专利名称：宽量程电子隧穿式氧化锌纳米探针真空规及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米制备、纳米加工和纳米器件的应用技术领域，特别涉及宽量程纳米真空规及其制备方法。
背景技术：
目前市场上现有的真空规，主要可分为电阻真空规，热偶真空规和电离真空规等。电阻真空规是利用加热元件的电阻与温度有关、元件的温度又与气体传导有关的原理，通过电桥电路来测量真空度的真空规，其测量范围1×104帕～1×10-1帕。热偶真空规是利用热电偶的电势与加热元件的温度有关、元件的温度又与气体的热传导有关的原理来测量真空度的真空规，其测量范围1×102帕～1×10-1帕。电离真空规由筒状收集极、栅网和位于栅网中心的灯丝构成，筒状收集极在栅网外面，利用热阴极发射电子电离气体分子，离子被收集极收集，根据收集的离子流大小来测量气体压强，其测量范围1×10-1帕～1×10-6帕。当真空度范围在大气1×105帕到高真空1×10-5帕之间时，需要使用多种真空规进行复合测量，一方面使得测量系统的体积增大，成本增加，不便于微型化，另一方面，由于每种真空规使用和工作条件不同，使得测量操作繁琐。单独使用基于现有技术制造的电阻、热偶或电离规实现从大气到高真空的宽量程真空测量至今未见报道。
随着纳米科技的不断发展，氧化锌材料在纳电子器件中得到了广泛的关注。氧化锌是宽禁带半导体，也是优良的化学传感材料，它对带有极性和带有氧化还原性的分子有较强的化学吸附性质，这种化学吸附会显著的改变氧化锌的电学特性。尤其是，具有一维空间构型的氧化锌纳米棒，其长宽比大，使其具有更大的比表面积，因而对分子吸附的敏感度比体材料和薄膜更高。CN 200410014149.1中公开了一种尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针的制备方法，这种氧化锌棒状单晶纳米探针比表面积很大，尖端具有极性和强化学活动性，具有很高的传感(sensing)性能，这使得基于该探针的纳电子器件应用成为可能。例如用于某些特定气体、化学和生物分子的高灵敏度探测，甚至单分子探测领域，包括将它用于宽量程高灵敏度真空规的制备中。
发明内容
本发明的目的在于，根据现有技术中不足，提供一种氧化锌单晶纳米探针真空规的器件架构及其制备方法。
本发明的目的通过以下方式实现。
本发明的宽量程电子隧穿式氧化锌纳米探针真空规，其特征在于，该真空规是由纳米探针和导电电极构筑的纳米尺度隧道结构成，所述纳米探针是尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针，它的尾端通过金属电极定位沉积固定在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，在该基片上还定位沉积有另一碳膜电极，纳米探针的针尖指向碳膜电极，针尖尖端与碳膜电极保持在未电学连接状态，且距离小于5纳米。
本发明的宽量程电子隧穿式氧化锌纳米探针真空规的制备方法中，所用的尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针的制备方法与CN 200410014149.1中公开的方法相同，其特征在于，此后的制备过程为(1)将尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针分散并组装在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上将探针样品浸入乙醇溶液中进行超声分散，再将该探针/乙醇的悬浊液滴在清洁的氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，利用旋涂(SpinCoating)或干燥气流(Dry Gas