一种制备复合纳米结构的方法与流程

本发明涉及一种制备复合纳米结构的方法，特别涉及一种基于纳米机械手精准制备复合纳米结构的方法，属于纳米光子学领域中的微纳加工技术领域。

背景技术：

微纳加工是指构建尺度在纳米范围内的微结构，在纳米尺度下操控物质的组装从而构成具有一定功能的微型器件，是纳米技术的核心之一。微纳操控常用手段包括：在光学显微镜下利用光纤探针装配样品，由于光学显微镜放大倍率的限制和光纤探针几十微米级的大尺寸，通常只能操作尺寸在100nm以上的颗粒，其定位精度大概在几百纳米至几微米；在扫描隧道电子显微镜下利用探针操作单原子，精度可以到达0.1nm，但操作的颗粒通常是单个原子，尺寸为原子直径(0.1nm)量级。这些常用的微纳操控手段对纳米颗粒所处的环境有一定要求，对纳米颗粒尺寸和形状有一定限制，不能将尺寸在5nm到100nm的任意形状纳米颗粒移动到目标纳米结构中，为复合纳米结构的制备带来很大的困难。

纳米机械手是一种利用压电陶瓷控制金属探针(通常用的材料是钨)进行精密平动和转动的装置，现有纳米机械手有两种使用方式：一是用来挑拨纳米线、纳米管等，移动细长条型结构；二是将待移动物体与探针焊接，移动纳米级别以上的较大物体。纳米机械手在材料分析领域有重要应用，一般用于透射样品的制备和表征，并没有用来制备复合纳米结构。

技术实现要素：

针对现有微纳操控手段在所能操控颗粒的尺寸和形状上存在的缺陷，本发明公开的一种制备复合纳米结构的方法要解决的问题为：利用纳米机械手尖端的可吸附性、可打磨性，实现了对特征尺寸为5nm到100nm的任意形状的纳米颗粒的操控。该发明填补了现有微纳加工技术在所操控纳米颗粒尺寸上存在的空缺，打破了对所操控纳米颗粒形状的限制，能将纳米颗粒精准移动到目标纳米结构中，制备高精度复合纳米结构。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种制备复合纳米结构的方法，具体步骤如下：

步骤一、通过扫描电子显微镜观察样品，利用聚焦离子束轰击刻蚀目标纳米结构；

步骤二、将纳米机械手尖端接近纳米颗粒，纳米颗粒通过分子间作用力吸附到纳米机械手尖端，移动纳米机械手将纳米颗粒移至目标纳米结构附近；

步骤三、移动纳米机械手靠近目标纳米结构侧壁，纳米颗粒被目标纳米结构侧壁刮下，落入目标位置；

步骤四、若步骤三无法实现纳米颗粒的剥落，可用另外一个纳米机械手进行辅助，将纳米颗粒剥落到目标纳米结构中；

至此，纳米颗粒放入目标纳米结构中，完成复合纳米结构的制备。

有益效果

1、本发明首次提出将纳米机械手用于制备芯片上的复合纳米结构，利用纳米机械手尖端的可吸附性、可打磨性，能操控特征尺寸为5nm到100nm的任意形状颗粒，并将其放入目标纳米结构中，完成复合纳米结构的制备。本发明解决了现有微纳操控技术在所操控纳米颗粒尺寸上存在的断层问题和形状受限问题，为复合纳米结构的精准制备提供了先进的方法。

2、本发明的纳米机械手的尖端可以用离子束打磨成双束系统精度范围内任意尺寸，保证能够精准操控相应尺寸的纳米颗粒，可以精确操纵特征尺寸为5nm到100nm的金属或介质纳米颗粒。

3、本发明的纳米机械手的探针平动分辨率目前可达0.5nm，转动分辨率目前能够达到10的负7次方弧度，其极高的分辨率为纳米颗粒吸附、移动与放置的精确程度提供了保障。

