專利名稱：納米鑷子和納米機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可把持和放出納米級(jí)尺寸的物質(zhì)(以后稱納米物質(zhì))的納米鑷子，并涉及可移動(dòng)和堆積納米物質(zhì)以組裝納米尺寸部件、納米分子器件等的納米機(jī)械手。
為了可這樣地移動(dòng)和堆積納米物質(zhì)，需要開發(fā)可把持納米物質(zhì)并將其放出的納米鑷子。該納米鑷子的第1原型由Philip Kim和Charles M.Lieber發(fā)表在1999年12月10日發(fā)行的科學(xué)雜志上。

圖16-圖18示出該納米鑷子的制造工序圖。
圖16為進(jìn)行了錐形加工后的玻璃管80前端的側(cè)視圖，該前端直徑約為100nm，圖中未示出的后端直徑為1mm。圖17為納米鑷子的完成圖。在上述玻璃管80的周面通過絕緣部82形成2個(gè)金電極膜84a、84b。在該金電極膜上分別以凸設(shè)狀固定碳納米管86a、86b，完成納米鑷子88。
圖18為在納米鑷子外加電壓的示意圖。在金電極膜84a、84b上從觸點(diǎn)90a、90b引出導(dǎo)線92a、92b，連接到直流電源94的兩端。當(dāng)外加直流電源94時(shí)，碳納米管86a帶正極性電，碳納米管86b帶負(fù)極性電。由這些正負(fù)靜電引力使碳納米管86a、86b的前端朝內(nèi)方關(guān)閉，在其間夾持納米物質(zhì)96。
當(dāng)增大電壓時(shí)，碳納米管進(jìn)一步關(guān)閉，所以，可夾持更小的納米物質(zhì)。當(dāng)電壓為零時(shí)，靜電引力消失，由碳納米管86a、86b的彈性恢復(fù)力恢復(fù)到圖13的狀態(tài)，放出納米物質(zhì)96。通過這樣控制電壓的大小即可進(jìn)行納米鑷子88的開閉控制，作為納米鑷子是劃時(shí)代的。
然而，該納米鑷子88具有以下那樣的缺點(diǎn)。第1缺點(diǎn)在于，由于將玻璃管80形成為錐狀，將其前端微細(xì)加工到100nm，所以，強(qiáng)度弱而且脆。
第2缺點(diǎn)在于，沿玻璃管80的全長(zhǎng)形成金電極膜84a、84b，在玻璃管直徑變大的后端部設(shè)置觸點(diǎn)90a、90b，通過導(dǎo)線92a、92b連接到直流電源94。即，由于導(dǎo)線太粗，所以，不得不在玻璃管的擴(kuò)徑后的后端部設(shè)置電觸點(diǎn)。為此，難以將金電極膜形成于玻璃管全長(zhǎng)并且效率差。
第3缺點(diǎn)由靜電鑷子引起。即，靜電鑷子在碳納米管積蓄正負(fù)電，由這些靜電引力對(duì)碳納米管進(jìn)行開閉控制。在納米物質(zhì)96為電絕緣體和半導(dǎo)體的場(chǎng)合可利用靜電引力，但在納米物質(zhì)為導(dǎo)電體的場(chǎng)合，碳納米管的兩端電短路，不作用靜電引力。另外，短路時(shí)，還存在電破壞納米物質(zhì)的危險(xiǎn)性。因此，存在納米鑷子的使用限制于半導(dǎo)體納米物質(zhì)和絕緣性納米物質(zhì)、并且使用時(shí)必須時(shí)常極其注意的弱點(diǎn)。
第4缺點(diǎn)在于由2根碳納米管構(gòu)成。即，分子具有各種形狀，存在不能由2根納米管確實(shí)地把持的納米物質(zhì)。例如，如為扁平的納米物質(zhì)，則可由2根碳納米管86a、86b把持，但球狀納米物質(zhì)和桿狀納米物質(zhì)在由2根納米管把持的情況下存在不穩(wěn)定而脫落的危險(xiǎn)性。
發(fā)明目的因此，本發(fā)明的第1目的在于提供一種強(qiáng)度高、加工較易進(jìn)行的納米鑷子。
另外，本發(fā)明的第2目的在于提供一種不使用靜電方式、可把持導(dǎo)電性、半導(dǎo)體、絕緣性的所有納米物質(zhì)的納米鑷子。
另外，本發(fā)明的第3目的在于提供一種可確實(shí)地把持著球狀納米物質(zhì)和桿狀納米物質(zhì)等各種形狀的納米物質(zhì)進(jìn)行輸送控制的納米鑷子。
另外，實(shí)現(xiàn)可利用這些納米鑷子組裝納米構(gòu)造物的納米機(jī)械手。
權(quán)利要求2的發(fā)明的納米鑷子的特征在于由凸設(shè)于懸臂的棱錐部、在該棱錐部上固定地凸設(shè)基端部的多個(gè)納米管、及連接于其中2根納米管的導(dǎo)線構(gòu)成，通過在該導(dǎo)線間外加電壓，可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉。
權(quán)利要求3的發(fā)明的納米鑷子的特征在于由在支架上固定地凸設(shè)基端部的多個(gè)納米管和形成于其中至少1根納米管表面的壓電膜構(gòu)成，通過在該壓電膜外加電壓，使壓電膜伸縮，可使上述納米管的前端間自由開閉。
權(quán)利要求4的發(fā)明的納米鑷子的特征在于上述支架為懸臂的棱錐部。
權(quán)利要求5的發(fā)明的納米鑷子的特征在于由構(gòu)成懸臂的棱錐部的可變形的多個(gè)棱錐片、固定于該棱錐片前端的納米管、及形成于至少1個(gè)棱錐片的側(cè)面上的壓電膜構(gòu)成，通過對(duì)該壓電膜外加電壓，使壓電膜伸縮，可使棱錐片自由撓曲地開閉納米管的前端間。
