CN101823687B - 分离纳米材料及制作纳米电极的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分离纳米材料的方法，所述纳米材料为一维纳米材料，所述分离纳米材料的方法包括如下步骤：1)将纳米材料固定在样品台上，获取所述纳米材料与衬底的夹角；2)根据所述纳米材料与衬底的夹角，调整衬底与水平面和离子束入射方向之间的夹角；3)以步骤2)所确定的纳米材料与衬底的位置，对所述纳米材料进行成像，根据成像结果划定切割区域；4)以步骤2)所确定的纳米材料与衬底的位置，利用离子束对切割区域进行切割扫描，直至纳米材料被切断。与现有的纳米材料与衬底分离的方法相比，本发明避免了对纳米材料的破坏与机械损伤；并且可在双束SEM/FIB或单束FIB系统上一次性完成，具有时间及成本优势。

Description

分离纳米材料及制作纳米电极的方法

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体地说，本发明涉及一种将纳米材料与其衬底分离的方法以及利用所分离的纳米材料制作纳米电极的方法。

背景技术

近年来，随着电子器件尺寸朝着小尺度、低维方向的发展，研究人员们不断地合成出形貌丰富的纳米材料，并利用各种物性测试手段研究其性质，以期望能够进一步研制出新型的纳电子器件与逻辑功能结构。其中，采用自下而上(bottom-up)的工艺技术生长的具有新异性能的纳米材料的出现引起了越来越多的关注，但是纳米材料的空间存在方式决定了对其进行物性测试的技术方案及难易程度。通常在对这些单个纳米材料进行形貌、电学或光学等特性测试前，需要将其从衬底上分离开来，它包括纳米实体的刮取收集、液相分散、表面转移等步骤，参见文献“Optical andelectrical properties of ZnO nanowires grown on aluminium foil bynon-catalytic thermal evaporation”.《Nanotechnology》.2007，Vol.18：175606。在该文中，首先将无规律大面积生长于衬底上的ZnO纳米线经刀片刮离衬底，然后放入乙醇溶液进行超声处理使聚团纳米线族分离，之后取分散液少量，滴到具有绝缘薄膜层的衬底表面，进而将其制成接触电极以进行光电特性测试。上述方法的不足之处在于：1.使用刀片对衬底上的纳米材料进行分离容易对纳米材料造成机械损伤，并有可能破坏其原始几何形状，尤其是对于多臂或其它形状复杂的纳米结构；2.分散液进行取液时具有很大的随机性，不仅在寻找分散的单一纳米材料时耗费时间，也很难对单根纳米材料进行单独分离及研究。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种对纳米材料无破坏性、可有效地实现对单一纳米材料个体进行分离的方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的一种分离纳米材料的方法，所述纳米材料为一维纳米材料，所述分离纳米材料的方法包括如下步骤：

1)将纳米材料固定在样品台上，获取所述纳米材料与衬底的夹角；

2)根据所述纳米材料与衬底的夹角，调整衬底与水平面和离子束入射方向之间的夹角；

3)以步骤2)所确定的纳米材料与衬底的位置，对所述纳米材料进行成像，根据成像结果划定切割区域；

4)以步骤2)所确定的纳米材料与衬底的位置，利用离子束对切割区域进行切割扫描，直至纳米材料被切断。

上述技术方案中，所述步骤1)中，包括通过初步扫描成像获得纳米材料与衬底的夹角。

上述技术方案中，所述步骤2)中，调整夹角时，使得所述离子束入射方向与纳米材料的长轴方向分别位于法线两侧；或者离子束入射方向与纳米材料的长轴方向位于法线同一侧，且离子束入射方向与水平面夹角大于纳米材料长轴方向与水平面夹角。

上述技术方案中，所述步骤2)中，调整夹角时，还使得所述纳米材料不垂直于水平面。

上述技术方案中，所述步骤2)中，调整夹角时，还使得所述纳米材料与水平线的夹角在0°～60°范围内。

上述技术方案中，所述步骤2)中，调整夹角时，还使得所述离子束入射方向与纳米材料倾斜方向的夹角在30°～90°范围内。

上述技术方案中，所述步骤2)中，调整夹角时，还使得所述离子束入射方向与所述衬底的夹角在30°～90°范围内；或者使得所述离子束入射方向与所述衬底平行。

上述技术方案中，在所述步骤3)中，所述切割区域位于所述纳米材料的根部，所述切割区域为矩形区域，所述矩形区域长为所述纳米材料根部横截面长度的2～4倍，宽度为所述纳米材料根部横截面宽度的1～3倍。

