专利名称：包括纳米晶须的探针结构、其制造方法以及形成纳米晶须的方法
技术领域：
本发明涉及包括一维纳米元件的结构，其适合用于扫描探针显微镜、电流注入应用和其他应用。“一维纳米元件”是本质上处于一维形式的结构，它们的宽度或直径具有纳米尺寸，它们通常被称为纳米晶须、纳米棒、纳米线、纳米管等等。更具体地，但非排他地，本发明涉及包括纳米晶须的结构、相关制造方法和形成纳米晶须的方法。
背景技术：
通过所谓的VLS(气—液—固)机理在基底上形成晶须的基本工艺是众所周知的。在有某种气体参与的情况下，通常是金的催化材料的粒子或块体被在基底上加热。气体被催化块体吸收以形成合金。合金过饱和，固化材料的柱形成在块体下面，且块体升起位于柱子的顶部上。其结果是所期望材料的晶须带有位于顶部的催化块体(见E.I Givargizov，Current Topics in Materials Science，卷1，页79-145，North Holland出版社，1978)。这类晶须的尺寸在微米范围内。
虽然在有位于生长的晶须尖端的催化粒子参与的情况下被催化的纳米晶须的生长传统上一直被称作VLS(气—液—固工艺)。人们开始认识到催化粒子可能不必处于液体状态以便起晶须生长的有效催化剂的作用。至少一些证据显示用于形成晶须的材料能到达粒子—晶须界面且有助于晶须的生长，即使催化粒子处于低于其熔点的温度且可能处于固体状态。在这种条件下，材料生长例如随着晶须的生长加到其尖端的原子可以通过固体催化剂粒子本身而扩散，或甚至可能沿固体催化粒子的表面扩散到处于生长温度的晶须的生长尖端。显然，总的结果是一样的，即，被催化粒子催化的晶须的延长，不论在特定的环境温度、催化粒子成分、晶须的预期成分或其他与晶须生长有关的条件下确切的机理可能是什么。对这一应用来说，术语“VLS工艺”或“VLS机理”或相当的术语倾向包括所有这类催化过程，其中纳米晶须生长被与纳米晶须的生长尖端相接触的粒子、液体或固体催化。
国际专利申请No.WO 01/84238在图15和16公开了形成纳米晶须的方法，其中来自浮质的纳米尺寸粒子沉积在基底上且这些粒子被用作为产生单纤维或纳米晶须的种子。
对这一技术要求来说，术语纳米晶须倾向指具有纳米尺寸最好是500nm或更小直径或横截面的一维纳米元件。
由于在二十世纪八十年代期间扫描隧道显微镜的发展，借助于与表面紧紧靠近或接触的纳米尺寸的尖端，对表面在原子尺寸进行检验和处理有深入研究。当移动尖端横过表面时，STM根据在尖端和样品表面之间流动的隧道电流的原理而运行。发展了各种其他的根据某些不同原理在原子水平来检验表面的显微镜。这包括例如借助于安装在可弯曲的悬臂梁上的尖端检测表面的电子排斥力的原子力显微镜、借助于磁性尖端测量吸引或排斥的磁力的显微镜、以及检测样品表面所产生的热量的显微镜(见www.nomoworld.org)。所有这些显微镜属于被称为扫描探针显微镜(SPM)一类。对这一技术要求来说，术语扫描探针显微镜被理解为包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜和其他包括在样品表面上移动的用于在纳米或原子尺度测定表面特性的非常细小的尖端的显微镜。
STM的最初形式包括安装在压电管上的尖端。到样品表面的隧道电流被监测，且在尖端和表面之间的距离被调节到以维持隧道电流恒定。如今，这种STM的尖端通常包括一个Pt/Ir金属丝，通过用切削工具和钳子切削和拉拔金属丝形成尖端。STM尖端的另一种常见形式是端部被蚀刻的钨金属丝。这两种尖端都具有尺寸在纳米范围内的自由端部。
AFM的一种所知结构使用微机械加工的可弯曲的硅悬臂梁，整个硅尖端从梁的自由端部直立，随着尖端在表面上移动梁的弯曲程度被测量(参见例如the McGraw Hill Encyclopaedia for Science and Technology，第七版)。尖端的端部通常具有在纳米范围内的尺寸。
在Samuelson等人，Physica Scripta，卷T42，页149-152(1992)，标题为“Tunnel-Induced Photon Emission in Semiconductors Using anSTM”文章中，在图6中显示了具有磷化镓的三角形半导体尖端的STM。为了允许用于在半导体表面上获得光子发射的P型或N型载流子的隧道电流，各种类型的尖端材料都被建议，如图5所示。这通过提供由窄频带的低能电子形成的隧道电流而完成，低能电子可以随被这个装置探测的半导体表面的特殊电子态特征(也就是说，能带隙)被谐振地注入。
通过粘合碳纳米管到悬臂梁的端部，碳纳米管曾被建议用于SPM的尖端。然而，粘合剂也许会失效，特别是当SPM被浸入到流体中时。另外，原则上，当同时注入来自尖端的非常宽的电子态频带时，这种SPM尖端将会和传统金属SPM尖端一样遭受同样的局限性。