權(quán)利要求6的發(fā)明的靜電納米鑷子的特征在于由在支架上固定地凸設(shè)基端部的3個(gè)以上的導(dǎo)電性納米管和分別連接于其中至少3根以上導(dǎo)電性納米管的導(dǎo)線電極構(gòu)成，通過對(duì)這些導(dǎo)線電極間外加電壓，可由靜電力使上述導(dǎo)電性納米管的前端間自由開閉。
權(quán)利要求7的發(fā)明的靜電納米鑷子的特征在于由在支架上凸設(shè)的凸出部、在該凸出部上固定地凸設(shè)基端部的3個(gè)以上的導(dǎo)電性納米管、及分別連接于其中至少3根以上導(dǎo)電性納米管的導(dǎo)線電極構(gòu)成，通過在這些導(dǎo)線電極間外加電壓，可由靜電力使上述導(dǎo)電性納米管的前端間自由開閉。
權(quán)利要求8的發(fā)明的納米機(jī)械手的特征在于由權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、或7所述的納米鑷子和相對(duì)試樣朝XYZ方向?qū)υ摷{米鑷子進(jìn)行移動(dòng)控制的3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，進(jìn)行由納米鑷子將納米物質(zhì)輸送到試樣的控制。
權(quán)利要求9的發(fā)明的納米機(jī)械手裝置使用構(gòu)成納米鑷子的至少1根納米管作為掃描型探針顯微鏡的探針。
本發(fā)明人為了開發(fā)具有耐久性的納米鑷子進(jìn)行了認(rèn)真的研究，結(jié)果成功地改良了利用上述納米管的靜電引力方式的納米鑷子，并成功地開發(fā)出了更高性能的壓電膜方式的納米鑷子。
首先，現(xiàn)有靜電引力方式的納米鑷子的弱點(diǎn)在于，在把持的納米物質(zhì)為導(dǎo)電性的場(chǎng)合，可能在納米管間產(chǎn)生電短路而喪失鑷子功能，有出現(xiàn)破斷的危險(xiǎn)。為了改善該缺點(diǎn)，提出了這樣一種納米鑷子，該鑷子在納米管表面形成由絕緣物質(zhì)構(gòu)成的涂覆被膜，可防止接觸時(shí)的短路。若將該涂覆被膜不僅形成于納米管上，而且形成到其它配線部分，則可提高納米鑷子全體的絕緣性。該絕緣處理可適用于所有構(gòu)造的靜電方式的納米鑷子。
現(xiàn)有的第2弱點(diǎn)在于，由于在前端變細(xì)的玻璃管固定納米管，所以，強(qiáng)度弱而且脆。為了改善該缺點(diǎn)，提出了這樣的方案，即，利用AFM(原子間力顯微鏡)用懸臂的棱錐部作為納米管的支架。該棱錐部由于通過硅或氮化硅制成，所以，具有電絕緣性，而且強(qiáng)度與現(xiàn)有玻璃管相比大幅度提高。
下面利用懸臂綜合說明上述2個(gè)發(fā)明。在棱錐部的頂點(diǎn)近旁固定2個(gè)納米管的基端部，使前端部凸出。該固定方法具有2種。第1種方法是在電子顯微鏡內(nèi)由電子束照射基端部近旁。由該照射，覆蓋基端部地將碳膜和CVD膜形成為涂覆被膜。該涂覆被膜推壓基端部牢固地固定納米管。第2個(gè)方法是直接用電子束照射基端部，將基端部熔化接合到棱錐部表面。由該熔化接合部固定納米管。
然后，在納米管的基端部布設(shè)導(dǎo)線。在本發(fā)明中，導(dǎo)線使用納米管或由CVD(化學(xué)氣相沉積法)形成的金屬配線等。例如，納米管為強(qiáng)度大而且柔軟性極高的材料，具有各種粗細(xì)和長(zhǎng)度，所以，最適合作為納米尺寸的導(dǎo)線。另外，也可由CVD法將金屬原子微小地形成配線狀。
將納米管導(dǎo)線的一端接觸在上述基端部，對(duì)該觸點(diǎn)照射電子束，以點(diǎn)焊的形式一體固定于棱錐部。納米管導(dǎo)線的另一端也可連接到另一納米管導(dǎo)線，也可連接到形成于懸臂的電極膜。另外，CVD導(dǎo)線也可在固定于基端部和棱錐部表面的狀態(tài)下形成。
形成這些導(dǎo)線后，可在納米管表面、納米管的基端部區(qū)域、導(dǎo)線全體形成由絕緣材料構(gòu)成的涂覆被膜。通過在納米管表面形成被膜，可防止靜電方式的短路。同時(shí)，通過配線全體的被膜形成，可保護(hù)納米鑷子全體不受短路等影響。另外，在生物體液等電解質(zhì)溶液中操作納米鑷子也不會(huì)漏電。涂覆被膜的形成可利用電子束照射法和CVD法。
由于懸臂較大，所以，懸臂的電極膜與外部電源電路的連線可在光學(xué)顯微鏡或光學(xué)放大鏡下進(jìn)行。外部電源電路由電源、電壓控制電路、及電開關(guān)構(gòu)成。如由電壓控制回路自由調(diào)整外加電壓，則可任意調(diào)整納米鑷子前端間的開度，相應(yīng)于納米物質(zhì)的尺寸對(duì)納米鑷子進(jìn)行開閉控制。
另外，開發(fā)出了與靜電引力方式完全不同的壓電膜方式的納米鑷子。該壓電膜方式由壓電膜的伸縮使納米管可自由撓曲，由此使納米管前端間開閉。這樣，由于在納米管間沒有電流流過，所以，不論納米物質(zhì)的電物性如何，也可使納米鑷子起作用。
在該壓電膜方式中，作為納米管的支架，不限于AFM或STM(隧道顯微鏡)，可使用在寬范圍的SPM(掃描型測(cè)試顯微鏡)中使用的探針。SPM的探針與納米管相比尺寸大得多，對(duì)于固定2個(gè)納米管具有足夠的大小。最為有效的支架為上述AFM用懸臂的棱錐部。下面以該懸臂進(jìn)行說明。