上述技术方案中，在所述步骤4)中，所述离子束的束流为pA到nA的量级。

上述技术方案中，所述分离纳米材料的方法利用双束扫描电子显微镜/聚焦离子束系统或单束聚焦离子束系统实现。

当所述纳米材料生长在具有网膜结构的衬底上时，本发明还提供了另一种分离纳米材料的方法，包括如下步骤：

1)对所述纳米材料进行成像，根据成像结果在衬底上划定切割区域，所述切割区域位于纳米材料周围的支撑膜上；

2)利用离子束对切割区域进行扫描，直至纳米材料周围的所有支撑膜被切断，与主体网膜分开。

本发明还提供了一种制作纳米电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用所述分离纳米材料的方法对纳米材料进行切割，使得所述纳米材料着陆在所述衬底上；

2)对着陆在所述衬底上的纳米材料进行加工制备成纳米电极。

与现有的纳米材料与衬底分离的方法相比，本发明的优点在于：

1.离子束切割避免了对纳米材料的破坏与机械损伤；

2.对于生长于事先加工好的电极接触图形间的纳米材料，纳米材料与衬底的分离及电极连线的制作可在双束SEM/FIB或单束FIB系统上一次性完成，具有时间及成本优势；

3.对纳米材料进行切割后可用FIB制作定位记号，通过应用电子束曝光系统及相关工艺生长电极接触，进一步保证了对纳米材料电极结构制作的灵活性、完整性与准确性。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1(a)和图1(b)示出了分离纳米材料时需要满足的纳米材料，工作平面法线及离子束入射方向之间的几何位置关系；

图2示出了考虑重力作用时，纳米材料与工作平面水平线之间的优选角度范围；

图3示出了在衬底与样品台之间增加楔形样品托后，且纳米材料与离子束入射方向分别位于工作平面法线的两侧，考虑切割面积时的纳米材料与离子束入射方向之间的优选角度范围；

图4(a)和图4(b)示出了在衬底与样品台之间增加楔形样品托后，考虑切割对衬底的损伤面积时的离子束入射方向与衬底之间的优选角度范围；

图5(a)至图5(c)示出了本发明一些实施例的纳米材料、样品托及样品台之间的相对位置关系，其中离子束入射方向与水平面的夹角为α，样品台倾斜旋转角度为β，样品托倾斜面的倾斜角度为γ，纳米材料与衬底的夹角为θ；

图6(a)为本发明一个实施例中使用的TEM多孔碳膜网栅的SEM俯视图；

图6(b)为本发明一个实施例中使用的TEM多孔碳膜网栅部分区域放大图，与衬底分离后的含钨纳米材料的SEM俯视图及未切割的纳米材料的俯视图与用来切割的大致离子束扫描区域；

图7(a)为本发明另一个实施例的未分离的含钨纳米材料的离子束扫描图；

图7(b)为本发明另一个实施例的与衬底分离后的含钨纳米材料的四电极接触结构SEM俯视图。

具体实施方式

[实施例1]：

本实施例提供了一种对生长在衬底上的纳米线进行分离的方法，需要利用到双束扫描电子显微镜/聚焦离子束(SEM/FIB)系统或单束聚焦离子束(FIB)系统，包括如下步骤：

1)将生长纳米线的衬底固定在SEM/FIB系统真空腔室的样品台上。一般来说，样品台配有样品托，所述衬底首先固定在样品托上，然后再将样品托放入真空腔室并将所述样品托固定在样品台上。所述衬底主要有三种类型，不同类型衬底的固定方式有所不同。下面详细叙述各类衬底及其固定方法：