纳米技术在磁性应用中是众所周知的。参见，例如属于Leiber的US-A-5,997,832和WO97/31139，它描述了各种材料的纳米棒，其中一些是磁性的。使用纳米技术发展用于数据存储用途的薄膜在Shouheng Sun等人，Science，卷287，2000年3月，标题为“Monodisperse FePtNanoparticles and Ferromagnetic Nanocrystal Superlattices”的文章中被描述。在自旋电子学领域，难题出现在有效注入自旋极化电子到自旋电子装置中。曾建议使用具有铁磁尖端的SPM用于这种通过真空隧道过程的注入。(Wolf等人，Science，卷294，页1488-1495，2001年11月16日，在页1491上。)也参见Orgassa等人，Nanotechnology 12，页281-284，(2001年)。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种用于扫描探针显微镜的纳米技术的结构，包括尖端元件、和从尖端元件的自由端部凸出且与其构成整体的纳米晶须。
因此，提供一种可以被用作用于扫描隧道显微镜(STM)、AFM和其他形式的SPM的探针，其所导致的技术优点如下所阐述。尖端元件可以是任何所需形状，例如管状、锥形或三角形。在STM的常见形式中，尖端元件构成金属丝的端部区域，且纳米晶须可以被形成在金属丝端部的特制区域。另外，取决于预期应用，尖端元件可以被形成为安装在基底或其他适当支撑上的单独元件。尖端元件和纳米晶须通常都由导体或半导体材料形成，以允许电流流过，但是取决于用作度量的物理参数也可能存在绝缘材料被采用的情况。
用STM的测量通常是用于在原子尺度非常详细地检测表面特征。另一方面，用AFM的测量更多的是用于在大些的纳米尺度检测所设计的纳米结构。其中，通常的情况是，探针机构趋向于用于原子力测量，尖端支撑元件可以包括一个具有预定尺寸和机械性能的，特别是弹性的，可弯曲的细长元件或横梁。探针结构然后适合用于原子力显微镜(AFM)中。尖端元件可以与横梁构成整体，其中横梁具有适当的材料，例如，硅。其他形式的尖端支撑元件可以被使用，例如V形支撑元件。
因此更具体地说，本发明提供一种纳米技术的结构，包括可弯曲支撑元件，支撑元件在其或临近其自由端部具有直立的尖端元件；以及从尖端元件的自由端部凸出且与其构成整体的纳米晶须。
在第二方面，本发明提供一种形成用于扫描探针显微镜的纳米技术的结构的方法，包括提供尖端元件；和形成从尖端元件凸出的纳米晶须。
在优选实施例中，纳米晶须的形成包括
在尖端元件的自由端部设置预定体积的催化材料块体；和在一定条件下加热块体并暴露块体到预定类型的气体，以便通过VLS工艺形成从尖端元件直立的纳米晶须。
根据本发明，有可能在尖端元件的端部形成多于一个的纳米晶须。多于一个的尖端元件可以被提供，每个尖端元件具有形成在其上的一个或多个纳米晶须。这些尖端元件可以被安装在单个支撑上，或可以被独立地安装以便独立移动。
在至少一个本发明的优选实施例中，尖端元件被安装到硅或其他导体或半导体材料的悬臂梁上，且具有通常在微米范围内的预定尺寸。横梁具有预定的机械性能，特别是响应施加到横梁端部的力的预定弹性。横梁在其自由端部形成有直立的尖端元件。其中横梁具有诸如硅等的适当材料，尖端元件通过诸如微机械加工等的适当工艺与横梁整体形成。
纳米晶须被形成在尖端元件的最端部且最好通过在我们2003年7月7日已提交的待审美国专利申请10/613,071和2003年7月8日已提交的国际专利申请PCT/GB03/002929中已描述的过程生长，这些专利申请的内容在这里通过参考引入。通过例如纳米印刷光刻(NIL)的光刻工艺、或金纳米粒子的沉积，在尖端元件的端部设置定金或其他催化材料的区域。当在生长外延仪器中被加热时，金区域聚结且形成催化熔融物。引入生长系统的气体被熔融物吸收，且形成共晶合金。一旦过饱和，所需成分的固化材料例如砷化镓沉积在熔融物与下面的半导体晶体之间的界面上。采用这种方法，一个柱形成，且该柱被称为纳米晶须或纳米线。
根据本发明的扫描探针显微镜具有的特征是，可以提供注入载体的极窄的能量分布。因此提供了一种用于检测样品表面的非常精确和灵敏的工具。极窄的能量分布可以通过使用简并掺杂大能带隙半导体纳米线材料(例如，GaP、GaN、ZnO)获得，它能在半导体的导带中产生能量范围在约10mev的自由电子，这个基本上与特定材料无关。另外，通过使用纳米线中所设计的谐振隧道结构，大约1mev的更小能量分布可以获得。由在不同能带隙材料之间的纳米线内的一系列异质结组成的谐振隧道结构在我们2003年7月7日已提交的待审美国专利申请10/613,071和2003年7月8日已提交的国际专利申请PCT/GB03/002929中非常充分地进行了描述，其内容在这里通过参考引入，并且除了气体组分在纳米线生长期间迅速地转变以产生不同材料的区段外，谐振隧道结构主要通过上面描述的工艺形成。
在任一种情况下，纳米晶须沿其长度可以具有恒定的直径横截面，或最好是锥形的或圆锥形的形状。预期形状通过适当调节生长条件主要是温度而产生，如我们2003年7月7日已提交的待审美国专利申请10/613,071和2003年7月8日已提交的国际专利申请PCT/GB03/002929中所描述的。
