專利名稱:納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法及裝置，尤其涉及納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法和裝置。
背景技術(shù)：
根據(jù)靜電場(chǎng)對(duì)帶電體有力的作用的原理，人們發(fā)明了一系列基于靜電場(chǎng)的靜電技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于信息工程、空間技術(shù)、大規(guī)模集成電路、環(huán)境保護(hù)、生物技術(shù)、選礦和物質(zhì)分離、紡織印染等各個(gè)領(lǐng)域。靜電場(chǎng)是靜電技術(shù)的基礎(chǔ)和核心。目前，靜電場(chǎng)的構(gòu)筑通常是把金屬電極接在電源的兩極來(lái)實(shí)現(xiàn)的，靜電場(chǎng)位于兩金屬電極之間，尺寸在微米以上。隨著器件的小型化、智能化、高集成、高精密度的發(fā)展，勢(shì)必要求靜電場(chǎng)的尺寸越來(lái)越小，而目前的靜電場(chǎng)構(gòu)筑方法較難滿足其尺寸的微型化發(fā)展需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法和裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度電場(chǎng)強(qiáng)度的連續(xù)可調(diào)和任意操縱，方法簡(jiǎn)單；還可以重復(fù)寫入注入電荷，獲得不同空間分布的靜電場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)節(jié)約。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:首先使用一個(gè)或多個(gè)曲率半徑為納米級(jí)的接地探針，通過直流電場(chǎng)把大地中的自由電荷注入到絕緣材料表面的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)位，并局域于此，形成納米尺度的點(diǎn)電荷分布圖案；然后去掉直流電，使探針接近上述已注入自由電荷的絕緣體表面,在探針和絕緣體表面之間形成靜電場(chǎng)(靜電場(chǎng)由第一步注入絕緣體的自由電荷激發(fā))。
具體的說，納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法，包括以下步驟:
(1)選取曲率半徑為納米級(jí)的導(dǎo)電探針和具備下電極的絕緣材料；
(2)將具備下電極的絕緣材料固定于工作臺(tái)上，下電極與外部程控直流電源相連接；導(dǎo)電探針設(shè)置于絕緣材料上表面，所述探針固定在微懸臂上，且接地；
(3)工作臺(tái)和外部程控直流電源同時(shí)由程控驅(qū)動(dòng)裝置控制，通過程控驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定探針在絕緣材料上表面相對(duì)移動(dòng)的路徑及速度、注入電荷的位置、注入電荷位置處所需施加的直流電壓以及脈沖時(shí)間、探針路徑上和注入電荷位置處探針與薄膜表面的接觸程度，并運(yùn)行之，在注入電荷目標(biāo)位探針和下電極間形成電場(chǎng)，在該電場(chǎng)力的作用下大地中的自由電荷被注入該目標(biāo)位；
(4 )將外部程控直流電源的電壓設(shè)定為0，根據(jù)探針尺寸和按步驟(3 )中構(gòu)筑的注入電荷點(diǎn)陣的分布，通過程控驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定使探針和絕緣材料間由注入電荷激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)探針?biāo)诘奈恢煤蜖顟B(tài)，以及到達(dá)該位置的方式；其基本原則是:避免探針與注入電荷接觸；電場(chǎng)強(qiáng)度目標(biāo)值確定的情況下，注入電荷電勢(shì)越高(低)或探針曲率半徑越小(大)，探針與絕緣表面接觸越弱(強(qiáng))。
( 5 )探針運(yùn)行至目標(biāo)位，納米尺度的靜電場(chǎng)構(gòu)筑完成。[0007]所述探針上方設(shè)有監(jiān)控探針位置及其受力程度的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)把探測(cè)到的信息經(jīng)鎖相放大系統(tǒng)輸送到反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)和程控驅(qū)動(dòng)裝置相連。
一種納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑裝置，包括一工作臺(tái)，工作臺(tái)上放置有具備下電極的絕緣材料，絕緣材料的上表面垂直設(shè)置有半徑為納米尺度的導(dǎo)電探針，導(dǎo)電探針固定在微懸臂上，且接地，微懸臂的力常數(shù)為0.12 40N/m，；所述工作臺(tái)由程控驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，所述下電極與受控于程控驅(qū)動(dòng)裝置的外部程控直流電源相連接，探針上方設(shè)有監(jiān)控探針位置及其受力程度的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)把探測(cè)到的信息經(jīng)鎖相放大系統(tǒng)輸送到反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)和程控驅(qū)動(dòng)裝置相連。
所述探針的曲率半徑為10納米。