附图说明

图1为在纳米结构中利用单个纳米机械手制备复合纳米结构流程图：(a)刻蚀好的纳米圆孔结构示意图；(b)纳米机械手吸附纳米颗粒示意图；(c)纳米机械手移动纳米颗粒示意图；(d)纳米颗粒被纳米结构侧壁刮下示意图；(e)复合纳米结构图；

图2为在纳米结构中利用两个纳米机械手制备复合纳米结构流程图：(a)刻蚀好的纳米圆孔结构示意图；(b)纳米机械手吸附纳米颗粒示意图；(c)纳米机械手移动纳米颗粒示意图；(d)两个纳米机械手操控纳米颗粒示意图；(e)复合纳米结构图；

图3为复合纳米结构扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

该具体实施方式中提到的实例为基于硅片上的纳米孔与纳米颗粒复合结构的制备，实例中使用的纳米机械手是一种利用压电陶瓷控制钨探针进行精密平动和转动的装置，与扫描电镜或者聚焦离子束/电子束双束系统配套使用，本实例中纳米颗粒为pbs量子点。

如图1(a)所示，本发明在扫描电子显微镜的观察下，在硅片薄膜上通过聚焦离子束轰击刻蚀出圆抛物面凹槽，用注气系统在槽底沉积二氧化硅，沉积面为放置量子点的平台，至此，目标纳米结构制备完成。

如图1(b)所示，量子点的直径约为100nm，将打磨至100nm的纳米机械手尖端靠近量子点，量子点在范德华力作用下吸附在纳米机械手尖端。

如图1(c)所示，移动纳米机械手，将量子点移至目标纳米结构附近。

如图1(d)所示，将纳米机械手尖端靠近凹槽侧壁，此时，量子点被凹槽侧壁刮下，落入目标纳米结构中心。

如图1(e)所示，量子点放入目标纳米结构中，完成复合纳米结构的制备。

实施例2

针对纳米颗粒不能被目标纳米结构侧壁直接刮落的问题，可利用另外一种方式剥落纳米颗粒，该具体实施方式中提到的实例为基于硅片上的纳米孔与纳米颗粒复合结构制备，本实例中纳米颗粒为pbs量子点。

如图2(a)所示，本发明在扫描电子显微镜的观察下，在硅片薄膜上通过聚焦离子束轰击刻蚀出圆抛物面凹槽，用注气系统在槽底沉积二氧化硅，沉积面为放置量子点的平台，至此，目标纳米结构制备完成。

如图2(b)所示，量子点的直径约为100nm，将打磨至100nm的纳米机械手尖端靠近量子点，量子点在范德华力作用下吸附在纳米机械手尖端。

如图2(c)所示，移动纳米机械手，将量子点移至目标纳米结构上方。

如图2(d)所示，一个纳米机械手用来吸附纳米颗粒，另外一个纳米机械手将纳米颗粒剥落至目标位置。

如图2(e)所示，量子点放入目标纳米结构中，完成复合纳米结构的制备。

结果表征

如图3所示，在扫描电镜下，量子点完全落入凹槽中，完成了基于硅片上的纳米孔与量子点的复合结构的制备。

纳米机械手在移动过程中存在回程误差，但其步进精度目前可达0.5nm，完全可以精准移动特征尺寸为5nm到100nm的纳米颗粒，实现高精度复合纳米结构的制备。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种制备复合纳米结构的方法，特别涉及一种基于纳米机械手精准制备复合纳米结构的方法，属于纳米光子学领域中的微纳加工技术领域。本发明首次提出将纳米机械手用于制备芯片上的复合纳米结构，通过在聚焦离子束/电子束双束系统中引入纳米机械手，能自由、任意地操控特征尺寸为5nm到100nm、形状不限的纳米颗粒，能够将纳米颗粒精准移动至目标纳米结构中，完成芯片上的复合纳米结构的制备。本发明解决了现有的微纳操控技术在所操控纳米颗粒尺寸上的断层问题和形状受限问题，为复合纳米器件的精准制备提供了先进的方法。

技术研发人员：路翠翠;张红钰;刘惟真;袁弘毅;王慧琴;刘晓宏
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2019.02.25
技术公布日：2019.04.30