首先，將2根納米管的基端部固定于懸臂的棱錐部。此時(shí)，2根納米管的前端部相互接觸。即，在前端接觸的狀態(tài)下進(jìn)行固定。在固定方法中，具有上述涂覆被膜法與熔化接合法。使用哪一種固定方法都可以。
然后，在2根納米管中的任1根的表面形成壓電膜。壓電膜也稱為壓電元件。具有在加電壓時(shí)收縮的性質(zhì)。當(dāng)改變電壓時(shí)，收縮量也變化。當(dāng)壓電膜收縮時(shí)，使它所固定的納米管打開地?fù)锨?。因此，最初納米管前端關(guān)閉，但加電壓后前端打開，在該打開狀態(tài)下把持納米物質(zhì)。另外，當(dāng)增大電壓使開度變大時(shí)，放出納米物質(zhì)。在納米物質(zhì)由分子間力的作用而不從納米管脫離時(shí)，也可在試樣與納米鑷子加電壓，進(jìn)行電放出。
可在壓電膜的兩端連接納米管導(dǎo)線的一端，將另一端連接到另外的納米管導(dǎo)線，也可如上述那樣連接到懸臂的電極膜。當(dāng)然，也可利用CVD導(dǎo)線。然后，從該電極膜連接到外部電源電路。外部電源電路由電源、電壓控制電路、及電開關(guān)構(gòu)成，其作用如上所述。
也可在2根納米管形成壓電膜。在該場(chǎng)合，由于可通過外加電壓使2根納米管撓曲，所以，可將納米管前端開度設(shè)置得更大，使納米鑷子高性能化。
可考慮不在納米管表面形成壓電膜，而是形成在棱錐部表面的場(chǎng)合。例如由聚焦離子束裝置刻入棱錐部，隔著刻入部分割成2個(gè)棱錐片。各棱錐片具有撓性地調(diào)整厚度。在1個(gè)棱錐片凸設(shè)1根納米管，使前端接觸地凸設(shè)共2個(gè)納米管。在一方或兩方的棱錐片的側(cè)面形成壓電膜，與上述同樣地在壓電膜的兩端加電壓，使壓電膜收縮。由該收縮使棱錐片撓曲，打開納米管前端。然后，通過把持、放出納米物質(zhì)作為納米鑷子使用。
作為第3發(fā)明，不論為靜電引力方式還是為壓電膜方式，用于納米鑷子的納米管都可由2根以上構(gòu)成。例如，當(dāng)使用3根納米管時(shí)，由該3根把持納米物質(zhì)。
在3根納米管方式中，可開閉3根，也可由靜電引力方式對(duì)3根中的2根進(jìn)行開閉控制。另外，也可在2根形成壓電膜，對(duì)2根進(jìn)行開閉控制。在對(duì)3根中的2根進(jìn)行開閉控制的場(chǎng)合，余下的1根作為輔助納米管使用。在3根納米管方式中，由于用3根把持納米物質(zhì)，所以，可使球狀、桿狀等多種形狀的納米物質(zhì)的把持可靠化。特別是在3根靜電方式中，2根為相同極性，1根為不同極性，這樣，3根由靜電引力拉在一起，所以，可確實(shí)地把持異形納米物質(zhì)。
在壓電膜方式中，由于用導(dǎo)線外加電壓，所以，當(dāng)由絕緣物質(zhì)對(duì)壓電膜的表面和導(dǎo)線進(jìn)行涂覆時(shí)，短路的危險(xiǎn)性消失。因此，在電解質(zhì)溶液內(nèi)也可進(jìn)行納米鑷子操作。
作為本發(fā)明的納米管，不僅可利用導(dǎo)電性的碳納米管，而且也可利用絕緣性的BCN系納米管和BN系納米管等一般的納米管。碳納米管也簡(jiǎn)稱為CNT，利用碳棒的電弧放電制造。BCN系納米管通過將CNT的C原子的一部分置換成B原子和N原子而獲得。BN系納米管是將幾乎的C原子置換為B原子和N原子。作為置換方法開發(fā)了各種方法。在導(dǎo)電性納米管中，包含碳納米管和在周圍形成導(dǎo)電性被膜的絕緣性納米管。
圖2為本發(fā)明納米鑷子的第1實(shí)施形式的示意正視圖。
圖3為將第一實(shí)施例的納米鑷子與試樣相向配置的示意透視圖。
圖4為把持納米物質(zhì)的第1實(shí)施形式的納米鑷子的示意正視圖。
圖5為本發(fā)明的納米機(jī)械手裝置的示意構(gòu)成圖。
圖6為本發(fā)明納米鑷子的第2實(shí)施形式的示意正視圖。
圖7為與試樣相向地配置第2實(shí)施形式的納米鑷子的示意透視圖。
圖8為把持著納米物質(zhì)的第2實(shí)施形式的納米鑷子的示意正視圖。
圖9為具有棱錐部的懸臂4要部透視圖。
圖10為本發(fā)明納米鑷子的第3實(shí)施形式的示意正視圖。
圖11為把持著納米物質(zhì)的第3實(shí)施形式的納米鑷子的示意正視圖。
圖12為本發(fā)明的納米鑷子(靜電納米鑷子)的第4實(shí)施形式的示意透視圖。
圖13為把持著球狀納米物質(zhì)的第4實(shí)施形式的作用說明圖。
圖14為把持著桿狀納米物質(zhì)的第4實(shí)施形式的作用說明圖。
圖15為使用第4實(shí)施形式的靜電鑷子的機(jī)械手裝置的作動(dòng)說明圖。
圖16為現(xiàn)有的進(jìn)行了錐形加工后的玻璃管前端的側(cè)面圖。
圖17為現(xiàn)有納米鑷子的示意說明圖。
圖18為在現(xiàn)有納米鑷子加電壓的示意圖。
2根納米管8、9接近試樣14地進(jìn)行配置，在該試樣14的表面配置各種多個(gè)納米物質(zhì)16。納米管8從納米管9朝下方長(zhǎng)長(zhǎng)地凸起設(shè)置。因此，納米管8也可用作AFM用的探針。首先，由3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)17使該納米管8作為AFM探針進(jìn)行掃描，確認(rèn)應(yīng)把持的納米物質(zhì)16的位置和形狀。