絕緣材料為經(jīng)拋光的BaTi03、SrTiO3或CaCu3Ti4O12等單晶薄片，或幾十至幾百納米厚的這些材料的薄膜等。
本發(fā)明帶來(lái)的有益效果為:
(1)探針與絕緣材料表面間電場(chǎng)集中在納米數(shù)量級(jí)；
(2)通過移動(dòng)探針位置，可獲得電場(chǎng)強(qiáng)度連續(xù)變化的納米尺度靜電場(chǎng)；
(3)納米尺度精確控制靜電場(chǎng)的位置；
(4)納米尺度任意調(diào)控靜電場(chǎng)的分布，方法簡(jiǎn)單；
(5)可重復(fù)寫入注入電荷，獲得不同空間分布的靜電場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)節(jié)約；
(6)大大節(jié)約電力能源。


圖1為納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑裝置示意圖；
圖2為探針移動(dòng)路徑示意圖。
圖中，1.程控驅(qū)動(dòng)裝置，2.工作臺(tái)，3.下電極，4.外部程控直流電源，5.絕緣材料，
6.微懸臂,7.探針,8.光學(xué)系統(tǒng),9.鎖相放大系統(tǒng)，10.反饋系統(tǒng)，11.注入電荷位置，12.探針移動(dòng)路徑。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
如圖1、圖2所示，一種納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法，包括以下步驟:
(I)選取曲率半徑為納米級(jí)的導(dǎo)電探針7和具備下電極3的絕緣材料5 ;本實(shí)施例中探針7的曲率半徑為10納米，所述探針7的曲率半徑可小至I納米。絕緣材料5為200納米厚的BaTiO3薄膜。
(2)把生長(zhǎng)在Laa7Sra3MnO3/ Si02/Si基底上、200納米厚的BaTiO3薄膜固定于工作臺(tái)2。下電極3，使之與外部程控直流電源4相連接。導(dǎo)電探針7設(shè)置于絕緣材料5上表面，所述探針7固定在微懸臂6上，且接地；所述探針7上方設(shè)有監(jiān)控探針7位置及其受力程度的光學(xué)系統(tǒng)8，光學(xué)系統(tǒng)8把探測(cè)到的信息經(jīng)鎖相放大系統(tǒng)9輸送到反饋系統(tǒng)10,反饋系統(tǒng)10和程控驅(qū)動(dòng)裝置I相連。
(3)結(jié)合探針7尺寸和BaTiO3薄膜的絕緣性能，設(shè)計(jì)用接地導(dǎo)電探針7在BaTiO3薄膜表面構(gòu)筑注入電荷(即施加電場(chǎng))的位置和方式。比如，構(gòu)筑一個(gè)3X3,間距為150納米的注入電荷點(diǎn)陣，注入電荷位置11和探針移動(dòng)路徑12由圖2所示。
工作臺(tái)2和外部程控直流電源4同時(shí)由程控驅(qū)動(dòng)裝置I控制，通過程控驅(qū)動(dòng)裝置I設(shè)定探針7在絕緣材料5表面相對(duì)移動(dòng)的路徑及速度、注入電荷的位置、注入電荷位置處所需施加的直流電壓以及脈沖時(shí)間、探針路徑上和注入電荷位置處探針與薄膜表面的接觸程度，并運(yùn)行之，在注入電荷目標(biāo)位接地導(dǎo)電探針7和Laa7Sra3MnO3下電極3間形成電場(chǎng)，在該電場(chǎng)力的作用下大地中的自由電荷被注入目標(biāo)位，并被局域于此。
注入位置處的脈沖極性決定所注入電荷的正負(fù)；脈沖的大小和時(shí)間決定注入電荷的量以及所占空間尺寸，電壓越大、時(shí)間越長(zhǎng)注入電荷的量越大、所占空間也越大；探針接觸程度也會(huì)影響注入電荷，通常注入電荷隨接觸增強(qiáng)而增多，但過強(qiáng)的接觸會(huì)磨損探針，導(dǎo)致曲率半徑增加和導(dǎo)電性減弱等，進(jìn)而降低電荷的注入，因此以上參數(shù)必須合理選擇。
(4)將外部程控直流電源4的電壓設(shè)定為0，根據(jù)探針7尺寸和按步驟(3)中構(gòu)筑的注入電荷點(diǎn)陣的分布，通過程控驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定使探針7和絕緣材料5間由注入電荷激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)探針?biāo)诘奈恢煤蜖顟B(tài)，以及到達(dá)該位置的方式。
(5 )探針7運(yùn)行至目標(biāo)位，此時(shí)步驟(3 )中注入到薄膜表面的自由電荷在探針7和BaTiO3薄膜之間形成電場(chǎng)(此過程外部程控電源不工作)，納米尺度的靜電場(chǎng)構(gòu)筑完成。由于探針7的曲率半徑為10納米，所以探針7和薄膜間的電場(chǎng)被局限在納米的數(shù)量級(jí)。
一種納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑裝置，包括工作臺(tái)2，工作臺(tái)2上放置有具備下電極3的絕緣材料5，絕緣材料5的上表面垂直設(shè)置有曲率半徑為納米尺度的導(dǎo)電探針7，探針7固定在對(duì)微弱力敏感的微懸臂6上，且接地；所述工作臺(tái)2由程控驅(qū)動(dòng)裝置I驅(qū)動(dòng)，所述下電極3與受控于程控驅(qū)動(dòng)裝置I的外部程控直流電源4相連接，探針7上方設(shè)有監(jiān)控探針7位置及其受力程度的光學(xué)系統(tǒng)8，光學(xué)系統(tǒng)8把探測(cè)到的信息經(jīng)鎖相放大系統(tǒng)9輸送到反饋系統(tǒng)10，反饋系統(tǒng)10和程控驅(qū)動(dòng)裝置I相連。其中，工作臺(tái)、光學(xué)系統(tǒng)、鎖相放大系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)和程控驅(qū)動(dòng)裝置可參考原子力顯微鏡。