(i)若衬底是具有表面绝缘层的导电衬底(即衬底包括表面层和底层，表面层为绝缘层，底层为导电层)，可用导电物质从衬底背面将其固定在样品托上。样品托具有良好的导电性，因此样品托与样品台是电导通的。所述绝缘层包括SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃或其组合等；所述导电衬底包括Si，GaAs，GaN，InP或金属等；此外，也可用普通光学光刻-金属沉积-剥离工艺在长有电介质薄膜的衬底上制作金属接触图形并用其为衬底；

(ii)若衬底是具有表面导电层的绝缘衬底(即衬底包括表面层和底层，表面层为导电层，底层为绝缘层)，可将样品固定在样品托上后，再用导电物质将样品表面与样品托连接起来。其中，所述导电层包括诸如ITO薄膜的导电氧化物或单层的或多层的金属，所述金属包括Au，Ni，Cr，Cu或Al等；所述绝缘衬底包括玻璃、石英或蓝宝石等绝缘材料；

(iii)若衬底是网格或网膜结构，例如微孔网格、透射电子显微镜(TEM)网栅及其多孔膜、FIB载网及其连续膜等，可用导电物质将网格或网膜结构从其表面边缘固定到样品托上。所述导电物质包括导电银胶、导电碳带或铜带等。

2)获取纳米线与衬底间的夹角。

本实施例中，纳米材料为一维纳米材料，包括纳米线、纳米管、纳米棒等。为了叙述方便，本实施例中以纳米线为例来对分离方法中的各个细节进行详细描述。

为了获取纳米线与衬底间夹角，可以将衬底和纳米线置于SEM/FIB系统的腔体内，通过初步扫描成像获得纳米线与衬底间的夹角。即可以通过两次SEM扫描图像来计算：比如说首先可通过SEM电子束垂直入射于衬底时的纳米线的扫描照片得到其在水平面的投影长度d₁；然后将样品台倾斜旋转一定角度φ，再一次得到纳米线在水平面的投影长度d₂；通过d₁，d₂和φ，可以推导计算纳米线与衬底间的夹角θ。

值得说明的是，当所述纳米线与衬底间的夹角已知时，可以省略上述初步扫描成像的步骤。

3)调整纳米线/衬底与离子束的入射方向之间的夹角。

首先定义经过纳米线且垂直于水平面的平面为工作平面。在工作平面内，垂直于水平面的线为法线。

本实施例中，样品台可以旋转，样品台上还可以放置一个样品托，这样可以方便地调整衬底和纳米线与水平面的夹角。这里应当注意，由于纳米线与衬底的夹角是固定的，所以调整衬底与水平面夹角的过程和调整纳米线与水平面夹角的过程是同步的。

