本發(fā)明涉及納米加工領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種通過(guò)在原子力顯微鏡(afm)探針和基底之間施加電流，并使探針針尖在基底表面運(yùn)動(dòng)，通過(guò)焦耳熱形成納米刻痕，從而實(shí)現(xiàn)納米刻蝕、裁剪加工的方法。

背景技術(shù)：

納米器件是由納米材料構(gòu)成的電子器件，比如各種氣體傳感器，生物傳感器，場(chǎng)效應(yīng)晶體管等等。納米器件具有優(yōu)異的性能，比如庫(kù)侖阻塞效應(yīng)等。但是目前納米器件還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)榧{米器件在加工制造方面還存在各種問(wèn)題。比如納米焊接、納米裝配、納米裁剪等問(wèn)題。其中納米裁剪是根據(jù)需要，將納米材料切割成特定的尺寸和形狀。目前可以采用金剛石探針，通過(guò)機(jī)械力的作用，對(duì)納米基底進(jìn)行行刻劃或?qū){米材料進(jìn)行切割。然而金剛石探針機(jī)械力切割具有存在以下問(wèn)題。

1、金剛石探針價(jià)格昂貴。

2、金剛石切割依靠機(jī)械力的作用，切割過(guò)程中會(huì)造成已裝配好的納米材料位置移動(dòng)。

3、金剛石刻劃的形狀較為單一。由于金剛石探針帶有細(xì)長(zhǎng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此適宜進(jìn)行沿金剛石探針懸臂梁軸線方向的刻劃；側(cè)向刻劃時(shí)，懸臂梁易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，影響刻劃效果。因此金剛石刻劃多以直線為主。

因此設(shè)計(jì)一種靈活、簡(jiǎn)便的納米刻蝕加工方法，對(duì)納米器件的加工制造具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種通過(guò)施加電流實(shí)現(xiàn)afm納米沉積的方法，即通過(guò)向afm針尖和基底施加電流并控制電流大小以及電流作用時(shí)間，使afm探針針尖與基底之間形成焦耳熱，引起基底或納米材料的融化，從而實(shí)現(xiàn)納米刻劃或納米切割的加工效果。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

由于本發(fā)明中的方法利用電流的作用實(shí)現(xiàn)加工，因此需要使用導(dǎo)電探針和導(dǎo)電樣品。利用原子力顯微鏡的納米級(jí)的探針運(yùn)動(dòng)控制功能，使探針與樣品保持輕微接觸，此時(shí)在樣品和針尖之間形成較大的接觸電阻。在樣品和探針之間施加一定的電流，根據(jù)焦耳定律，將在樣品和探針的接觸面形成較大的熱功率。當(dāng)功率足夠大時(shí)，將引起樣品表面的融化，從而形成納米刻痕。通過(guò)控制電流的大小和電流作用的時(shí)間，可以調(diào)節(jié)刻痕的寬度和深度。如果在加工中保持探針沿特定的軌跡運(yùn)動(dòng)，可以得到復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1、加工經(jīng)濟(jì)性好。本發(fā)明中的加工方法只需使用普通的導(dǎo)電原子力探針，價(jià)格便宜。

2、各向一致性好。加工中探針和樣品之間的作用力很小，懸臂梁的形變很小，因此在各個(gè)方向上的加工效果相同。

3、加工靈活性好。加工中可以隨時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電流的大小來(lái)改變刻痕的尺寸，加工方法靈活。

附圖說(shuō)明

圖1為刻劃加工系統(tǒng)示意圖。

圖2為納米點(diǎn)刻劃加工。

圖3為納米線刻劃加工。

其中1是afm導(dǎo)電探針；2是樣品；3是導(dǎo)電膠；4是金屬樣品臺(tái)；5是可編程電流源。

具體實(shí)施方式

通過(guò)原子力顯微鏡本身提供的電源接口，將可編程電流源5施加到樣品2和afm導(dǎo)電探針1上。原則上，電流方向不影響加工效果。但是，考慮到尖端接陽(yáng)極時(shí)，放電電壓更低。因此afm探針接陽(yáng)極，樣品接陰極。

通過(guò)原子力顯微鏡的掃描功能，掃描樣品形貌，選定加工位置。

在可編程電流源5上設(shè)置電流參數(shù)。包括電流大小、持續(xù)時(shí)間、電流波形等。

設(shè)置afm工作在接觸模式，使afm探針與樣品接觸。并通過(guò)deflectionsetpoint參數(shù)控制探針與樣品的接觸力。

規(guī)劃探針的運(yùn)動(dòng)軌跡，并設(shè)定探針運(yùn)動(dòng)速度，使探針按照預(yù)先設(shè)定的路徑運(yùn)動(dòng)。

啟動(dòng)探針運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)啟動(dòng)電源，開始刻蝕加工。

加工采用的是電流源，因此加工過(guò)程中電流為恒定值，電壓為可變值。然而電壓的變化應(yīng)在一定范圍之內(nèi)。如果電壓過(guò)高，比如超過(guò)30v，可能會(huì)對(duì)儀器設(shè)備造成威脅；如果電壓過(guò)低，盡管電流達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但產(chǎn)生的功率較小，不足以使樣品融化。引起電壓波動(dòng)的主要原因是針尖與樣品間接觸電阻的變化。針尖和樣品間的壓力越大，針尖和樣品接觸越緊密，接觸電阻越?。幌喾?，針尖和樣品間的壓力越小，接觸電阻越大，直到針尖與樣品完全脫離，電阻達(dá)到無(wú)窮大。因此加工中合理的設(shè)定defectionsetpoint非常關(guān)鍵。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種通過(guò)施加電流實(shí)現(xiàn)原子力顯微鏡(AFM)納米刻蝕的方法。通過(guò)向AFM針尖和基底施加一定電流并控制電流的大小，由于針尖和樣品之間存在較大的接觸電阻，因此產(chǎn)生一定的焦耳熱，在基底上形成刻蝕。該方法可用于加工納米溝痕、裁剪納米材料等操作。

技術(shù)研發(fā)人員：劉增磊;高愛蓮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：劉增磊
技術(shù)研發(fā)日：2019.04.16
技術(shù)公布日：2019.08.27