首先在直流電作用下通過曲率半徑為納米尺度的導(dǎo)電探針把大地中的電荷注入絕緣材料表面，并局域于此，接著斷掉直流電；探針再次接近絕緣材料，探針底端產(chǎn)生由以上注入電荷在探針和絕緣材料之間產(chǎn)生納米尺度靜電場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法，其特征在于，包含以下步驟: (1)選取曲率半徑為納米級(jí)的導(dǎo)電探針和具備下電極的絕緣材料； (2)將具備下電極的絕緣材料固定于工作臺(tái)上，下電極與外部程控直流電源相連接；導(dǎo)電探針設(shè)置于絕緣材料上表面，所述探針固定在微懸臂上，且接地； (3)工作臺(tái)和外部程控直流電源同時(shí)由程控驅(qū)動(dòng)裝置控制，通過程控驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定探針在絕緣材料上表面相對(duì)移動(dòng)的路徑及速度、注入電荷的位置、注入電荷位置處所需施加的直流電壓以及脈沖時(shí)間、探針路徑上和注入電荷位置處探針與薄膜表面的接觸程度，并運(yùn)行之，在注入電荷目標(biāo)位探針和下電極間形成電場(chǎng)，在該電場(chǎng)力的作用下大地中的自由電荷被注入該目標(biāo)位； (4)將外部程控直流電源的電壓設(shè)定為O，根據(jù)探針尺寸和按步驟(3)中構(gòu)筑的注入電荷點(diǎn)陣的分布，通過程控驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)定使探針和絕緣材料間由注入電荷激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)探針?biāo)诘奈恢煤蜖顟B(tài)，以及到達(dá)該位置的方式； (5 )探針運(yùn)行至目標(biāo)位，納米尺度的靜電場(chǎng)構(gòu)筑完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法，其特征在于:探針上方設(shè)有監(jiān)控探針位置及其受力程度的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)把探測(cè)到的信息經(jīng)鎖相放大系統(tǒng)輸送到反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)和程控驅(qū)動(dòng)裝置相連。
3.納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑裝置，其特征在于:包括一工作臺(tái)，工作臺(tái)上放置有具備下電極的絕緣材料，絕緣材料的上表面垂直設(shè)置有曲率半徑為納米尺度的導(dǎo)電探針，導(dǎo)電探針固定在微懸臂上，且接地，微懸臂的力常數(shù)為0.12 40N/m ;所述工作臺(tái)由程控驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，所述下電極與受控于程控驅(qū)動(dòng)裝置的外部程控直流電源相連接，探針上方設(shè)有監(jiān)控探針位置及其受力程度的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)把探測(cè)到的信息經(jīng)鎖相放大系統(tǒng)輸送到反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)和程控驅(qū)動(dòng)裝置相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑裝置，其特征在于:所述探針的曲率半徑為10納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑裝置，其特征在于:絕緣材料為經(jīng)拋光的 BaTi03、SrTiO3 或 CaCu3Ti4O1215
專利摘要
本發(fā)明公開了一種納米尺度靜電場(chǎng)的構(gòu)筑方法和裝置，包括工作臺(tái)，工作臺(tái)上設(shè)置有具備下電極的絕緣材料，絕緣材料的上表面垂直設(shè)置有曲率半徑為納米尺度的導(dǎo)電探針，導(dǎo)電探針固定在對(duì)微弱力敏感的微懸臂上，且接地；所述工作臺(tái)由程控驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，所述下電極與受控于程控驅(qū)動(dòng)裝置的外部程控直流電源相連接，探針上方設(shè)有監(jiān)控探針位置及其受力程度的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)把探測(cè)到的信息經(jīng)鎖相放大系統(tǒng)輸送到反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)和程控驅(qū)動(dòng)裝置相連。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度電場(chǎng)強(qiáng)度的連續(xù)可調(diào)和任意操縱，方法簡(jiǎn)單；還可以重復(fù)寫入注入電荷，獲得不同空間分布的靜電場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)節(jié)約。
文檔編號(hào)B82Y15/00GKCN103197103SQ201310089324
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月20日
發(fā)明者郭惠芬, 雍永亮, 張超, 李立本, 陳慶東 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan