纳米电极对中电极间距的精密调控方法与流程

本发明涉及纳米电极，尤其是涉及纳米电极对中电极间距的精密调控方法。

背景技术：

分子电子学研究的是分子水平上的电子学，其最终目标是用单个分子、超分子或分子簇代替传统的固体电子学元件，组装成逻辑电路，乃至完整的分子计算机。它的研究内容包括各种分子电子器件的合成、性能测试以及分子器件组装等。为了在实验上对单个金属原子/分子的电学性质进行测量，就必须将单个金属原子/分子与测量回路相连。成功构筑金属原子点接触结构或者分子结是测量单个金属原子/分子的电学性质的关键。现国际上普遍采用的方法包括扫描隧道显微镜裂结(stm-breakjunction，stm-bj)法和机械可控裂结(mechanicallycontrollablebreakjunction,mcbj)法，这两种方法都能够构筑金属原子点接触和单分子与测量电路的有效连接。与stm-bj法相比，mcbj法具有在短时间内快速构筑大量分子结的能力，该方法是通过压电陶瓷上下移动的机械力反复地将基底上的金属细丝拉开和愈合，当金属细丝被拉开成具有纳米间隔的电极对时，金属原子点接触结构或溶液中的分子就有机会搭载在两端金属电极对上，此时便能测到金属原子点接触或分子结的电学性质。mcbj法具有易操作，重复性高，成本低，易于测试单个金属原子/分子的电学性质等优点，成为了推动了分子电子学研究和发展的一种重要技术手段。

实现单个金属原子/分子电学性质测量的前提是需要让测试芯片的电极对形成与目标原子/分子长度相匹配的纳米间隔，我们称这种电极对为纳米电极对。考虑到微纳尺度下，由于电极对间距精确测量的实际难度以及微观环境下各种非稳定因素的存在，实现电极对之间纳米间距的精密控制仍然是一个难题。目前，无论是stm-bj法还是mcbj法，均采用的是不断开合金属电极对，从而概率性地在纳米电极间构筑非稳定连接的单个金属原子点接触/分子结，然后通过对其电学测量所得数据的统计分析来较准确地获得单个金属原子/分子的电学性质。但是，如果能精密调控纳米电极对的间距，就必然能使构筑的金属原子点接触或分子结相对更稳定、长时间地连接于宏观电路中，从而能更准确的测量到单个金属原子/分子的电学性质。因此研究精密调控纳米电极对间距的方案对于分子电子学的研究和发展来说都是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供纳米电极对中电极间距的精密调控方法。

本发明包括以下步骤：

1)利用非稳定连接的mcbj技术确定待测单原子/分子电导；

2)采用pid控制方案对纳米电极对间距实施稳定调控，实现电极对间单个金属原子点接触/分子结的稳定连接。

在步骤1)中，所述利用非稳定连接的mcbj技术确定待测单原子/分子电导的具体方法可为：首先，制备具有悬空切口金属线(notchedwire)结构的芯片，将芯片置于三点受力的机械可控裂结装置中，通过芯片中间底部的压电陶瓷上下移动的机械力，反复地将基底上的金属细丝拉开和愈合，当金属细丝被拉开时，形成原子级尖端的纳米电极对；当电极对处于适当的间距时，金属原子点接触或溶液中的目标分子会通过锚定基团与金属电极的相互作用，使电极与分子相连成结，构筑金属/分子/金属结(简称分子结)，实现分子与外界测量回路的相连，能测量目标金属原子或分子的电学性质；然后，通过对监测所得电学信号进行统计分析可得到较准确的原子/分子电导。

在步骤2)中，所述采用pid控制方案对纳米电极对间距实施稳定调控，实现电极对间单个金属原子点接触/分子结的稳定连接的具体方法可为：将目标原子/分子的电导作为设定值，以电极对间的实时电导信号作为反馈信号，利用pid控制算法对压电陶瓷进行调控，控制压电陶瓷上下移动，使电极对两端保持在一定的距离，保证所测量到的电导值稳定在目标原子/分子的电导值上；进行pid控制时，首先利用电导测量装置对mcbj电极对两端的实时电导信号g(t)进行测量，获得测量信号gm(t)，反馈至控制器，控制器实时计算该测量信号与第一步中获得的单原子点接触/分子结稳定连接时的电导值gr之差，得到控制误差信号e(t)然后根据如下增量pid控制公式确定输出信号u(t)；

u(t)＝u(t-1)+kp[e(t)-e(t-1)]+kie(t)+kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]

其中，kp,ki,kd分别为比例、积分和微分项系数，控制信号u(t)以电压形式输出，直接作用于mcbj系统中的压电陶瓷，控制压电陶瓷上下移动的方向与距离，以此实现对纳米电极对间距的调控。

在基于mcbj技术的单分子测试方法中，由于微观环境的影响，单个金属原子点接触/分子结稳定性低以及机械结构不稳等因素，使得在常温条件下，难以对纳米电极对的间距实施精确调控，从而造成单个金属原子点接触/分子结的有效接触时间仅在毫秒级，难以做到对其电学性质的精确测量。为了解决这个问题，本发明给出了一种适用于mcbj技术的纳米电极对间距的精密调控方案，有效提高了纳米电极对间单个金属原子点接触/分子结稳定连接的时间长度，为实现mcbj技术中对单个金属原子/分子各种性质的稳定测试提供了技术手段。

本发明的优点在于：在室温下，可以实现电极对间距精密调控的目的。该调控方案方便简单，易于理解，成本低，控制效果可重现性高。并且，在普通实验室的条件下就可以实施应用，普适性高。