纳米晶须可以制成非常精确的尺寸，特别是其直径，它能被精确地形成小于10nm的、仅仅几个纳米的尺寸。通常，纳米晶须的直径可以在5-50nm范围内优选预定。它的长度主要在大约100nm到几个微米之间选择。如此形成的纳米晶须在探针尖端结构中构成一个尺寸精确且具有预定特性的元件。当它通过上面的工艺与悬臂梁整体(整体式)形成时，它在使用中很安全可靠，并具有与探针结构的其余部分的完美、连续且无阻抗的电连接。这与采用粘结到横梁上的碳纳米管的布置不同，例如，采用纳米管具有丢失尖端的危险性，特别是当浸入到流体中时，且在纳米管和SPM之间还可能存在很大的电阻。
残留在纳米晶须端部的催化材料的熔融物在某些情况下可能是不期望的；例如，它可能影响穿过纳米晶须的电子流的能量分布，且晶须端部的形状可能不是特别很好限定。因此，根据本发明的另一个方面，熔融物可以被去除。在一个最优实施例中，使用我们2003年7月7日已提交的待审美国专利申请10/613,071和2003年7月8日已提交的国际专利申请PCT/GB03/002929中所描述的技术，通过生长条件的适当改变以及替换反应室中的不同气体以便用与纳米晶须的主要或相邻部分不同材料的一段“牺牲”区段的短区段以终止生长，纳米晶须的生长可以完成。例如，牺牲材料可以是InAs而晶须是GaAs，或牺牲材料可以是GaAs而晶须是InAs。这种牺牲材料可以在以后通过选择的蚀刻被去除，因此去除掉催化(例如金)粒子并形成终止晶须的新表面。另外，蚀刻可以产生尖锐圆形或尖头的晶须端部，以便更精确。
在另一方面，本发明提供一种形成纳米晶须的工艺，包括提供催化材料块体，并在预定操作条件下暴露块体到一种或多种气体，以便通过VLS工艺形成纳米晶须；通过改变至少一个操作条件终止纳米晶须的生长，以在纳米晶须的端部提供与纳米晶须相邻部位材料不同的材料的区段；和在形成纳米晶须后，选择性蚀刻该不同材料以便去除其上的该不同材料和催化材料块体。
作为金催化材料的另一个选择，催化材料可以包括诸如Ga或In等的III族金属，这些金属包括在将形成纳米晶须的材料中。纳米晶须可以简单地仅由III族金属形成，或与V族材料形成半导体化合物的金属形成。在任一情况下，纳米晶须形成以后残留在纳米晶须自由端部的催化熔融物与纳米晶须剩余部分的材料是相同的，在某些情况下这可能是个优点。
本发明期望在生物检测应用中使用探针结构。生物检测技术可以被看作任何利用诸如尤其是核酸、蛋白质或抗体或断片等的生物分子的检测方法，结合或放大交互作用是典型的。根据本发明，包括在SPM尖端的纳米晶须可以具有用于粘合预定分子到其上的涂层、或包括生物活性分子的涂层。
根据本发明这方面，包括在SPM尖端的纳米晶须特别适合作为精确定位传感器用于检测生物分子的参数，例如，DNA。例如，这种分子可以被定位在基底上，且AFM可以被布置成在基底表面上方扫描，并测定DNA的特性。另外，包括在SPM尖端的纳米晶须可以由硅或其他可氧化材料形成。纳米晶须被氧化以沿其长度形成氧化物环绕层，但是金或其他催化种子粒子熔融物在仍未氧化纳米晶须的自由端部。因此这提供了一种用于检测生物表面的高精度探针，其中交互作用发生在精确限定的区域。这允许在高度方向以及平面方向测定分子，从而能够进行三维XYZ测定。
另外，根据本发明，包括在SPM尖端的纳米晶须沿其长度具有一系列不同材料的区段，以便在异质结之间产生尺寸非常小的发光二极管，例如，小到20nm3。这种二极管的波长可以通过适当选择材料和尺寸预定到期望值。当适当激发时，该二极管能被布置成在需要时发射单个光子，这能被用来照射生物样品(例如，组织、细胞或分子)。用电磁辐射照射生物样品是一种用于确定分子、磷光、荧光等等的光学吸收的很灵敏的工具。
关于磁性应用，在本发明中，具有纳米晶须的探针尖端结构被用于进入电路的电流注入目的，其中形成电流的电子应该被精确确定自旋参数。例如，在纳米晶须由诸如MnInAs、MnGaAs、MnAs等的磁性材料或半磁性材料形成时，自旋极化电子可以从晶须的尖端被发射(半磁性材料是包括磁性离子稀释浓度的半导体化合物，例如Mn)。尽管尖端结构可以被设置在任何合适的支撑元件上，例如刚性基底或金属丝，由于横梁的弹性提供了可靠接触，最好使用悬臂梁的构造，且横梁和尖端结构的尺寸与电子被注入的电路的尺寸相适应。
作为另一个选择，悬臂梁和尖端元件由用于在电子进入纳米晶须之前极化和排列电子自旋的铁磁材料形成。纳米晶须然后可以作为自旋极化电子流的管道。在不方便形成铁磁材料纳米晶须时，这可能是一个优点。
本发明的另一个方面是基于由适当磁性材料形成并被使用作为数据存储介质的纳米线或纳米晶须的阵列，其中每一纳米线可以被选择性地在向上自旋或向下自旋状态被磁化以表示“1”或“0”位。