首先，调整样品台的位置，找到衬底上待分离的纳米线，使得离子束位于所述工作平面内。离子束的入射方向应当避开纳米线倾倒过程所经过的路径，以避免所述纳米线的结构被破坏。因此，本实施例中，离子束入射方向与纳米线长轴方向应当分别位于法线两侧。即当设备的离子束从法线右侧入射时，纳米线向法线左侧倾斜；当纳米线向法线右侧倾斜时，可以将样品台绕z轴旋转180°，使之向法线左侧倾斜。但值得说明的是，满足条件的情况并不限于此，即使离子束入射方向与纳米线倾斜方向位于法线同一侧，只要离子束入射方向与水平面夹角大于纳米线倾斜方向与水平面夹角即可。图1(a)、(b)、图2、图3、图4(a)、(b)中0为工作平面法线方向，1为工作平面水平线，2为离子束入射方向，9为样品托，14为样品台，θ为纳米线与衬底的夹角，γ为样品托倾斜面的倾斜角，下文中不再赘述。如图1(a)所示，3为纳米线原始位置，4为纳米线的第一边界位置，5为纳米线的第二边界位置，6为衬底原始位置，7为衬底的第一边界位置，8为衬底的第二边界位置。图1(a)中，样品台和衬底原始位置均为水平，无样品托或样品托倾角为0。样品台的最大逆时针转角受两个因素的影响，其一为所用系统的逆时针可旋转的最大值，其二为离子束入射方向，即入射离子束不被旋转后的样品台与衬底边沿所阻挡。如图1(a)所示，纳米线的第一边界位置4表示有可能用来实施切割分离的纳米线位置在逆时针方向的上的边界，衬底的第一边界位置7表示有可能用来实施切割分离的衬底位置在逆时针方向的上的边界。决定样品台顺时针转角最大值的两因素在于，其一，旋转后的纳米线仍位于工作平面法线的左侧；其二为所用系统的样品台顺时针可旋转的最大值。如图1(a)所示，纳米线的第二边界位置5表示有可能用来实施切割分离的纳米线位置在顺时针方向的上的边界，衬底的第二边界位置8表示有可能用来实施切割分离的衬底位置在顺时针方向的上的边界。由此，可以看出当纳米线与离子束入射方向分别处于法线两侧时，纳米线必须处于纳米线的第一边界位置4和纳米线的第二边界位置5范围内。当设定β为所述样品台的旋转角度，且顺时针为正方向，逆时针为负方向时，β的范围为-α≤β＜90°-θ。当离子束入射方向与纳米线倾斜方向位于法线同一侧时，如图1(b)所示，可用于分离切割的纳米线只能处于纳米线的第一边界位置4和纳米线的第二边界位置5范围内。但此时，纳米线的可选位置不包括所述纳米线的第一边界位置4和纳米线的第二边界位置5本身。其中纳米线的第一边界位置4与离子束入射方向重合，当纳米线处于第二边界位置5时，衬底平面与水平面垂直。图中7与8分别为对应的衬底的第一边界位置和第二边界位置。这种情况下，β的范围为θ-α＜β＜90°，当α大于θ时，当逆时针旋转的角度小于(α-θ)仍可能满足切割条件。值得注意的是样品台顺时针倾斜旋转角度通常不能达到90°，因而β上限无法达到90°。另一方面，本实施例的纳米线分离方法需要将纳米线倾斜使得该纳米线在切割过程中，在重力作用下方便地落到所述衬底上。一般来说，要求纳米材料长轴方向与水平线的夹角在0°～60°范围内(注意这里水平线是指在所述工作平面内的水平线)。纳米材料长轴方向与水平线的夹角可以通过多种手段调节，如旋转样品台、在衬底与样品台之间增加楔形样品托等。图2所示通过旋转样品台来调节纳米材料长轴与水平线的夹角，图2中，10为纳米线的第三边界位置，11为纳米线的第四边界位置，12为衬底的第三边界位置，13为衬底的第四边界位置。纳米线的第三边界位置10和衬底的第三边界位置12对应的纳米材料长轴方向与水平线夹角为0°，纳米线的第四边界位置11和衬底的第四边界位置13对应的纳米材料长轴方向与水平线夹角为60°。

进一步地，为了使纳米材料切割截面面积尽可能小，应当使得所述离子束入射方向与纳米材料长轴方向的夹角在30°～90°范围内。当所述离子束入射方向与纳米材料倾斜方向垂直时(即夹角为90°时)，所述切割截面面积最小。但是实际操作中，综合考虑其它因素的影响，往往无法达到最佳的垂直切割角度。图3所示为在衬底与样品台之间增加楔形样品托9后，且纳米材料与离子束入射方向分别位于工作平面法线的两侧，考虑切割面积时的纳米材料与样品台的位置。如图3所示，旋转样品台可使得纳米材料与离子束入射方向2之间的夹角为30°，纳米材料此时所在位置是纳米线的第五边界位置15；旋转样品台，还可使得纳米材料与离子束入射方向2之间的夹角为90°，此时，纳米材料所处位置为纳米线的第六边界位置16。17和18分别为对应的衬底第五和第六边界位置。纳米线可在上述第五和第六边界位置之间选择，以获得一个较小的切割截面面积。

再者，对采用的特定的离子束束流，聚焦离子束对衬底的刻蚀深度与时间相关，而损伤面积则由设定的扫描面积和离子束入射方向与所述衬底的夹角决定。大体上，损伤面积随着离子束入射方向与所述衬底的夹角(所述夹角取锐角值)的减小而增大。为了减小聚焦离子束对衬底的伤害，离子束入射方向与所述衬底的夹角可设在30°～90°范围内，但当离子束平行于衬底表面入射时，对衬底的伤害面积可减小到零。图4(a)所示为在衬底与样品台之间增加楔形样品托后，且纳米材料与离子束入射方向分别位于工作平面法线的两侧，考虑切割对衬底的损伤时的纳米材料与样品台的位置。图4(a)中，19和20分别为衬底的第七和第八边界位置。旋转样品台，使得衬底位于所述衬底的第七边界位置19，此时离子束入射方向2与衬底的夹角为30°；旋转样品台，使得衬底位于所述衬底的第八边界位置20，此时离子束入射方向2垂直于衬底表面，为减小损伤面积，可以将衬底置与所述衬底的第七和第八边界位置19和20之间。图4(b)示出了另一种减小损伤面积的方式，旋转样品台，将衬底置于衬底的第九边界位置21，此时离子束平行于衬底入射，切割刻蚀对衬底的损伤最小。