附图说明

图1为本发明实施例的mcbj装置正视结构示意图。

图2为本发明实施例的mcbj装置俯视结构示意图。

图3为本发明实施例的mcbj装置仰视结构示意图。

图4为本发明实施例的notchedwire芯片上纳米电极对示意图。

图5为本发明实施例的控制方案结构框图。

具体实施方式

以下将以在mcbj装置上实行本发明为例，结合附图对本发明展开说明。

参见图1～5，本发明实施例包括底座1、聚四氟液体池2、芯片3、压电陶瓷4、步进电机5、夹具6、密封盖7、密封圈8和金属丝3-1。

所述底座1为一圆锥台型底座，所述压电陶瓷4通过ab胶粘附在步进电机5顶部并通过螺丝固定于底座1内部，压电陶瓷4从底座1中间孔伸出。所述夹具6通过螺丝固定在底座1上，所述芯片3固定在夹具6上，金属丝3-1通过鳄鱼夹与外部测量电路相连，所述聚四氟液体池2安装在芯片上方，目标分子溶液滴入聚四氟液体池2内，液体池内设有密封圈8，可避免漏液。

以下给出本发明的具体实施例和实施步骤。

第一步：制作构筑纳米电极对的金丝切口(notchedwire)芯片

采用长30mm、宽10mm、厚0.2mm的不锈钢片，用丙酮和乙醇次序超声清洗，再用砂纸打磨，以此增大不锈钢片的表面摩擦力，方便环氧树脂在其表面的附着。随后用超纯水反复清洗，放入烘箱烘干待用。称量3～4g的stycast2850ft型环氧树脂，再滴加质量比约为环氧树脂3.5％的henkelloctitecatalyst9催化剂，随后进行搅拌，搅拌时间约为10～15min。待环氧树脂与催化剂搅拌均匀后，将环氧树脂在洗净烘干的不锈钢片上，均匀地涂抹成两个圆面，使两个圆面以不锈钢片的中心线对称，并且，使两个圆面的边缘间距控制在1～2mm之间。然后，将一段直径为0.1mm，长30mm的金属丝水平放置于两个环氧树脂圆面的中央，下压金属丝，使两端的环氧树脂浸没金属丝，并使环氧树脂中央的金属丝保持悬空，切勿将金属丝压到底部与不锈钢片接触，否则在进行电学性能测试时会造成短路现象。最后，将芯片在室温下放置2h，等环氧树脂略微固化之后，再放至60℃的烘箱中，恒温烘烤12h，此时的芯片将完全固化，环氧树脂表面光滑并且呈现亮黑色。

第二步：切割金丝形成电极对切口

将制作好的芯片放置于光学显微镜下，用手术刀片对准两个环氧树脂圆圈间隙中的金属丝的中间点进行切割，首先将金属丝横切至一半的深度，再分别在金属丝的切口处两侧进行切割，最终使得金属丝相连部分仅剩20～30μm。

第三步：清洗芯片

将芯片放进干净的烧杯中，用超纯水冲洗2～3遍，然后再将芯片置于超纯水中煮沸10min，最后，将芯片放到105℃烘箱中烘干除水。

第四步：清洗反应液体池、密封圈和密封盖

将聚四氟液体池、密封圈和密封盖放到干净的烧杯中，加入双氧水︰浓硫酸＝1︰3的溶液，浸泡2h。随后，除去溶液，将聚四氟液体池、密封圈和密封盖，用大量的超纯水冲洗。再将聚四氟液体池、密封圈和密封盖用超纯水加热煮沸3次，其中每次煮沸时间约为10min。然后再用超纯水超声清洗3min。将超纯水倒掉，放入105℃烘箱烘干除水。

第五步：安装芯片、液池

将夹具安装至机械可控裂结装置中，再用干净的镊子将芯片放进夹具与装置的间隙，用螺丝将夹具夹紧以固定芯片。将带有密封圈的液体池放在芯片的正上方，芯片上未被环氧树脂覆盖的金属丝从液池上方的两端预留孔穿出，用螺丝固定好。分别用两个鳄鱼夹夹住穿出液池上方的金属丝，由此接入测量回路。

第六步：滴加目标分子溶液

吸取25μl的目标分子溶液加入液体池，使目标分子溶液浸没金属丝。盖上密封盖，防止杂质进入。

第七步：获取目标原子/分子电导设定值

安装完毕之后，启动步进电机上顶芯片，待金属丝发生断裂后，自动切换到压电陶瓷控制芯片弯曲。在压电陶瓷微小的上顶、下移过程中，金属原子点接触/分子结反复地形成和断裂。此过程利用外界测量回路采集大量的电学表征数据，将这些数据进行叠加统计，即可得出目标原子/分子的电导值。此时我们将得到的目标原子/分子的电导值作为此次控制参数的设定值。

第八步：调试pid控制参数，实现目标原子/分子的稳定连接

随后，进入电极对间距精密调控的过程，开始对pid控制器参数(比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd)进行调试。为了减少需要调试的参数，可以先采用pi型控制器(取kd＝0)。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如设置较小的比例系数kp，较小的积分系数ki，以避免出现系统不稳定或超调量过大的情况。如果超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本无法稳定，应减小比例系数kp、增大积分系数ki。如果被控量调整过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。如果消除误差的速度较慢，可以适当增大积分系数ki，增强积分作用。反复调节比例系数kp和积分系数ki，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分系数kd从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数，直到系统达到一个较为稳定的状态。pid参数的调试是一个综合的、各参数互相影响的过程，实际调试过程中的多次尝试是非常重要的，也是必须的。

第九步：数据采集

当所测到的电导实际值能够在一定时间内稳定于目标原子/分子的电导值时，证明电极对两端的距离可稳定在一个目标原子/分子的距离。此时可得到一组较优的pid控制参数，方可开始记录数据，每隔10min采集一组电学表征数据，以便后续分析。