关于铁磁特性，纳米晶须可能存在在非常小的区域里保留铁磁性的可能性。在使用非常小、特别是单畴磁性粒子或相似结构作为存储元件的磁存储装置中有很多值得注意之处。然而，人们知道随着铁磁单畴的尺寸被减小，达到在其之下铁磁状态不能存在的极限，且磁畴即单个粒子呈现所有原子的磁矩仍排成一行形成与铁磁体中一样的聚集的大磁矩的超顺磁性状态，但是其中这个巨大自旋的方向不再如它在铁磁体中一样锁定到限定的方向。对于球形磁性粒子这个极限大约为50nm。然而，当磁畴例如铁磁畴被包括在纳米晶须中时，磁畴停止具有铁磁性并经历转变成为超顺磁性状态的直径能被减小，因为纳米晶须的一维特征倾向于限制磁性材料离子(或原子)的磁矩的可能的再取向。晶须的材料可由铁、钴、锰或其合金制成。其他可能的材料包括砷化锰(铁磁性)。从而，对于特定的材料，就可能减小形成在纳米晶须中的铁磁畴的尺寸以便小于传统的最低极限。因此，通过形成为具有10nm或更小直径的纳米晶须，至少对于一些磁性材料在10nm或更小的横向尺寸时铁磁特性可以被保留。这种非常小的铁磁元件在磁存储装置的领域中具有明显的用途。
因此，根据本发明，就可能制备能被选择性磁化且产生能被检测到的磁通量的更小磁存储元件。对于磁性半导体材料，纳米线(纳米晶须)几何对称的减小有可能产生更高的居里温度。另外，组合具有不同晶格常数的材料(在晶须内)的自由可增强新磁性半导体的使用，诸如MnGaP和MnGaN等，它们可具有在室温以上的居里温度。另外，可以使用包括诸如Fe、Co、Ni的元素的金属铁磁材料。
通常，本发明可以通过铁磁材料、半磁性材料(半导体基体中的磁性离子稀释溶液)或其他诸如铁磁的合适的磁性材料而实现。
在另一个方面中，本发明提供一种包括磁性材料的纳米晶须，纳米晶须的直径使得单个铁磁畴存在于纳米晶须中。最好纳米晶须的直径不大于约25nm，最好不大于10nm。
取决于具体的纳米晶须生长条件，根据本发明生产的纳米晶须可以是大体上圆柱形的，且具有恒定直径，或可以具有稍微锥形的形式。其中沿纳米晶须的长度直径不是严格地恒定，纳米晶须的直径被看作是平均值。
在另一方面，本发明提供一种数据存储介质，数据存储介质包括纳米元件优选是纳米晶须的阵列，每一纳米晶须包括磁性材料，数据存储介质还包括用于在第一或第二磁化方向中的任一方向选择性地磁化每一纳米晶须、且检测每一纳米晶须的磁化方向的读取/写入结构。
检测装置优选包括SPM型布置，使其悬臂支撑设置有尖端元件和用于提供自旋极化电子流的纳米晶须，如上所述。这种尖端结构(尖端元件和纳米晶须)可以横过阵列移动以扫描纳米元件，且可以被选择性地定位成与纳米元件对齐，以检测磁化方向。纳米元件对电流的阻抗提供磁化方向的指示。写入磁化方向的装置可以包括用于检测的装置，但其中自旋极化电流的大小被极大地增加以迫使纳米元件处入所需磁化方向。另外，单独的写入头可以被设置，它包括(仅仅是示例)尖端，尖端可被强烈磁化以通过它的磁场选择性地磁化纳米元件。
在另一方面，本方面提供一种形成数据存储介质的方法，包括在基底的预定位置形成催化材料块体；和在每一位置生长磁性材料的纳米晶须且具有使得仅仅单个铁磁畴存在于纳米晶须中的尺寸。
将参考附图描述发明的最优实施例，其中图1a-1f显示在形成构成本发明第一个实施例的用于原子力显微镜(AFM)的尖端的过程中的步骤；图2a和2b显示包括用于扫描隧道显微镜(STM)的尖端的本发明第二个实施例；图3显示适用于确定生物样品特性的本发明第三个实施例；图4显示包括纳米结构的本发明第四个实施例，该纳米结构形成用于电流注入自旋极化电子到自旋电子电路的机构；图5a-5c显示包括形成数据存储介质的磁性材料纳米晶须阵列的本发明第五个实施例；以及图6a-6e显示用于形成纳米晶须阵列的工艺。
具体实施例方式
现参考图1，用于AFM的尖端包括硅横梁2，它被微机械加工(例如蚀刻)以形成例如长度在100到500μm之间的矩形细长棒且具有50×5μm的矩形横截面。这使得棒有预定的弯曲弹性。该弹性使得该结构适合用于AFM中。在横梁2一端，圆锥尖端4与横梁整体地形成，具有10μm宽基部和20μm的高度。尖端4的最末端6具有大约20nm宽的尺寸。
如图1b中所示，金制的体积10被附着到尖端的端部6。各种技术可以被采用以执行这一步骤。例如，通过浸入端部6到包括金离子的溶液里且采用尖端作为一对电极中的一个电极并在电极之间施加电压，金10可以被电解电镀。另外，在分子束装置中可以将一束分子对准端部6。分子是包括金离子的有机金属类。在适当的操作条件下，入射的分子在端部6分裂，金离子粘结到端部6。作为另一种选择，通过暴露尖端到金的浮质，金的浮质微滴可以被附着到尖端的端部。理想地是电压被施加到尖端，以便通过端部6区域中的电场吸引微滴。由于这些技术的实现对于本领域技术人员是简单明了的，没有一个在此做说明。
在端部6上形成金制的体积10以后，横梁2然后被移动到化学束磊晶(CBE)仪器14中，图1c。横梁2被加热到大约400℃的温度，以便金溶解并聚结成粒子12。包括镓、TMGa(三甲基镓)或TEGa(三乙基镓)的有机分子束然后被注入源室14，且包括例如TBAs(三丁化砷)或AsH3的砷化物离子被引入到室中。TBAs材料被所采用的高温分解，其中III族分子、TMGa或TEGa被分解到样品表面。在任何情况下，镓和砷原子被金催化的粒子6吸收从而形成共晶合金。随着进一步吸收，共晶合金过饱和且砷化镓在粒子12与尖端自由端的表面之间沉积，由此形成纳米晶须柱16。这一过程在我们2003年7月8日已提交的国际专利申请PCT/GB03/002929中非常充分地进行了描述。依据所采用的温度，纳米晶须可以是完美圆柱形，或更优选地，它形成为圆锥形。纳米晶须的直径取决于金10的初始面积和粒子12的生成直径。所生成的AFM的尖端被显示在图1d中。