综上所示，本步骤中，各类角度所需满足的条件包括：

a)离子束入射方向与纳米材料长轴方向分别位于法线两侧；或者离子束入射方向与纳米材料长轴方向位于法线同一侧，且离子束入射方向与水平面夹角大于纳米材料长轴方向与水平面夹角。

b)纳米材料不垂直于水平面；在优选方案中，纳米材料与水平线的夹角在0°～60°范围内。

c)离子束入射方向与纳米材料倾斜方向的夹角在30°～90°范围内。

d)离子束入射方向与所述衬底的夹角在30°～90°范围内；或者离子束入射方向与所述衬底平行。

以上条件中，条件a)是实现纳米材料与衬底分离的前提条件，条件b)考虑的是重力在切割中的作用，c)考虑的是纳米材料被切割面积大小，d)考虑的是切割过程对衬底的损伤问题。一般情况下，首先应当满足a)条件，然后再按重要性先后依次考虑b)、c)、d)三个条件，对纳米材料/衬底与离子束入射方向之间的角度进行调整。

4)以步骤3)所设定的纳米线/衬底的位置，对所述纳米线进行成像，根据成像结果划定切割区域。所述切割区域位于所述纳米材料根部，根部即纳米材料与衬底的结合部。离子束理论上作长度大于纳米材料用来切割的部位的横截面的长度的直线扫描即能将纳米材料与衬底分离开来，但实际上由于切割过程中的某些效应，使得前一次线扫描的位置很难与后一次的完全重合，因此本实施例定义一个切割区域，采用面扫描的方式实现切割。所述切割区域可以是任意平面图形，为方便起见，本实施例中采用矩形，该矩形的长度一般为所述纳米材料根部横截面长度的2～4倍，宽度为所述纳米材料根部横截面宽度的1～3倍。

5)以步骤3)所设定的纳米线/衬底的位置，利用离子束对切割区域进行切割扫描，直至纳米线被切断。

为更加直观地阐述本实施例的细节。下面以分离生长在硅衬底(表面具有MgO绝缘层)上的ZnO(直径为100nm，长度约为5μm)纳米线为例，对步骤3)、4)、5)做进一步地描述。

如图5(a)所示，ZnO纳米线53与衬底表面的夹角θ＝40°，将该衬底54利用导电碳带固定在无倾斜面的样品托上，送入SEM/FIB腔体内并固定在样品台上，所用的系统FIB入射方向与水平面夹角α＝38°；打开电子枪(5kV电子束加速电压，30μm的电子束光阑)和离子枪(30kV离子束加速电压，1pA的离子束束流)，进行SEM图像观测，将样品台上升到工作高度为5mm处，绕z轴旋转样品台使ZnO纳米线与离子束入射方向如图5(a)所示。

将样品台以y轴为旋转轴，向x轴正方向(如图5(a)所示)顺时针逐步倾斜12°，逐步增加倾斜角度可更好的对纳米线图像进行跟踪，对图像进行聚焦与其他参数调整，将ZnO纳米线移到视场中心，成像并收集一FIB图像。

采用图形发生器定义离子束扫描区域的大小为300nm×100nm，并将此图形放置到纳米线FIB图像的根部位置，设定扫描时间为90s，启动离子束扫描对纳米线根部进行切割(1pA的离子束束流)，随后纳米线在重力的作用下逐步倾斜，直至根部与衬底完全分离后着陆于衬底表面上。

