專利名稱：一種具有spm探針功能的分子鑷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種具有SPM探針功能的分子鑷，適用于生物、醫(yī)學(xué)、材料、微電子工程和物理、化學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，尤其適用于原子、分子、納米顆粒和團(tuán)束的搬運(yùn)、移動(dòng)、切割、組裝，以及其特性測量，進(jìn)而制作納米生物、化學(xué)傳感器，納米量子電子器件和芯片、新型功能材料。
世界上的物質(zhì)千差萬別，其差別起源于原子的種類和空間排列不同。碳灰、石墨、金剛石都是由碳原子組成，如果把碳灰中的碳原子重新排列，碳灰可以變成石墨或金剛石。如果在分子水平對細(xì)胞、DNA等進(jìn)行加工，可以修復(fù)損壞的細(xì)胞等等。總之從最底層對單個(gè)原子、分子、納米顆粒和團(tuán)束進(jìn)行操縱、搬運(yùn)、移動(dòng)、組裝，是長期來人們一直夢寐以求的事情，也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閱蝹€(gè)原子實(shí)在太小，只有十分之幾個(gè)納米，一般大分子也不過幾個(gè)到幾十個(gè)納米。1982年IBM公司的Binnig發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)STM不僅具有原子分辨本領(lǐng)，而且可以對單原子、分子進(jìn)行移動(dòng)。1990年IBM公司研究室有史以來首次用36個(gè)氙原子在鎳(100)表面排列成了“IBM”三個(gè)字母。之后又用Fe原子排成一個(gè)環(huán)形量子圍欄、在Cu(100)臺階上撥動(dòng)C60分子構(gòu)成了分子算盤等。繼STM之后人們又相繼發(fā)明了原子力顯微鏡(AFM)、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)、磁力顯微鏡(MFM)等三十多種其他顯微鏡，這些顯微鏡都使用這樣或那樣形式的探針，因此現(xiàn)在統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。許多種類的SPM，如AFM，同STM一樣不僅具有超高分辨率，也具有單原子、分子操縱和納米加工能力。但用STM、AFM等SPM進(jìn)行單原子、分子操縱要受到一定的局限，即被操縱的單個(gè)原子、分子很難脫離表面，而是由于范得瓦耳力或靜電排斥力的作用，在探針的推動(dòng)或牽引下沿著表面移動(dòng)，這對在三維空間組裝納米結(jié)構(gòu)非常不利。1999年12月美國報(bào)道了一種分子鑷，它由裝在毛細(xì)玻璃管壁兩側(cè)的兩根納米碳管組成，通過電極給兩根納米碳管加電壓。不加電壓時(shí)，兩根納米碳管自然分開。當(dāng)施加一定電壓時(shí)，兩根納米碳管彎曲、合攏，可以夾起納米顆粒在三維空間自由搬運(yùn)。這是世界上迄今為止最小的鑷子。但要用這種鑷子夾任何納米顆粒，還必須另外有一套電鏡觀察系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)測調(diào)控，使鑷子對準(zhǔn)并夾住所需搬運(yùn)的納米物體，即鑷子本身不長“眼睛”。所需搬運(yùn)的納米物體越小，對電鏡分辨率要求越高。
本實(shí)用新型的目的是提供一種具有SPM探針功能的分子鑷，它不僅可以進(jìn)行SPM正常掃描成像，觀察表面的原子、分子、納米顆粒，而且可夾起感興趣的某個(gè)原子、分子、或納米顆粒，還可以測量所夾起的納米顆粒的特性。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用SPM探針，如STM探針，作分子鑷的一個(gè)腳。然后在該探針周圍制作一層絕緣層，再蒸鍍一層導(dǎo)電膜，把一根適當(dāng)長度和管徑的單壁或多壁納米碳管固定在導(dǎo)電膜上，作分子鑷的另一個(gè)腳。納米碳管和導(dǎo)電膜保持良好的電學(xué)接觸。通過導(dǎo)電膜在納米碳管和SPM探針間施加一個(gè)合適大小和極性的電壓，納米碳管在庫侖力的作用下彎曲，使分子鑷合攏或打開。在分子鑷處于打開狀態(tài)時(shí)，STM探針可進(jìn)行正常掃描成像，如果發(fā)現(xiàn)感興趣的某個(gè)原子、分子、或納米顆粒，可加電壓使分子鑷合攏，把它夾起來，在三維空間自由搬運(yùn)。對導(dǎo)電納米顆粒，分子鑷的兩個(gè)腳相當(dāng)于兩個(gè)電極，通過測量流過納米顆粒的電流可研究其特性。