如图1d中示意地所示，就这样形成了用于原子力显微镜或其他显微仪器的具有新特性的尖端，即所注入的载体的非常窄的能量分布可以被设计并被控制。这种窄的能量分布可以通过使用简并掺杂的大能带隙半导体纳米线材料(例如，GaP、GaN、ZnO)获得，它能在半导体的导带中产生能量范围在约10mev的自由电子，这个基本上与特定材料无关。另外，通过使用纳米线中所设计的谐振隧道结构，大约1mev的更小能量分布可以获得。由在不同能带隙材料之间的纳米线内的一系列异质结组成的谐振隧道结构在我们待审美国专利申请10/613,071和2003年7月8日已提交的国际专利申请PCT/GB03/002929中非常充分地进行了描述，其内容这里通过参考引入，并且除了气体组分在纳米线生长期间迅速地转变以产生不同材料的区段外，谐振隧道结构主要通过上面描述的工艺形成。这在图1e中示意性地显示，其中纳米晶须16包括结合低能带隙材料的传导区段18的宽能带隙材料的区段17，以形成谐振隧道二极管(RTD)。
在另一个可选择的结构中，区段18的材料和它沿纳米晶须长度的宽度被选择，以便产生特定波长的发光二极管，这参考2003年7月8日已提交的国际专利申请PCT/GB03/002929的图15和图16非常充分地进行了描述。二极管可以非常小(20nm3)以至于它可以被当作点源，且二极管可以被精确地控制以便能够“按要求”发射单个光子。这可以被使用测绘和扫描生物分子，如上所述。
如图1f所示，在另一个可选择的结构中，通过迅速地转变CBE室中的气体组分，诸如InAs等的牺牲材料的短区段20被形成在GaAs纳米晶须的一端。随后利用合适酸的蚀刻工艺去除区段20以及金粒子熔融物12。在这个示例中，剩余的纳米晶须16具有相同的材料(虽然它可以包括不同材料的部分或区段)，且具有很好限定的端部，蚀刻工艺产生尖头的或尖锐的圆形端部22。在其端部的金属丝的直径可以在5到25nm之间。尽管原则上晶须能由更小直径制成，但发现这一范围对AFM的预期应用是适合的。这个构造具有的优点是它需要有一个流经纳米晶须的、很好限定的电子流。
如上所述，虽然AFM尖端具有可弯曲的悬臂梁，对于其他应用，这不是必须的，且刚性基底或其他支撑元件可以替代横梁。
图2a和2b显示根据本发明第二个实施例的用于STM的探针。在图2a中，支撑24安装有包括保持在保持器28中的金属丝尖端元件26的STM尖端结构。金属丝26的端部如图2b所示在30处是锥形的。根据上面参考图1b到图1g所描述的工艺，纳米晶须34形成在端部。由于STM应用通常需要原子尺度测量，纳米晶须可以具有非常小的直径，至少在其尖端，比方说10nm或更小，或小于5nm。
现在参考图3，显示了包括AFM的尖端结构的第三个实施例，具有完整纳米晶须，其中与图1中相同的部分用相同的参考标号表示。纳米晶须36通过上面所描述的方法形成。晶须由硅形成，且在一端具有金粒子熔融物12。形成晶须之后，晶须被暴露在温度适宜的大气中以便硅氧化。这形成围绕晶须并沿其长度延伸的二氧化硅外壳38。金粒子熔融物12仍然处于未氧化状态。
由于与生物样品交互作用的区域被非常精确地界定，因此这提供了一种很适合精确检验生物样品的结构。纳米晶须36、38、12可以被用于例如在尖端结构移动的三个方向X、Y、Z测绘生物组织的特性。
作为另一个选择，晶须36可以被暴露在适宜材料的气氛中，以便形成高能带隙材料，作为氧化层38的替代物。金粒子熔融物12在任何情况下可以被涂敷酶材料或其他生物活性材料，以与生物样品产生预期的反应。
在另一个用于生物组织的三维测定和表征的结构中，如上参考图1e所述，发光二极管形成在纳米晶须16、17、18中。光与生物组织的交互作用提供了用于表征组织的高灵敏的工具，特别是其中二极管非常小(20nm3)以至于它可以被当作点源，且其中二极管能够“按要求”发射单个光子。
现在参考图4，显示用于自旋电子学领域中的本发明第四个实施例。自旋电子学是其中电子装置的特性取决于通过该装置的电子自旋传输的一种技术领域。在图4中，与图1相同的部分用相同参考标号表示。通过上述工艺形成在尖端元件4的端部的晶须40具有磁性材料(MnInAs、MnGaAs、MnAs)或半磁性材料的性质，包括Mn的稀释浓度。在外加电压V的作用下，自旋极化电子44从晶须的尖端发射，这使得与设置在基底48上的电触点46电接触。自旋极化电子44借助于隧道工艺被注入触点46，然后被用于所需功能，例如读出诸如设置在基底48上且借助于分别示意性显示为50L和50U的上部和下部导电体电连接的纳米柱49的磁存储元件的状态。
在第五个实施例中，如图5a所示，纳米晶须的规则阵列50形成在基底52上。只有一小部分实际阵列被显示在图5a中，且为了清晰，仅表示多个晶须的位置。每个晶须54具有20nm的直径且由单个铁磁畴组成的磁性材料(例如Fe、Co、Mn、MnAs、MnGaAs、MnInAs)形成，并可以处于如图5b中所示的向上自旋的状态或处于如图5c中所示的向下自旋的状态。根据本发明，当与纳米晶须结合时，因为减小了一维系统中几何对称对准的可能性磁畴直径可被减小，这使得材料的离子更难以具有多于一个的方位。晶须的材料能包括铁、钴、锰或其合金。