納米管8、9通過加上電壓進(jìn)行開閉控制，根據(jù)電壓的大小使開度可變。因此，打開納米管8、9把持由AFM作出了判斷的納米物質(zhì)16，在該狀態(tài)下由3維驅(qū)動(dòng)裝置D沿箭頭方向移動(dòng)到納米回路部18，進(jìn)一步打開納米管8、9，放出納米物質(zhì)16。在納米物質(zhì)因范德瓦斯力的作用而不從納米管脫離的場(chǎng)合，也可在納米鑷子與納米電路間加上電壓，由靜電引力放出納米物質(zhì)。通過將納米物質(zhì)16放出到納米回路部18的適當(dāng)位置，可將納米電路18組裝成所希望的構(gòu)造。
圖2-圖4示出本發(fā)明的納米鑷子的第1實(shí)施形式。圖2為納米鑷子2的示意正視圖。在棱錐部6的前端固定基端部8b、9b地配置細(xì)長(zhǎng)的納米管8和短粗的納米管9。納米管的前端部8a從前端部9a朝下方長(zhǎng)長(zhǎng)地凸起設(shè)置，前端部8a可用作AFM用探針地進(jìn)行設(shè)定。
上述基端部8b、9b通過電子束對(duì)周邊的照射由涂覆被膜11、11覆蓋固定。另外，在基端部8b、9b的上端將納米管作為導(dǎo)線10、10連線，該導(dǎo)線10、10的另一端連接到圖12的電極12、12。最后，在納米導(dǎo)線10、10的表面也形成涂覆被膜11、11，將這些導(dǎo)線固定到棱錐部6。涂覆被膜11由剖面線表示。
圖3為將納米鑷子2與試樣14相向配置的示意透視圖。試樣14表面上的凹凸表示表面原子。納米管8的前端部8a由于從納米管9的前端部9a朝下方凸出，所以，可將前端部8a作為AFM探針檢測(cè)表面原子的凹凸構(gòu)造。例如，可檢測(cè)出置于試樣14上的納米物質(zhì)的位置和形狀。
圖4為把持納米物質(zhì)16的納米鑷子2的示意正面圖。從導(dǎo)線10、10在納米管8、9加直流電壓。在前端部8a、9a積蓄正負(fù)電荷，由該正負(fù)電荷的靜電引力使前端部8a、9a以與所加電壓相應(yīng)的開度關(guān)閉，在其間把持納米物質(zhì)16。納米物質(zhì)16為在圖3中由AFM探測(cè)的納米物質(zhì)。
圖5為本發(fā)明的納米機(jī)械手裝置的示意構(gòu)成圖。如上述那樣，納米鑷子2由懸臂4、基底5、棱錐部6、及納米管8、9構(gòu)成。試樣14由3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)17沿3維方向驅(qū)動(dòng)，該3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)17由壓電元件構(gòu)成。即，驅(qū)動(dòng)試樣側(cè)，在試樣14的表面上沿XYZ方向驅(qū)動(dòng)納米管8、9。當(dāng)然，也可直接對(duì)納米鑷子2進(jìn)行3維驅(qū)動(dòng)?？上鄬?duì)地對(duì)納米鑷子2和試樣14進(jìn)行3維驅(qū)動(dòng)很重要。
符號(hào)20為半導(dǎo)體激光裝置，符號(hào)22為反射鏡，符號(hào)24為雙瓣光檢測(cè)器，符號(hào)26為Z軸檢測(cè)電路，符號(hào)28為顯示裝置，符號(hào)30為XYZ掃描回路。
使納米管8、9沿Z軸方向接近試樣14直到到達(dá)規(guī)定的斥力位置，把持所需納米物質(zhì)16。之后，由XYZ掃描電路30使3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)17掃描，將納米管8、9移動(dòng)到規(guī)定位置。在該移動(dòng)過程中，需要將納米管8、9與試樣表面離開的位置保持一定，所以，需要使納米管受到的斥力時(shí)常為一定地沿Z軸方向?qū){米管進(jìn)行位置控制。為此，由懸臂4使激光束LB反射，通過反射鏡22導(dǎo)入至雙瓣光檢測(cè)器24，一邊檢測(cè)朝向上下檢測(cè)器24a、24b的偏向，一邊進(jìn)行Z軸控制。
由Z軸檢測(cè)回路26檢測(cè)出Z位置，由XYZ掃描回路30檢測(cè)XY位置，將這些位置信息顯示到顯示裝置28。即，在該顯示裝置28顯示試樣表面的凹凸圖象。將納米管8、9移動(dòng)到規(guī)定位置，然后，打開納米管8、9，將把持的納米物質(zhì)16放出到試樣表面。反復(fù)進(jìn)行該操作，在規(guī)定場(chǎng)所組裝多個(gè)納米物質(zhì)，例如構(gòu)成納米回路18。如對(duì)納米管8進(jìn)行AFM操作，也可將納米回路18的全體形狀攝到顯示裝置28。因此，本發(fā)明的納米機(jī)械手裝置為可自由構(gòu)成納米世界的納米機(jī)器人。該納米機(jī)械手裝置可在包括真空、大氣的多種氣氛中使用，另外，可在電子顯微鏡等裝置內(nèi)如機(jī)器人的手那樣進(jìn)行操作。第2實(shí)施形式(2根式壓電膜納米鑷子)圖6-圖8示出本發(fā)明的納米鑷子的第2實(shí)施形式。圖6為該納米鑷子2的示意正視圖。納米管8、9的前端部8a、9a在其前端接觸地由涂覆被膜11、11將基端部8b、9b固定于棱錐部6。在納米管9的前端部9a的表面上形成壓電膜32，在其上端32a和下端32b連接納米管導(dǎo)線10a、10b。納米管導(dǎo)線10a、10b由點(diǎn)狀的涂覆膜13、13將其中間點(diǎn)固定到棱錐部6。