ZnO纳米线与支撑衬底水平面的夹角θ仅为示例性的，可用于本发明方法的θ的取值范围可以在0°＜θ≤90°之间(如果夹角是0°，则纳米线与衬底平面同面，无需切割，对于垂直于衬底，即θ＝90°时，可以倾斜样品台后切割，使重心不在纳米线长度方向的轴线上)。另外，ZnO纳米线还可以由具有其他材料的纳米结构所代替，所述纳米结构包括但不限于诸如纳米棒、纳米管或纳米线的单一纳米结构或阵列，所述材料包括其它固态的纳米材料，例如W，Pt，Au，SiO₂，Co，Cu，Ni，C及其混合物等。

在本实施例提及的离子束切割时所采用的束流仅为示例性的，其范围大约为pA到nA的量级。

另外，对于本领域的普通技术人员来说应该理解，本发明采用SEM/FIB双束系统，然而本方法同样可以在单束或其他FIB系统中所使用；除使用SEM外，本发明还可以使用低束流离子流(≤20pA)对需要与衬底分离的纳米材料进行图形观测。不同的系统具有可能不同的最低可用束流值。本实施例中所用的SEM/FIB双束系统最低离子流束流为1pA；对ZnO纳米线分离切割所用最佳时间为90s，当采用20pA的束流切割时，所用时间为8s左右。较低束流离子流可较大程度的避免镓离子对纳米材料在成像过程中造成的不必要的轰击；此外，用于固定衬底的样品托表面还可以具有一定倾斜角度，以易于实现对样品的调整，倾斜面的倾斜角度γ的范围为0°≤γ＜90°。

[实施例2]：

本实施例针对网膜结构的衬底，提供了另一种分离纳米材料的方法。所述网膜结构的膜材料可以是SiO₂，Si₃N₄，Al₂O₃，Au或C等。本实施例中，纳米材料可以是纳米线等一维纳米结构，也可以是非一维纳米结构。

下面，以分离垂直生长在TEM网栅的多孔碳膜上的含钨纳米材料为例进行描述。

本实施例的方法包括以下步骤：

1)使用导电碳带63将网栅62的上表面边缘与无倾斜角度的样品托61连接起来，如图6(a)所示，然后将样品托放入SEM/FIB样品台上，抽真空并将样品台以y轴为旋转轴，向x轴正方向旋转样品台52°(所用的系统FIB入射方向与水平面夹角α＝38°)，使网栅平面与离子束入射方向垂直；垂直于衬底入射的离子束对垂直生长于衬底表面的纳米材料的成像图像为一点，如图6(b)所示，未切割的含钨纳米材料64在图像中为一点，因此其投影长度对周围起支撑作用的碳膜没有阻挡，便于切割，含钨纳米材料64周围用白色线段示出了大致的切割区域。另外，由于此时纳米材料长轴方向与水平面成一定夹角(即夹角不为零)，因此也能有效的保证重力在切割过程中所起的作用。

另外，当纳米结构与网膜平面的夹角θ在0＜θ＜90°范围内时，也可采用切割纳材料周围的支撑膜的方法达到切割分离纳米材料的目的，只是若纳米材料的FIB图像在支撑网膜上的投影对周围的支撑膜有阻挡，即离子束没法在某一特定的角度直接入射到纳米线周围的某些支撑膜上，则须执行两次切割过程达到分离目的。一种方法是首先在样品台没有倾斜的时候，利用图形发生器收集纳米结构的FIB图像，产生图形扫描区域，采用离子束刻蚀使没有被纳米结构所阻挡的支撑膜与网膜主体部分分开；然后将样品台倾斜或绕z轴水平旋转一定角度，使先前被纳米材料所阻挡的另一部分支撑膜暴露出来，在这一位置，收集纳米结构的FIB图像，利用图形发生器产生图形扫描区域，同样采用离子束刻蚀使剩余的支撑膜与网膜主体部分分开，达到分离目的。另外也可以通过将样品台倾斜两次，使纳米材料的投影分别位于工作平面法线的两侧，分两步离子束刻蚀将纳米材料周围的支撑膜与主体网膜一一分开，达到分离纳米材料的目的。因此除了实施例1所述的方法之外，对生长在网膜上的纳米结构，可以通过对支撑点周围网膜的切割有效的实现纳米材料的分离。