阵列50被布置为具有行和列56、58的方形矩阵。每一个纳米晶须直径为20nm，且在行和列方向与相邻纳米晶须间隔10nm的距离。通常，相邻纳米晶须的间距应该小于它们直径的两倍。这个值表示在纳迷晶须被尽可能紧密地堆积的要求与纳米晶须充分间隔以便它们可以被单独监测的要求之间的折中。替代矩形矩阵，纳米晶须可以被布置为任何预期的配置，诸如六角网格配置(密排六角)，或甚至线性布置。与图4中类似的悬臂尖端布置2、4、40被采用作为读取/写入头，其可在阵列上方移动以便在行和列方向X、Y扫描阵列。头移动通过传统SPM技术控制，用于直接选择性地在顶部定位成与每一纳米晶须对齐。
在读取或读出模式中，头2、4、40发射自旋极化电子的弱电流到相邻纳米晶须中。纳米晶须对电流流动的阻抗提供磁化方向的指示。
在写入模式中，从头发射的自旋极化电子的电流大小被极大地增加且当流过纳米晶须时足够迫使纳米晶须处入所需磁化方向。
至于形成纳米晶须阵列的工艺，在所需纳米晶须54的位置，通过NIL工艺金催化区域形成在基底52上。这显示在图6a-e中，这些图是一行位置的一部分的剖视图。在图6a中，基底52在其上表面上形成一层可变形的聚合物60。聚合物已通过刚性冲压(未显示)变形，以便在纳米晶须的预期位置62形成矩形凹部。聚合物然后被蚀刻，以便去除凹部位置62的聚合物，且一层金64被施加。结果显示在图6b中，其中金64在预期位置与基底接触，且在别处被设置在剩余聚合物60的顶部。最后，如图6c中所示，另一个蚀刻步骤去除其余的聚合物区域，留下在纳米晶须位置62的金制区域66。
基底然后被转移到外延生长反应室中，在此施加热量使得金制区域聚结成粒子12，如图6d所示。气体被引入到反应室中，纳米晶须54通过VLS工艺生长，如图6e所示。纳米线被精确地形成，且准确地位于所需位置。如果需要，如前面所描述的，后续蚀刻步骤可以去除在纳米线端部的金制粒子。
权利要求
1.一种用于扫描探针显微镜的纳米技术的结构，包括从支撑元件直立的尖端元件、和在尖端元件的自由端部生长且从尖端元件的自由端部凸出的纳米晶须。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，支撑元件包括具有预定尺寸和机械性能的可弯曲元件，直立的尖端元件位于或临近可弯曲元件的自由端部。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，可弯曲元件包括细长横梁。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括掺杂的大能带隙半导体材料，以在使用时提供流过其中的电子的窄能量分布。
5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括谐振隧道二极管结构，谐振隧道二极管结构包括一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
6.如权利要求1所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括发光二极管结构，发光二极管结构包括一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
7.如权利要求1所述的结构，其特征在于，沿纳米晶须的长度设置被插入到生物材料的同轴层材料。
8.如权利要求7所述的结构，其特征在于，纳米晶须由硅形成，且同轴层是二氧化硅。
9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，纳米晶须由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋极化电子流。
10.如权利要求9所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一种。
11.如权利要求9所述的结构，其特征在于，纳米晶须仅仅具有单个铁磁畴。
12.如权利要求2所述的结构，其特征在于，可弯曲元件由磁性材料形成。
13.一种纳米技术的结构，包括可弯曲的支撑元件，支撑元件具有在或临近支撑元件自由端部形成的直立尖端元件；以及生长在尖端元件自由端部的纳米晶须。
14.如权利要求13所述的结构，其特征在于，可弯曲支撑元件包括细长横梁。
15.如权利要求13所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括掺杂的大能带隙半导体材料，以在使用时提供流过其中的电子的窄能量分布。
16.如权利要求13所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括谐振隧道二极管结构，谐振隧道二极管结构包括一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