圖1為具有SPM探針功能的分子鑷結(jié)構(gòu)示意圖，其中SPM探針3與納米碳管4分別構(gòu)成分子鑷的兩個(gè)腳，納米碳管4與導(dǎo)電膜1保持良好電接觸。導(dǎo)電膜1與SPM探針3分別相對于地加有電壓Va與Vb(如果SPM探針不導(dǎo)電可先蒸鍍一層導(dǎo)電膜)，改變Va與Vb的相對大小和極性，由于庫侖作用力，使納米碳管4彎曲離開或靠近SPM探針3，從而使分子鑷夾攏或打開。為了不至于影響SPM的正常掃描成像，絕緣層2不能覆蓋SPM針尖，它的厚度直接影響分子鑷兩個(gè)腳之間的間距。當(dāng)分子鑷處于打開狀態(tài)時(shí)，SPM探針可進(jìn)行正常掃描成像。對導(dǎo)電納米顆粒，通過測量流過納米顆粒的電流I可研究其特性。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果由于采用SPM探針作分子鑷的一個(gè)腳，因而具有SPM掃描成像功能，相當(dāng)于給鑷子裝上了“眼睛”。與現(xiàn)有的兩個(gè)腳都采用納米碳管的分子鑷相比，可以省掉另外一套電鏡觀察系統(tǒng)，從而降低了進(jìn)行納米顆粒三維搬運(yùn)時(shí)對儀器的苛刻要求，同時(shí)大大擴(kuò)展了分子鑷的使用環(huán)境范圍，因?yàn)槭÷噪婄R觀察系統(tǒng)意味著不需要真空，從而可在大氣乃至液體環(huán)境下進(jìn)行操作，這對生物、醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用尤為重要，因?yàn)樯?、醫(yī)學(xué)樣品只有在大氣和/或液體等自然環(huán)境下才能保持正常狀態(tài)，在真空環(huán)境下會(huì)干枯。同時(shí)在SPM探針側(cè)面附加一個(gè)納米碳管后，可夾起納米顆粒，在三維空間進(jìn)行自由搬運(yùn)，而不象單純的SPM探針只能沿著表面對納米顆粒進(jìn)行推、拉二維移動(dòng)。
權(quán)利要求1.一種具有SPM探針功能的分子鑷，其特征在于由納米碳管4、SPM探針3、絕緣層2和導(dǎo)電膜1組成，SPM探針3和納米碳管4分別構(gòu)成分子鑷的兩個(gè)腳，納米碳管4與導(dǎo)電膜1保持良好電接觸，如果SPM探針不導(dǎo)電需先蒸鍍一層導(dǎo)電膜，通過絕緣層2的厚度可調(diào)節(jié)分子鑷兩個(gè)腳之間的間距，但絕緣層2不能覆蓋SPM針尖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有SPM探針功能的分子鑷，其特征在于可加電壓使其處于打開狀態(tài)，進(jìn)行SPM探針正常掃描成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有SPM探針功能的分子鑷，其特征在于可通過測量流過納米顆粒的電流研究該顆粒的特性。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種具有SPM探針功能的分子鑷,它分別采用SPM探針3與納米碳管4構(gòu)成分子鑷的兩個(gè)腳。改變施加在SPM探針與納米碳管上的電壓的相對大小和極性,使納米碳管彎曲,從而合攏或打開分子鑷。該分子鑷不僅可以在大氣乃至液體等自然環(huán)境下進(jìn)行SPM探針正常掃描成像,而且可夾起感興趣的納米顆粒在三維空間自由搬運(yùn),還可測量導(dǎo)電納米顆粒的電學(xué)特性等,適用于生物、醫(yī)學(xué)、材料、微電子工程和物理、化學(xué)等研究領(lǐng)域,可以用于制作納米生物、化學(xué)傳感器,納米量子電子器件和芯片、新型功能材料等。
文檔編號B82B1/00GK2471763SQ0022947
公開日2002年1月16日 申請日期2000年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月21日
發(fā)明者李志揚(yáng), 劉武 申請人:華中師范大學(xué)