设计的纳米切割刀可以对 纳米线、纳米颗粒、纳米片等结构进行几何结构剪裁，从而促进纳米材料的深入研宄并推动 纳米材料在纳米器件中的应用。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是： 本发明提供了一种用于加工纳米材料的纳米切割刀，包括截面为U型的外壳，设在U 形外壳开口端的电路总控，设在外壳内一端的压电陶瓷驱动筒、金属铜帽以及可装载于金 属铜帽的金属探针，设在外壳内另外一端的四电极引线、第一支撑陶瓷片、弹簧压紧模块、 第二支撑陶瓷片、四电极组成的四电极连接片以及碳纳米管；压电陶瓷驱动筒装配于U型 壳内并与电路总控相连，金属铜帽固定于压电陶瓷驱动筒前端，金属探针可拆卸的固定于 金属铜帽上；第一支撑陶瓷片固定于U型壳内并与四电极引线相连，四电极引线通过U型壳 内壁引线连接电路总控，第二支撑陶瓷片固定于U型壳内，利用弹簧压紧模块压紧并连接 第一支撑陶瓷片和第二支撑陶瓷片，四电极连接片固定于第二压电陶瓷片上；通过压电陶 瓷驱动筒控制金属铜帽和金属探针的精确移动，把碳纳米管固定于四电极连接片的任意两 个电极上。
[0007] 优选的，所述第一支撑陶瓷片和第二支撑陶瓷片上分别开有四个小孔，小孔内以 及小孔两侧沉积有金或者铂电极，每个陶瓷片上四个电极各自独立互不导通。
[0008] 优选的，所述四电极连接片所使用的基底材料为氧化铝或者氮化硅，四电极材料 为金、铂或者镍金。
[0009] 优选的，所述四个电极在基底一端两两靠近，两靠近电极之间的宽度为 2 μηι~20 μπι，两组靠近的电极有部分悬空于基底之外，电极悬空长度为0· 1 μηι~20 μπι，图2 所示。
[0010] 优选的，所述金属探针的材料为钨、金、铜或者铝。
[0011] 优选的，所述电路总控的加载电压为〇. 1V~5V。
[0012] 一种用于加工纳米材料的纳米切割刀的使用方法，其使用步骤如下： ① 取下金属铜帽和金属探针，用镊子夹紧金属探针在碳纳米管粉末中粘附上碳纳米 管； ② 把粘附有碳纳米管的金属探针固定回金属铜帽上，再把金属铜帽固定回压电陶瓷驱 动筒上； ③ 把装配好的结构装入透射电子显微镜中，通过控制压电陶瓷驱动筒移动金属铜帽和 金属探针，把金属探针上的碳纳米管搭接到四电极的悬空部分上； ④ 移回压电陶瓷驱动筒，把装配结构从透射电子显微镜中取出，取下金属铜帽和金属 探针； ⑤ 从金属铜帽上取下带有碳纳米管的金属探针，取一根新的金属探针粘取需要切割的 材料，把粘有待切割材料的金属探针装回金属铜帽上； ⑥ 把装配结构装入透射电子显微镜，通过移动压电陶瓷驱动筒使金属探针上的银纳米 线靠近四电极上的碳纳米管； ⑦ 通过电路总控对四电极连接片上的碳纳米管进行加载电压电流，移动压电陶瓷驱动 筒使金属探针上的待切割材料搭上碳纳米管，通过碳纳米管的焦耳发热对银纳米线进行切 割。
[0013] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种用于加工纳米材料的纳米切割刀，该发 明可以有效弥补当前对纳米材料加工切割手段的不足。采用耐高温的碳纳米管搭接到四电 极连接片的电极的悬空部分，通过第二支撑陶瓷片、弹簧压紧模块、第一支撑陶瓷片、四电 极连线连接后与电路总控相连，使碳纳米管上形成电流回路，通过电路总控让碳纳米管负 载上电流，使碳管具有很高温度，当把需要切割的纳米材料放置于发热的碳纳米管上，即可 对纳米材料进行切割。本发明设计的碳纳米管切割刀，不仅可以修裁纳米材料以利于纳米 器件设计制造，还可以修裁纳米材料用于研宄其结构与性能的对应联系。
【附图说明】
[0014] 图I :一种可用于切割纳米材料的纳米切割刀的装置示意图。
[0015] 图2 :本发明搭载碳纳米管的四电极连接片示意图。
[0016] 图3 :本发明用于切割银纳米线实例图。
[0017] 附图标记：1-电路总控；2-U型壳；3-压电陶瓷驱动筒；4-金属铜帽；5-金属探 针；6-四电极连接片；7-第二支撑陶瓷片；8-弹簧压紧模块；9-第一支撑陶瓷片；10-四电 极引线；11-金属四电极连线；12-碳纳米管。
【具体实施方式】
[0018] 本发明设计的工作原理是：把碳纳米管搭接到四电极连接片的电极的悬空部 分，通过第二支撑陶瓷片、弹簧压紧模块、第一支撑陶瓷片、四电极连线连接后与电路总 控相连，使碳纳米管上形成电流回路，通过电路总控让碳纳米管负载上电流（电流大小在 1 μ A