17.如权利要求13所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括发光二极管结构，发光二极管结构包括一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
18.如权利要求13所述的结构，其特征在于，沿纳米晶须的长度设置被插入到生物材料的同轴层材料。
19.如权利要求18所述的结构，其特征在于，纳米晶须由硅形成，且同轴层是二氧化硅。
20.如权利要求13所述的结构，其特征在于，纳米晶须由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋极化电子流。
21.如权利要求20所述的结构，其特征在于，纳米晶须包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一种。
22.如权利要求20所述的结构，其特征在于，纳米晶须仅仅具有单个铁磁畴。
23.如权利要求13所述的结构，其特征在于，可弯曲元件由磁性材料形成。
24.一种形成用于扫描探针显微镜的纳米技术的结构的方法，包括提供尖端元件；在尖端元件的自由端部设置催化材料块体；和在一定条件下加热块体并将块体暴露到预定类型的气体中，以便通过VLS工艺形成从尖端元件直立的纳米晶须。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，催化材料块体包括通过电解工艺设置在尖端元件自由端部的材料。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，催化材料块体包括通过在其上沉积浮质粒子设置在尖端元件自由端部的材料。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，纳米晶须由掺杂的大能带隙半导体材料形成，以在使用时提供流过其中的电子的窄能量分布。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，纳米晶须被形成为包括谐振隧道二极管结构，谐振隧道二极管结构具有一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，纳米晶须被形成为包括发光二极管结构，发光二极管结构具有一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，纳米晶须由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋极化电子流。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，纳米晶须包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一种。
32.如权利要求30所述的方法，其特征在于，纳米晶须仅仅具有单个铁磁畴。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于，尖端元件被安装在预定尺寸的可弯曲支撑元件上，且其中可弯曲支撑元件由磁性材料形成。
34.如权利要求24所述的方法，其特征在于，催化材料与纳米晶须是相同材料。
35.如权利要求24所述的方法，其特征在于，纳米晶须由可氧化材料形成，且该方法还包括暴露纳米晶须到氧化环境，以便沿纳米晶须的长度形成同轴氧化物层。
36.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括通过改变至少一个操作条件终止纳米晶须的生长，以在纳米晶须的端部提供与纳米晶须相邻部位材料不同的材料的区段；和选择性蚀刻该不同材料以便从纳米晶须去除该不同材料和催化材料。
37.一种形成纳米技术的结构的方法，包括在具有预定尺寸和机械性能的可弯曲支撑元件的自由端部或附近设置直立的尖端元件；在尖端元件的自由端部设置催化材料块体；和在一定条件下加热块体并将块体暴露到预定类型的气体，以便通过VLS工艺形成从尖端元件直立的纳米晶须。
38.如权利要求37的方法，其特征在于，支撑元件包括细长横梁。
39.如权利要求37的方法，其特征在于，催化材料块体包括通过电解工艺或通过浮质粒子的沉积设置在尖端元件自由端部的材料。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于，纳米晶须由掺杂的大能带隙半导体材料形成，以在使用时提供流过其中的电子的窄能量分布。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于，纳米晶须被形成为包括谐振隧道二极管结构，谐振隧道二极管结构具有一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
42.如权利要求37所述的方法，其特征在于，纳米晶须被形成为包括发光二极管结构，发光二极管结构具有一系列不同能带隙的半导体材料的区段。