Flow)法甩掉液滴，使纳米探针平铺在上述基片上，并将其表面覆盖度(密度)控制在低于1根/平方微米以内，然后使用扫描电子显微镜对平铺在基片上的纳米探针进行检查筛选，保留尖端曲率半径小于5纳米且无损伤的纳米探针；(2)对上述通过筛选保留下的纳米探针定位沉积电极在上述纳米探针的尾端(半径大于10纳米的部分)利用微机电(MEMS)工艺定位沉积加工金属电极；(3)制备纳米探针针尖-空气-碳电极纳米隧道结在纳米探针尖端的前方定位沉积导电碳膜作为对电极，并控制沉积的区域使碳膜和纳米探针针尖间距逐渐减小至5纳米以内，但并不接触；(4)对上述隧道结进行筛选和稳定化处理在两电极上施加扫描区域大于-5～5伏但小于-20～20伏的电压进行快速反复扫描、或施加大于5伏但小于30伏脉冲电压，经过筛选，在上述偏压下隧穿电流大于10纳安以上、且伏安特性曲线为曲线的隧道结为合格产品；(5)真空规的标定在不同的真空度下进行伏安测量，并用电离真空规加热偶真空规进行标定，确定出真空度与隧穿电流的关系，做出真空度-电流数据转换表。
上述制备过程中，所使用的电极金属是金或铂。
本发明的真空规，利用常规的MEMS工艺，选用特殊的纳米探针结构和纳米隧道结这种非接触式的器件架构，恰当的选定加工处理工艺控制参数达到优化值，使真空规工作于电子隧穿模式，传感特性取决于探针尖端-碳电极之间的电子隧穿，这从根本上改变了传统中的电阻式和电容式传感器模式。通过量子力学和半导体物理原理可知，所述的纳米探针传感灵敏度主要由针尖处曲率半径而非探针平均尺寸决定，尖端和隧道结特性对于隧穿电流起决定作用。本发明使用了尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针，比表面积、化学活动性大大提升，因而对真空变化的灵敏度比以往的纳米线(半径大于10纳米的)传感器大大提高。同时由于氧化锌纳米探针-空气-碳电极纳米隧道结的隧穿电流在大气到10-5帕高真空的很大范围内随真空单调变化并且变化明显，因此其量程能覆盖从大气到高真空(105～10-5帕)的很大范围，比单独使用电阻、热偶和电离真空规的量程都要大得多。现有实验表明该探针尖端的可重复曲率半径在2纳米左右，如果通过进一步优化有望制得准原子尺度尖端曲率半径的纳米探针，这就更能进一步保证其高灵敏度的真空传感性能。测试表明，本发明的真空规在负偏压下，隧穿电流在大气到10-5帕高真空的很大范围内随真空单调变化，正常稳定，这说明其量程很宽，在105～10-5帕范围内。而且，由于其体积很小(亚微米量级)，且无须烘烤和去气，因此使用十分方便，能满足小型化要求，有望取代目前高真空系统中普遍使用的电离真空规加热偶真空规的复合式配置。
本发明中所使用的纳米探针虽然在尖端非常尖锐，但在整体上平均直径达到100纳米，长径比可达10～100倍，这个尺度非常便于常规MEMS工艺加工处理，因此本发明所述的制备方法，整个过程参数控制方便，加工工艺成熟，可靠性高。由于其生产周期较短，生产成本低，也很利于批量制备加工。
下面通过实施例及其附图作进一步说明。
图1是本发明所述宽量程电子隧穿式氧化锌纳米探针真空规的实施例结构示意图。
图2是利用本发明制备的真空规在三种不同真空度下的代表性伏安特性曲线，其中的插图是器件中纳米探针的代表性扫描电子显微像。
参见图1，1为硅基片，2是氧化硅或氮化硅层，氧化锌纳米探针5通过金属电极4的定位沉积固定在硅基片上的氧化硅或氮化硅层上，纳米探针的针尖指向碳膜电极3，其针尖与碳膜电极3的距离小于5纳米，但不接触，形成隧道结6。
图2中，其横坐标是电压，单位是伏特；纵坐标是电流，单位是纳安。
具体实施例方式