2)打开电子束离子束束闸，调整好工作高度与设备状态，在俯视观测角度下，利用1pA的离子束对生长于TEM网栅膜上的含钨纳米材料成像，收集图形后，利用图形发生器，定义相应的离子束扫描区域，即设定多个直线(如图6(b)中未切割的含钨纳米材料64周围的白线所示)，单个线性扫描区域也可用矩形区域代替；最后利用1pA的离子束刻蚀，将纳米材料根部周围的用于支撑纳米材料网膜支撑点周围的连接网膜一一“割断”，失去支撑的纳米结构在重力的作用下倾倒并着陆于衬底上。图6(b)中65为分离后的含钨纳米材料，图6(b)左上角为TEM网栅的整体图片，66为在TEM网栅的整体图片中所放大区域的位置。

对于本领域的技术人员应该知道，TEM网栅具有多孔碳膜，因此该碳膜对其上生长的纳米材料具有承载和支撑的作用，本方法利用离子束将起支撑作用的碳膜切断，使纳米结构在重力作用下逐步倾斜，最终着陆于衬底上，同样实现了本发明的目的，因此除了实施例1所述的方法之外，对生长在多孔碳膜上的纳米结构也可以使用此分离方法。此外，对生长在网栅或网膜结构的网格上的纳米材料，可以采用实施例1所述的方法进行分离.

另外，上述方法还特别适用于分离利用FIB在TEM网栅上生长的纳米材料，这使纳米材料从生长到分离均可在SEM/FIB或单束FIB系统上一次性完成，其不仅避免了对样品的破坏，而且利用SEM/FIB系统本身具有的位置记忆及制作定位记号等功能能够对所关注的单一纳米材料进行一对一、准确无误的分离与测试，缩短了寻找时间，提高了准确性，从而大大降低了成本。

[实施例3]：

利用FIB生长的垂直于硅衬底表面的含钨纳米材料制作接触电极的方法，包括以下步骤：

1)制作电极接触图形：将长有200nm SiO₂的硅衬底在120℃的热板上烘烤半小时，冷却后旋涂光刻胶，光刻后，依次蒸发厚度为10nm及200nm的Cr与Au，剥离后形成电极接触图形块，此为加工后的衬底；

2)生长含钨的纳米材料：将步骤1)加工好的衬底利用导电银胶固定在倾斜角度γ为45°的样品托上，送入SEM/FIB腔体内并固定在样品台上；抽真空并将样品台以y轴为旋转轴，向x轴正方向倾斜7°，使衬底54与离子束入射方向2垂直，如图5(b)所示(系统FIB入射方向与水平面夹角α＝38°)，加热离子束诱导沉积所用的诱导气体注入系统(GIS)的钨源，打开电子束离子束，选择1pA的离子束束流，调整好工作高度与设备状态，找到所需要生长纳米材料的电极接触位置并保存记录其位置，后导入气态钨源，确定离子束扫描区域的尺寸为130nm×130nm，扫描时间为6分钟，镓离子分解含钨的金属有机物分子，形成垂直于样品表面的横截面直径为180nm，长约6μm的含钨纳米材料53，纳米材料生长结束后，关闭钨源阀门并将GIS系统退回原始非工作位置；

3)分离含钨的纳米材料：旋转样品台，使离子束平行于衬底表面入射，如图5(c)所示。调整工作高度与聚焦状态，找到步骤2)中生长的纳米材料并成像，如图7(a)所示，71为含钨纳米材料的FIB图像，72与73分别为其根部与顶部，然后采用图形发生器定义离子束扫描区域74，面积为450nm×300nm(如图中白色虚线所示)，设定扫描时间为120秒，启动离子束扫描对其根部进行切割；分离后着陆于衬底平面的含钨纳米材料SEM俯视图如图7(b)中75所示。

4)制作纳米电极：利用系统对样品位置的记忆功能，快速使样品台回到步骤2)保存过的位置并找到切割后位于衬底表面的纳米材料；选择合适的离子束流后对离子束进行聚焦、采图，定义金属连接线图形的位置与尺寸，引入气态源，开始离子束扫描，沉积金属连接76，最终形成四电极接触结构如图7(b)所示。