43.如权利要求37所述的方法，其特征在于，纳米晶须由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋极化电子流。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，纳米晶须包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一种。
45.如权利要求43所述的方法，其特征在于，纳米晶须仅仅具有单个铁磁畴。
46.如权利要求43所述的方法，其特征在于，支撑元件由磁性材料形成。
47.如权利要求37所述的方法，其特征在于，催化材料与纳米晶须是相同材料。
48.如权利要求37所述的方法，其特征在于，纳米晶须由可氧化材料形成，且该方法还包括将纳米晶须暴露到氧化环境，以便沿纳米晶须的长度形成同轴氧化物层。
49.如权利要求37所述的方法，其特征在于，还包括通过改变至少一个操作条件终止纳米晶须的生长，以在纳米晶须的端部提供与纳米晶须相邻部位材料不同的材料的区段；和选择性蚀刻该不同材料以便从纳米晶须去除该不同材料和催化材料。
50.一种形成纳米晶须的工艺，包括提供催化材料块体，并在预定操作条件下将块体暴露到一种或多种气体，以便通过VLS工艺形成纳米晶须；通过改变至少一个操作条件终止纳米晶须的生长，以在纳米晶须的端部提供与纳米晶须相邻部位材料不同的材料的区段；和选择性蚀刻该不同材料以便从纳米晶须去除该不同材料和催化材料。
51.如权利要求50所述的工艺，其特征在于，纳米晶须的端部被蚀刻以产生尖锐圆形或尖头的端部。
52.一种由磁性材料形成的纳米晶须，其中，仅有单个铁磁畴存在于纳米晶须内，且纳米晶须的直径小于大约25nm。
53.一种数据存储介质，包括形成在基底上的纳米晶须，每一纳米晶须由磁性或半磁性材料形成；和读取/写入结构，可用于在两个磁化方向中的任一方向选择性激励每一纳米晶须、且检测每一纳米晶须的磁化方向。
54.如权利要求53所述的数据存储介质，其特征在于，每一纳米晶须仅仅具有单个铁磁畴。
55.如权利要求53所述的数据存储介质，其特征在于，每一纳米晶须具有不大于大约25nm的直径。
56.如权利要求53所述的数据存储介质，其特征在于，所述读取/写入结构包括至少一个头，其可在纳米晶须上方移动、且可选择性定位在每一纳米晶须上方以在其中注入自旋极化电子电流。
57.如权利要求56所述的数据存储介质，其特征在于，所述头是读取/写入头，其中在写入模式，所述头可操作以便注入足够强的自旋极化电子的电流到选定的纳米晶须中，以迫使纳米晶须处入所需磁化方向。
58.如权利要求56所述的数据存储介质，其特征在于，所述头包括纳米技术的结构，纳米技术的结构包括导体或半导体材料的尖端元件、以及从尖端元件的端部凸出并与其成整体的纳米晶须。
59.如权利要求58所述的数据存储介质，其特征在于，所述尖端元件被设置在可弯曲支撑元件上。
60.如权利要求59所述的数据存储介质，其特征在于，可弯曲支撑元件和纳米晶须中的一个包括能够提供自旋极化电子流的磁性或半磁性材料。
61.如权利要求53所述的数据存储介质，其特征在于，每一纳米晶须与其最临近的纳米晶须相间隔小于其两倍直径的距离。
62.一种数据存储介质，包括形成在基底上的一维纳米元件，每一纳米元件由磁性或半磁性材料形成，用于在第一和第二相反磁化方向中的任一方向选择性地磁化每一纳米元件、且检测每一纳米元件的磁化方向的读取/写入结构，读取/写入结构包括可在纳米元件上方移动、且可选择性定位在每一纳米元件上方以便在其中注入自旋极化电子电流的头，该头包括纳米技术的结构，纳米技术的结构包括导体或半导体材料的尖端元件、以及从尖端元件的端部凸出并与其成整体的纳米晶须。
63.一种形成数据存储介质的方法，包括在基底上预定位置形成催化材料块体；和在每一位置生长磁性或半磁性材料的纳米晶须，使得仅有单个铁磁畴存在于纳米晶须中。
64.如权利要求52所述的纳米晶须，其特征在于，具有不大于大约25nm的直径。
65.如权利要求52所述的纳米晶须，其特征在于，具有不大于大约10nm的直径。
66.如权利要求53所述的数据存储介质，其特征在于，每一纳米晶须具有不大于大约10nm的直径。
全文摘要
一种用于扫描探针显微镜的探针结构包括从直立的尖端元件(4、26)的自由端部凸出并与尖端元件整体形成的纳米晶须(16、34)。在另一个实施例中，数据存储介质包括纳米晶须(54)阵列，每一纳米晶须由磁性材料形成，纳米晶须的直径使得单个铁磁畴存在于纳米晶须内，优选具有不大于大约25nm的直径且更优选为不大于大约10nm；以及读取/写入结构，该结构包括用于注入自旋极化电子流到阵列的选定纳米晶须中的探针结构，该探针结构或者用于检测纳米晶须中的磁化方向或者用于迫使纳米晶须处入所需磁化方向。当探针纳米晶须使用催化粒子熔融物通过VLS工艺形成时，晶须可以形成一个牺牲区段，用于通过选择性蚀刻区段以去除催化材料。
文档编号G01N23/00GK1826662SQ200480020840
公开日2006年8月30日 申请日期2004年1月7日 优先权日2003年7月8日
发明者拉尔斯·伊瓦尔·萨穆埃尔松, 比约恩·约纳斯·奥尔松 申请人:库纳诺公司