圖7為與試樣14相向地配置納米鑷子2的示意透視圖。納米管導(dǎo)線10a、10b的另一端10c、10d固定在懸臂4的電極12、12上。在電極12、12連接電開關(guān)SW、電源P、電壓控制回路VC。壓電膜32通過在兩端加電壓而收縮，收縮量隨所加電壓而增加。
首先，在關(guān)閉納米管前端的狀態(tài)下對(duì)試樣14的表面進(jìn)行AFM操作，檢測(cè)應(yīng)把持的納米物質(zhì)的位置和形狀。
圖8為把持納米物質(zhì)16的納米鑷子2的示意正視圖。當(dāng)接通電開關(guān)SW從而在壓電膜32加電壓時(shí)，隨著壓電膜32的收縮，納米管9撓曲，納米管8、9之間打開，把持成為對(duì)象的納米物質(zhì)16。納米電路18的組裝與圖1同樣，省略說明。
在絕緣覆蓋納米鑷子的壓電膜的場(chǎng)合，即使加電壓，也不短路，如對(duì)導(dǎo)線也進(jìn)行絕緣被覆，則在電解質(zhì)溶液中也可進(jìn)行納米鑷子操作。第3實(shí)施形式(2根式棱錐片壓電膜納米鑷子)圖9-圖11示出本發(fā)明的納米鑷子的第3實(shí)施形式。圖9為具有棱錐部6的懸臂4的要部透視圖。該懸臂4一般用于AFM測(cè)定，棱錐部6形成為一塊。該棱錐部6例如由聚焦離子束裝置刻設(shè)2等分成2個(gè)棱錐片6a、6b，可撓曲地形成這些棱錐片6a、6b。
圖10為該納米鑷子2的示意正視圖。棱錐片6a、6b隔開間隙6c從根部6d可撓曲地相對(duì)。納米管8、9的前端部8a、9a以其前端接觸地由涂覆被膜11、11將基端部8b、9b分別固定于棱錐片6a、6b。在棱錐片6a的側(cè)面形成壓電膜32，在其上端32a和下端32b連接納米管導(dǎo)線10a、10b。這些納米管導(dǎo)線10a、10b通過懸臂4的電極12、12連接到與第2實(shí)施形式同樣的電源回路。
首先，在關(guān)閉納米管前端的狀態(tài)下對(duì)試樣14的表面進(jìn)行AFM操作，檢測(cè)應(yīng)把持的納米物質(zhì)的位置和形狀。
圖11為把持納米物質(zhì)16的納米鑷子2的示意正視圖。當(dāng)接通電開關(guān)SW從而在壓電膜32加電壓時(shí)，隨著壓電膜32的收縮，棱錐片6a撓曲，納米管的前端部8a、9a間打開，把持檢測(cè)到的納米物質(zhì)16。使用納米機(jī)械手裝置的納米回路18的組裝與圖1同樣，省略說明。
在上述實(shí)施形式中，納米管和棱錐片為2根構(gòu)成，但也可為這以上的多根構(gòu)成。另外，也可不將壓電膜僅形成1個(gè)納米管或棱錐片，而是形成相對(duì)的2個(gè)。
在懸臂部104的上平面和側(cè)面形成所需寬度的3個(gè)電極膜112、113、114，這些電極膜的終端延伸形成到凸出部106的上述前端面106a和側(cè)面106b、106c。在這些前端面106a和側(cè)面106b、106c分別由涂覆膜116、117、118的覆蓋固定導(dǎo)電性納米管108、109、110的基端部108b、109b、110b。
通過該固定，導(dǎo)電性納米管108、109、110分別以電導(dǎo)通狀態(tài)設(shè)定于電極膜112、113、114。導(dǎo)電性納米管108、109、110的前端部108a、109a、110a突出到凸出部106的凸出端106e的下方，這些前端部108a、109a、110a構(gòu)成納米管把持部111，成為可把持和放出作為材料的納米物質(zhì)的作業(yè)爪。這樣，在懸臂102上形成納米管把持部111，構(gòu)成本發(fā)明的靜電納米鑷子120。
該實(shí)施形式的電表納米鑷子的特征在于由3個(gè)以上的納米管構(gòu)成納米管把持部111。在該實(shí)施形式中，納米管為3根，由該3根爪可包入地把持納米物質(zhì)進(jìn)行把持。即，由2根納米管只能進(jìn)行不穩(wěn)定的把持，而通過形成為3根，則可穩(wěn)定確實(shí)地把持任意形狀的納米物質(zhì)。特別是可可靠地把持球狀納米物質(zhì)和桿狀納米物質(zhì)。
在該靜電納米鑷子120的電極膜112、113、114的后端部通過觸點(diǎn)112a、113a、114a連接控制回路121。該控制回路121由可變直流電源122、地線124、及開關(guān)126構(gòu)成，上述觸點(diǎn)113a、114a連接到地線側(cè)，觸點(diǎn)112a連接到高電位側(cè)。因此，電極膜112為正極，電極膜113、114作為負(fù)極起作用。
如上述那樣，納米管具有導(dǎo)電性碳納米管、絕緣性的BN系納米管(氮化硼)、或BCN系納米管(碳化硼)等。用于該實(shí)施形式的導(dǎo)電性納米管只要為具有導(dǎo)電性的納米管則可，所以，可使用由導(dǎo)電性納米管或?qū)щ姴牧细采w表面的絕緣性納米管。覆蓋用導(dǎo)電材料主要使用金屬材料較合適。
下面以碳納米管為例說明導(dǎo)電性納米管。碳納米管的直徑為1nm-數(shù)十nm，長(zhǎng)度在納米級(jí)到微米級(jí)分布，其縱橫尺寸比(長(zhǎng)度/直徑)達(dá)到1000以上。另外，碳納米管具有高度的柔軟性和強(qiáng)韌性，所以，適合作為開閉其前端以把持和放出納米物質(zhì)的材料。