实施例11.准备好一片平整的被名义厚度为100纳米的热氧化硅膜覆盖的(111)晶向的5×5×0.3立方毫米的硅单晶抛光外延基片，用丙酮超声清洗3次，每次5分钟，使该基片表面清洁；2.将CN 200410014149.1实施例制得的纳米探针阵列样品浸入乙醇中分3次对样品超声震荡分散得到纳米探针/乙醇的悬浊液，每次超声1分钟，超声功率和频率分别为180瓦、40千赫兹；3.用移液管取少量均匀分散的悬浊液滴在氧化硅膜/硅基片上，使其表面完全被液滴覆盖，利用旋涂(Spin Coating)法，转速2000转/分，定时2分钟(以便迅速甩掉基片上的液滴)，使基片干燥；4.使用聚焦离子束刻蚀系统附带的扫描电子显微镜对平铺分散的纳米探针的形貌进行筛选，选取一根符合要求的尖端曲率半径为2纳米的探针，利用微机电(MEMS)加工工艺进行定位和电极沉积，在纳米探针的尾端(半径大于10nm的部分)加工100纳米厚的铂电极及其引脚；5.在针尖端前方，定位沉积50纳米厚的导电碳膜作为对电极，并做好引脚，在两个电极上施加一个5伏的正偏压(规定电流由碳电极经过针尖流到铂电极的方向为正)实时监控碳电极与铂电极之间的电流，同时继续向逼近针尖的方向定位沉积碳膜，监视其电流变化，当电流达到100纳安时立刻停止沉积，然后用显微镜观测碳电极和针尖间距是否在5纳米以内并且尚未连接。实际观察到此时本实施例的碳电极和针尖间距约为1纳米；6.在两电极之间快速施加-10～10伏电压来回扫描20次，检测针尖是否构成针尖-空气-碳电极构成的隧道结并获得了电学性质稳定性。(如果扫描电压期间完全不导通或伏安特性曲线为直线，回到步骤4继续)7.真空规的简单标定在三种不同的真空度下进行伏安测量，并用电离真空规加热偶真空规进行标定，确定出真空度与隧穿电流的关系并作出曲线图，如图2。
图2是利用上述方法制备的纳米真空规在三种不同真空度下的伏安特性曲线。从图中可以清楚看出，当两个电极间的电压恒定为-5伏时，环境为大气时，其电流强度小于0.1纳安；当真空度为1帕时，其电流强度为45±0.5纳安；而当真空度为1×10-1帕时，其电流强度为90±0.5纳安。这就说明，随着真空度的提高，电流强度越来越大。因此，在固定负偏压下，通过测量电流值就可以通过转换得到所处环境的真空度。
实施例21.准备好一片平整的被名义厚度为50纳米的氮化硅膜覆盖的(100)晶向的10×5×0.3立方毫米的硅单晶抛光外延基片，用丙酮超声清洗3次，每次5分钟，使该基片表面清洁；2.将CN 200410014149.1实施例制得的纳米探针阵列样品浸入乙醇中分3次对样品超声震荡分散得到纳米探针/乙醇的悬浊液，每次超声2分钟，超声功率和频率分别为180瓦、40千赫兹；3.用移液管取少量均匀分散的悬浊液滴在氮化硅膜/硅基片上，使其表面完全被液滴覆盖，利用干燥氮气流(Dry Gas Flow)法，氮气流速为20标准升/分，使气流喷嘴掠入射吹过基片，迅速吹掉基片上的液滴，并使基片干燥；4.使用聚焦离子束刻蚀系统附带的扫描电子显微镜对平铺分散的纳米探针的形貌进行筛选，选取一根符合要求的尖端曲率半径为1.5纳米的探针，利用微机电(MEMS)加工工艺进行定位和电极沉积，在纳米探针的尾端(半径大于10nm的部分)加工200纳米厚的金电极和引脚；5.在针尖端前方定位沉积100纳米厚的导电碳膜作为对电极，并做好引脚，在两个电极上施加一个5伏的正偏压(规定电流由碳电极经过针尖流到铂电极的方向为正)实时监控碳电极与铂电极之间的电流，同时继续向逼近针尖的方向定位沉积碳膜，监视其电流变化，当电流达到10纳安时立刻停止沉积。然后用显微镜观测碳电极和针尖间距是否在5纳米以内并且尚未连接。实际观察到此时本实施例的碳电极和针尖间距约为2.5纳米；6.在两电极之间施加-10伏电压脉冲10次，检测针尖是否构成针尖-空气-碳电极构成的隧道结并获得了电学性质稳定性。(如果扫描电压期间完全不导通或伏安特性曲线为直线，回到步骤4继续)7.真空规的简单标定在三种不同的真空度下进行伏安测量，并用电离真空规加热偶真空规进行标定，确定出真空度与隧穿电流的关系。测量结果表明，当两个电极间的电压恒定为-5伏时，当环境为大气时，其电流强度小于0.1纳安，当真空度为1帕时，其电流强度为10±0.5纳安，而当真空度为1×10-4帕时，其电流强度为20±0.5纳安。
权利要求