作为本发明一个优选的实施例，上述方法突出体现了本发明在采用FIB生长、分离纳米材料，并进行电极制作的应用中一次性完成的优异之处。然而，对于本领域的技术人员应该理解，本发明的另一种更普遍的实现方式为首先将生长在衬底上的纳米材料进行分离，然后采用常规的聚焦离子束诱发的化学气相沉积(FIB-CVD)或电子束光刻技术在切割后的着陆于衬底上的那部分纳米材料上制作接触电极。

采用FIB-CVD技术在切割后的着陆于衬底上的那部分纳米材料上制作接触电极，通常包括以下步骤：

(i)获取被切割后的纳米材料的FIB图像；

(ii)利用设备的图形发生器软件生成需要加工的电极图形大小与位置，引入气态分子源，启动FIB扫描，扫描时形成大的电极接触块和/或连接纳米材料与电极接触块的连接线。

采用电子束光刻技术在切割后的着陆于衬底上的那部分纳米材料上制作接触电极，通常包括以下步骤：

(i)在切割后的纳米材料周围用FIB做好对准记号，将样品放入电子束系统，对选好的待加工电极接触的纳米材料进行精确定位；

(ii)涂覆电子束抗蚀剂，然后进行前烘；

(iii)电子束曝光，显影，定影后形成电极接触图形与连线在电子束抗蚀剂上的转移；

(iv)利用溅射或蒸发镀膜设备在上述步骤制得的样品上，沉积金属材料；

(v)将长有金属的样品在丙酮中浸泡，或加以振动样品，使未曝光区域的金属膜随电子束抗蚀剂一起脱落，最终实现接触电极制作.

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (10)

1.一种分离纳米材料的方法，所述纳米材料为一维纳米材料，所述分离纳米材料的方法包括如下步骤：

1）将纳米材料固定在样品台上，获取所述纳米材料与衬底的夹角；

2）根据所述纳米材料与衬底的夹角，调整衬底与水平面和离子束入射方向之间的夹角；

3）以步骤2）所确定的纳米材料与衬底的位置，对所述纳米材料进行成像，根据成像结果划定切割区域；

4）以步骤2）所确定的纳米材料与衬底的位置，利用离子束对切割区域进行切割扫描，直至纳米材料被切断；

所述步骤2）中，调整夹角时，使得所述离子束入射方向与纳米材料的长轴方向分别位于法线两侧；或者离子束入射方向与纳米材料的长轴方向位于法线同一侧，且离子束入射方向与水平面夹角大于纳米材料长轴方向与水平面夹角，其中定义经过纳米材料且垂直于水平面的平面为工作平面，在工作平面内，垂直于水平面的线为所述法线。

2.根据权利要求1所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤1）中，包括通过初步扫描成像获得纳米材料与衬底的夹角。

3.根据权利要求1所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤2）中，调整夹角时，还使得所述纳米材料不垂直于水平面。

4.根据权利要求3所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤2）中，调整夹角时，还使得所述纳米材料与水平线的夹角在0°～60°范围内。

5.根据权利要求3所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤2）中，调整夹角时，还使得所述离子束入射方向与纳米材料长轴方向的夹角在30°～90°范围内。

6.根据权利要求3所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，所述步骤2）中，调整夹角时，还使得所述离子束入射方向与所述衬底的夹角在30°～90°范围内；或者使得所述离子束入射方向与所述衬底平行。

7.根据权利要求1所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，在所述步骤3）中，所述切割区域位于所述纳米材料的根部，所述根部为纳米材料与衬底的结合部，所述切割区域为矩形区域，所述矩形区域长为所述纳米材料根部横截面长度的2~4倍，宽度为所述纳米材料根部横截面宽度的1~3倍。

8.根据权利要求1所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，在所述步骤4）中，所述离子束的束流为pA到nA的量级。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的分离纳米材料的方法，其特征在于，分离纳米材料的方法利用双束扫描电子显微镜/聚焦离子束系统或单束聚焦离子束系统实现。

10.一种制作纳米电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）利用权利要求1至8中任意一项所述的分离纳米材料的方法对纳米材料进行切割，使得所述纳米材料着陆在所述衬底上；

2）对着陆在所述衬底上的纳米材料进行加工制备成纳米电极。

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