在上述實(shí)施形式中使用的懸臂102借用在原子間力顯微鏡(AFM)中使用的懸臂探針。該懸臂探針以硅和氮化硅作為其材料，使用半導(dǎo)體平整機(jī)(プラナ一)技術(shù)加工形成。因此，與現(xiàn)有玻璃制品相比，強(qiáng)度高，耐久性優(yōu)良。但是，在該實(shí)施形式中，不對(duì)凸出部106的凸出端106e進(jìn)行尖銳加工，形成為平時(shí)面。即，不將凸出部106用作探針，而是用作導(dǎo)電性納米管的固定用支架。
為了形成涂覆膜116、117、118，在電子顯微鏡內(nèi)由電子束分解有機(jī)氣體，將其分解堆積物用作涂覆膜。在有機(jī)氣體為烴類氣體的場(chǎng)合，涂覆膜為碳膜，在有機(jī)氣體為金屬有機(jī)氣體的場(chǎng)合，涂覆膜為金屬膜。金屬膜的場(chǎng)合下，導(dǎo)電性納米管108、109、110與電極膜112、113、114的導(dǎo)通性更可靠。
作為將納米管基端部固定于凸出部的另一方法，也可一體地由電子束照射或通電加熱熔接納米管基端部，與凸出部一體地固定。如并用涂覆被膜和熔接，則可強(qiáng)有力地固定納米管，防止納米管的脫落，提高靜電納米鑷子的耐久性。
圖13為把持球狀納米物質(zhì)的上述實(shí)施形式的作用說明圖。首先，將導(dǎo)電性納米管108的長(zhǎng)度設(shè)定得比其它導(dǎo)電性納米管109、110稍長(zhǎng)，使前端部108a比其它前端部109a、110a更朝下方凸出地配置。將該導(dǎo)電性納米管108的前端部108a用作探針，由AFM掃描檢測(cè)確認(rèn)試樣面上的球狀納米物質(zhì)128的場(chǎng)所和位置。
然后，將球狀納米物質(zhì)128內(nèi)包于3根前端部108a、109a、110a的中心部地使納米管把持部111朝下移動(dòng)，接觸試樣面。在該狀態(tài)下接通開關(guān)126時(shí)，通過電極膜112、113、114對(duì)導(dǎo)電性納米管108、109、110的前端部108a、109a、110a加上電壓。即，前端部108a為正極，前端部109a、110a為陰極。在正極積蓄正電荷，在負(fù)極積蓄負(fù)電荷，所以，兩電極在靜電引力的作用下朝內(nèi)方撓曲，納米管把持部111把持球狀納米物質(zhì)128并關(guān)閉。當(dāng)斷開開關(guān)126時(shí)，靜電引力消失，由納米管的彈性恢復(fù)力將納米管把持部111打開，放出球狀納米物質(zhì)128。
圖14為把持著桿狀納米物質(zhì)的上述實(shí)施形式的作用說明圖。首先，將導(dǎo)電性納米管108的前端部108a用作探針，由AFM操作對(duì)試樣面上的桿狀納米物質(zhì)130的場(chǎng)所和位置進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)。
然后，將桿狀納米物質(zhì)130配置到3根的前端部108a、109a、110a間地使納米管把持部111朝下移動(dòng)，接觸于試樣面。在該狀態(tài)下，接通開關(guān)126，由靜電引力關(guān)閉前端部108a、109a、110a，則從前后把持桿狀納米物質(zhì)130。在該狀態(tài)下使納米管把持部111朝上移動(dòng)時(shí)，桿狀納米物質(zhì)130如圖所示那樣確實(shí)地被吊起。
在該實(shí)施形式中，由3根導(dǎo)電性納米管108、109、110構(gòu)成靜電納米鑷子120的納米管把持部111。也可根據(jù)納米物質(zhì)的形狀，由4根納米管構(gòu)成納米管把持部111。這樣，本實(shí)施形式的靜電納米鑷子的特征在于，由3根以上的納米管的開閉把持和放出納米物質(zhì)。
圖15為使用該靜電鑷子的機(jī)械手裝置的作動(dòng)說明圖。在試樣132的表面存在多個(gè)成為材料的球狀納米物質(zhì)128和桿狀納米物質(zhì)130。首先，由靜電納米鑷子120的AFM操作檢測(cè)該原料納米物質(zhì)，由納米管把持部111把持。然后，由圖中未示出的3維驅(qū)動(dòng)裝置使靜電納米鑷子120朝箭頭a和箭頭b方向移動(dòng)，在納米構(gòu)造物134的所期望位置放出原料納米物質(zhì)。通過反復(fù)進(jìn)行這些操作，可將各種納米物質(zhì)作為原材料在試樣132表面形成所期望的納米構(gòu)造物134。
如上述那樣，導(dǎo)電性納米管108、109、110的閉操作由通過電極膜112、113、114加上電壓產(chǎn)生的靜電引力進(jìn)行。其開動(dòng)由于解除電壓帶來的導(dǎo)電性納米管的彈性回復(fù)力進(jìn)行。靜電納米鑷子120的移動(dòng)控制由AFM(原子間力顯微鏡)的移動(dòng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
為了從原材料位置到納米構(gòu)造物位置對(duì)該靜電納米鑷子120進(jìn)行移動(dòng)控制，使用圖5所示AFM的移動(dòng)控制機(jī)構(gòu)。通過該移動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和靜電納米鑷子120的組合構(gòu)成納米機(jī)械手裝置。由于圖5已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)說明，所以，在這里省略其說明。
將3根導(dǎo)電性納米管中的1根用作AFM用探針，對(duì)表面凹凸圖象進(jìn)行攝像，確認(rèn)原材料位置。在把持原材料后，將納米管把持部111移動(dòng)到納米構(gòu)造物的位置。打開納米管把持部111，將夾持來的納米物質(zhì)放出到試樣表面132a。反復(fù)進(jìn)行該操作，組裝納米構(gòu)造物。
如由納米管把持部111的1根納米管或由3根關(guān)閉狀態(tài)下的全體進(jìn)行AFM操作，也可將納米構(gòu)造物的全體形狀攝到顯示裝置。因此，本實(shí)施形式的納米機(jī)械手裝置為可自由構(gòu)成納米世界的納米機(jī)器人。該納米機(jī)械手裝置可在包括真空、大氣的多種環(huán)境中使用。
在上述實(shí)施形式中，作為對(duì)導(dǎo)電性納米管加電壓的導(dǎo)線電極，在懸臂桿形成所需根數(shù)的電極膜。作為其它方法，也可組合電極膜和導(dǎo)線，或僅由導(dǎo)線構(gòu)成導(dǎo)線電極。在也可在極微小的部位將長(zhǎng)尺寸的碳納米管等導(dǎo)電性納米管用作導(dǎo)線。納米管相互間的接合可利用熔接方式和涂覆膜方式等。熔接方式可通過電子束照射、離子束照射、電流通電加熱等方法進(jìn)行。
本實(shí)施形式為可由導(dǎo)電性納米管間的靜電力把持納米物質(zhì)的靜電納米鑷子。因此，在要把持的納米物質(zhì)為絕緣性的場(chǎng)合有效，但在導(dǎo)電性納米物質(zhì)的場(chǎng)合可能短路。然而，在由絕緣被膜覆蓋該導(dǎo)電性納米管的表面的場(chǎng)合，即使是把持導(dǎo)電性納米物質(zhì)，也由于導(dǎo)電性納米管間不短路，所以，可有效地作為納米鑷子使用。絕緣被膜可很好地利用碳?xì)浠衔锬?，可由電子束照射在?dǎo)電性納米管表面形成被膜。絕緣膜的材料和被覆方法當(dāng)然可利用其它公知的材料和公知的方法。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施形式，不脫離本發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)的各種變形例、設(shè)計(jì)變更等都包含于其技術(shù)范圍內(nèi)。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性按照權(quán)利要求1的發(fā)明，由于用絕緣物質(zhì)涂覆納米管的表面，所以，即使由靜電引力關(guān)閉也不短路。因此，可對(duì)所有具有電物性的物質(zhì)進(jìn)行夾持操作。本發(fā)明適合用于靜電引力方式的納米鑷子的整個(gè)構(gòu)造。
按照權(quán)利要求2的發(fā)明，由于將AFM用的懸臂桿的棱錐部用作納米管支架，所以，納米鑷子整體的強(qiáng)度高，而且由于配線由納米管導(dǎo)線和CVD導(dǎo)線等構(gòu)成，所以，可進(jìn)行超微細(xì)的納米程度的配線，可使回路構(gòu)成緊湊。
按照權(quán)利要求3的發(fā)明，由于可由壓電膜自由開閉納米管前端間地設(shè)置，所以，不論納米物質(zhì)的電性質(zhì)即絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的差別如何，都可進(jìn)行把持，在不需要納米管的絕緣被覆這一點(diǎn)上也可比靜電引力方式進(jìn)一步地提高性能。
按照權(quán)利要求4的發(fā)明，由于將懸臂桿的棱錐部用作權(quán)利要求3的支架，所以，納米鑷子全體的強(qiáng)度高，而且可與成為對(duì)象的納米物質(zhì)的電性質(zhì)無關(guān)地把持所有物質(zhì)，從而可提供具有廣泛應(yīng)用性的納米鑷子。
按照權(quán)利要求5的發(fā)明，作為在納米管形成壓電膜的替代方式，在尺寸較大的棱錐片形成壓電膜，所以，壓電膜的形成容易。這樣，壓電膜的尺寸也變大，所以，納米管導(dǎo)線在壓電膜的連線等的作業(yè)性也可改善。
按照權(quán)利要求6的發(fā)明，由于將3根以上的導(dǎo)電性納米管用作把持納米物質(zhì)的構(gòu)件，所以，可穩(wěn)定而且確實(shí)地把持扁平的納米物質(zhì)及球狀納米物質(zhì)或桿狀納米物質(zhì)等任意形狀的納米物質(zhì)。而且，導(dǎo)電性納米管的開閉可由加電壓產(chǎn)生的靜電引力和解除電壓產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力進(jìn)行，所以，開閉操作簡(jiǎn)單，可容易地把持、移動(dòng)、和放出納米物質(zhì)。
按照權(quán)利要求7的發(fā)明，由于使用在AFM測(cè)定中使用的半導(dǎo)體制的懸臂桿，所以，可提供具有耐久性的高強(qiáng)度的靜電納米鑷子。