1.一种宽量程电子隧穿式氧化锌纳米探针真空规，其特征在于，该真空规是由纳米探针和导电电极构筑的纳米尺度隧道结构成，所述纳米探针是尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针，它的尾端通过金属电极定位沉积固定在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，在该基片上还定位沉积有另一碳膜电极，纳米探针的针尖指向碳膜电极，针尖尖端与碳膜电极保持在未电学连接状态，且距离小于5纳米。
2.如权利要求1所述的真空规，其特征在于，所述的氧化锌棒状单晶纳米探针的尾端通过金属电极定位沉积固定在氮化硅薄膜/硅基片上。
3.制备如权利要求1所述的宽量程电子隧穿式氧化锌纳米探针真空规的方法，所用的尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针的制备方法与CN 200410014149.1中公开的方法相同，其特征在于，此后的制备过程为(1)将尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针分散并组装在氧化硅薄膜/硅基片上将探针样品浸入乙醇溶液中进行超声分散，再将该探针/乙醇的悬浊液滴在清洁的氧化硅薄膜/硅基片上，利用旋涂或干燥气流法甩掉液滴，使纳米探针平铺在上述基片上，并将其表面覆盖度控制在低于1根/平方微米以内，然后使用扫描电子显微镜对平铺在基片上的纳米探针进行检查筛选，保留尖端曲率半径小于5纳米且无损伤的纳米探针；(2)对上述通过筛选保留下的纳米探针定位沉积电极在上述纳米探针的尾端利用微机电工艺定位沉积加工金属电极；(3)制备纳米探针针尖-空气-碳电极纳米隧道结在纳米探针尖端的前方定位沉积导电碳膜作为对电极，并控制沉积的区域使碳膜和纳米探针针尖间距逐渐减小至5纳米以内，但并不接触；(4)对上述隧道结进行筛选和稳定化处理在两电极上施加扫描区域大于-5～5伏但小于-20～20伏的电压进行快速反复扫描、或施加大于5伏但小于30伏的脉冲电压，经过筛选，在上述偏压下隧穿电流大于10纳安以上、且伏安特性曲线为曲线的隧道结为合格产品；(5)真空规的标定在不同的真空度下进行伏安测量，并用电离真空规加热偶真空规进行标定，确定出真空度与隧穿电流的关系，做出真空度-电流数据转换表。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述制备过程(1)是将尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针分散并组装在氮化硅薄膜/硅基片上，即将探针样品浸入乙醇溶液中进行超声分散，再将该探针/乙醇的悬浊液滴在清洁的氮化硅薄膜/硅基片上。
全文摘要
本发明涉及纳米制备、纳米加工和纳米器件的应用技术领域，特别涉及宽量程纳米真空规及其制备方法。该真空规是由纳米探针和导电电极构筑的纳米尺度隧道结构成，所述纳米探针是尖端曲率半径小于5纳米的氧化锌棒状单晶纳米探针，它的尾端通过金属电极定位沉积固定在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，在该基片上还定位沉积有另一碳膜电极，纳米探针的针尖指向碳膜电极，针尖尖端与碳膜电极保持在未电学连接状态，且距离小于5纳米。其制备过程中利用常规的MEMS工艺，选用纳米探针结构和纳米隧道结这种非接触式的器件架构，恰当的选定加工处理工艺控制参数达到优化值，使真空规工作于电子隧穿模式，整个过程参数控制方便，加工工艺成熟，可靠性高。
文档编号B82B3/00GK1800799SQ20051009555
公开日2006年7月12日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者潘楠, 张琨, 王晓平, 侯建国 申请人:中国科学技术大学