按照權(quán)利要求8的發(fā)明，由于設(shè)置有朝XYZ方向相對(duì)試樣對(duì)納米鑷子進(jìn)行移動(dòng)控制的3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以，可提供能夠由納米鑷子或靜電納米鑷子把持納米物質(zhì)將其移動(dòng)到所期望位置從而組裝成任意形狀的納米構(gòu)造物的納米機(jī)械手裝置。
按照權(quán)利要求9的發(fā)明，由于將從構(gòu)成靜電納米鑷子的3個(gè)以上的導(dǎo)電性納米管中選擇的1根納米管用作掃描型檢測(cè)顯微鏡的探針，所以，可實(shí)現(xiàn)能夠檢測(cè)試樣表面的物性信息的納米機(jī)械手裝置。另外，如使用該納米機(jī)械手裝置，則具有可一邊確認(rèn)其納米物質(zhì)的形狀一邊進(jìn)行納米物質(zhì)的把持、移動(dòng)和放出等優(yōu)良的功能。
權(quán)利要求
1.一種納米鑷子，其特征在于由在支架上固定地凸設(shè)基端部的多個(gè)納米管、對(duì)這些納米管表面進(jìn)行絕緣覆蓋的涂覆被膜、及連接于其中2根納米管的導(dǎo)線構(gòu)成，通過在該導(dǎo)線間外加電壓，可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉。
2.一種納米鑷子，其特征在于由凸設(shè)于懸臂上的棱錐部、在該棱錐部上固定地凸設(shè)基端部的多個(gè)納米管、及連接于其中2根納米管的導(dǎo)線構(gòu)成，通過在該導(dǎo)線間外加電壓，可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉。
3.一種納米鑷子，其特征在于由在支架上固定地凸設(shè)基端部的多個(gè)納米管和形成于其中至少1根納米管表面的壓電膜構(gòu)成，通過在該壓電膜外加電壓，使壓電膜伸縮，可使上述納米管的前端間自由開閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的納米鑷子，其特征在于上述支架為懸臂的棱錐部。
5.一種納米鑷子，其特征在于由構(gòu)成懸臂的棱錐部的可變形的多個(gè)棱錐片、固定于該棱錐片前端的納米管、及形成于至少1個(gè)棱錐片的側(cè)面的壓電膜構(gòu)成，通過在該壓電膜上外加電壓，使壓電膜伸縮，可使棱錐片自由撓曲地開閉納米管的前端間。
6.一種靜電納米鑷子，其特征在于由在支架上固定地凸設(shè)基端部的3個(gè)以上的納米管和分別連接于其中至少3根以上納米管上的導(dǎo)線電極構(gòu)成，通過在這些導(dǎo)線電極間外加電壓，可由其靜電力使上述納米管的前端間自由開閉。
7.一種靜電納米鑷子，其特征在于由在支架上凸設(shè)的凸出部、在該凸出部上固定地凸設(shè)基端部的3個(gè)以上的納米管、及分別連接于其中至少3根以上納米管的導(dǎo)線電極構(gòu)成，通過在這些導(dǎo)線電極間外加電壓，可由靜電力使上述納米管的前端間自由開閉。
8.一種納米機(jī)械手裝置，特征在于由權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、或7所述的納米鑷子和相對(duì)試樣朝XYZ方向相對(duì)該納米鑷子進(jìn)行移動(dòng)控制的3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，進(jìn)行由納米鑷子將納米物質(zhì)輸送到試樣的控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的納米機(jī)械手裝置，其特征在于使用構(gòu)成納米鑷子的至少1根納米管作為掃描型探針顯微鏡的探針。
全文摘要
靜電方式的納米鑷子2的特征在于:由在棱錐部6固定地凸設(shè)基端部的多個(gè)納米管、對(duì)這些納米管表面進(jìn)行絕緣覆蓋的涂覆被膜、及連接于其中2根納米管8、9的導(dǎo)線10、10構(gòu)成,通過在該導(dǎo)線間加電壓,可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉,在其間把持納米物質(zhì)。另外,如在納米管9的表面形成壓電膜32,使壓電膜伸縮,可自由開閉上述納米管的前端間,則不論是絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)電體,都可對(duì)任意的納米物質(zhì)進(jìn)行處理。另外,如以靜電方式自由開閉3根納米管,則可處理球狀、桿狀等任意形狀的納米物質(zhì)。另外,與3維驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合構(gòu)成納米機(jī)械手,可容易地進(jìn)行納米物質(zhì)的把持、移動(dòng)、放出。
文檔編號(hào)B81B7/00GK1364141SQ01800473
公開日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2001年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月8日
發(fā)明者中山喜萬, 秋田成司, 原田昭雄, 大川隆 申請(qǐng)人:大研化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社, 中山喜萬