CN102205944B

CN102205944B - 一种微纳结构制造装置及方法

Info

Publication number: CN102205944B
Application number: CN 201110097248
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 李好义; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: CN102205944A

Abstract

本发明公开了一种微纳结构制造装置及方法，属于微纳制造领域，主要包括原子笔、镀液、原子笔架、原子力显微检测系统、阴极平台、微动工作台、微电量供电电源，其中装有镀液的原子笔固定在原子笔架上，原子笔架同原子力显微检测系统一体化连接，并对其进行粗定位和精确定位，阴极平台和微动工作台固定连接，阴极平台和微动工作台之间用绝缘材料隔开，原子笔芯和微电量供电电源的正极连接，阴极平台和微电量供电电源的负极连接。本发明由于微电量供电电源以及碳纳米管的应用使得原子组装、原子团沉积三维微纳成型变得更加简易、精确，该装置及对应成型方法对于微纳器件的精确制造、微/纳机电的进步、量子器件的研制都具有一定的意义。

Description

一种微纳结构制造装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微纳制品成型装置及其成型方法，属于微纳器件成型领域。

背景技术

随着纳米技术的发展，微纳米系统、微纳米尺度零件及相关产品的需求

越来越多。无论是微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)零件的加工，还是微纳米功能结构的构造，都离不开微纳结构制造加工技术，随着前沿技术的不断突破，新的加工方法的不断产生和改进，极限制造技术必然成为现代加工技术的重点发展方向。

目前微结构加工技术主要包括LIGA技术、三束（电子束、离子束、光子束）微加工技术、微细电火花加工技术、分子自组装、纳米微压印、生物制造技术、微小机床加工技术及扫描探针显微技术等。其中除了双光子加工技术、快速成型技术(RPM)及超精密微型机床的微加工技术外，其它技术只能用于二维或准三维微结构加工，但它们都存在纵向加工尺度精确控制能力差的问题；双光子加工技术所用的设备昂贵，操作复杂，加工精度有限，在微纳米结构加工应用中，还有待进一步研究；RPM对使用的材料有一定的限制，另外它采用的是能量束加工方法，限制了其加工表面质量的提高；而微型高精度超精密机床的微加工技术，虽然不受材料的限制，但它受到机床制造精度及刀具尺寸和精度的限制，因此目前这种方法在加工三维结构的零件尺度方面，仍然处在微米到亚微米量级，不能达到纳米量级。

背景技术

在此处键入技术领域描述段落。

发明内容

本发明提出了一种微纳结构制造装置及方法，该方法利用电化学沉积原理，通过对还原离子量的控制实现微量原子团或者原子在阴极平台的沉积，特别是单电子晶体管器件的使用，可实现单个金属离子的还原和沉积，通过使用原子笔及微动工作台，保证了原子尺度上复杂三维结构的精确成型。

本发明一种微纳结构制造装置，主要由原子笔、镀液、原子笔架、原子力显微检测系统、阴极平台、微动工作台、微电量供电电源组成，其中装有镀液的原子笔固定在原子笔架上，用以支撑原子笔，原子笔架同原子力显微检测系统固定连接成一体，阴极平台和微动工作台固定连接，阴极平台和微动工作台之间用绝缘材料隔开，原子笔芯和微电量供电电源的正极连接，阴极平台和微电量供电电源的负极连接。

本发明一种微纳结构制造装置，其中原子笔作为电化学作用中的阳极，通过连接微电量供电电源的正极，为原子笔中的镀液阳离子提供单个或多个电子，原子笔笔筒可使用石墨电极或其它导电材料，根据沉积量的不同可以在原子笔笔筒端部加工微孔，也可以在笔筒上安装微细金属针头，也可以在笔筒的微孔端组装碳纳米管，碳纳米管要求末端开口，也可以用超细碳纤维、超细金属导线或电导性的原子探针作为原子笔笔芯；特别的，可以在笔筒一端安装碳纳米管阵列，实现微纳米三维结构的批量生产或者重复结构件的快速成型。

本发明一种微纳结构制造装置，其中镀液可以是金属或者金属合金的碱性或者酸性溶液，一般使用铜、镍、钴、铝、铂、锌、金、银、镍钴合金、镍钨合金等的酸性或碱性溶液。

本发明一种微纳结构制造装置，其中阴极平台连接微电量供电电源的负极，并安装在微动工作台上，阴极平台用于接收原子笔上被还原的原子或原子团，是三维微纳成型的基体材料，阴极平台可使用硅板或其它精细导电材料，其表面粗糙度要求达到亚纳米级。

本发明一种微纳结构制造装置，其中微电量供电电源为单电子晶体管及其它分子器件组成的集成电路，用于实现微电量的提供以及对单个电子的控制，为原子笔和阴极平台的电化学还原体系提供微电量。

本发明一种微纳结构制造装置，其中微动工作台用于带动阴极平台实现纳米到亚纳米级的微动，实现三维造型。微动工作台可以是三维微动工作台，也可以是直线微动单元模块的组合平台，微动的实现可以是精密压电元件或是气浮直线导轨或其它能实现微纳米以及亚纳米精度的运动平台。

本发明一种微纳结构制造装置，为了封闭加工环境的实现，在整个装置外部加装密封腔体，腔体外壁包覆电磁屏蔽材料，为加工环境隔离外部电磁干扰，为便于观察电磁屏蔽材料可以为透明的，对于原子堆积加工精度易受到空气影响的情况下，该腔体可以实现抽真空，提供真空操作环境，保证加工过程不受空气的干扰。

本发明一种微纳结构制造装置，为了实现微纳米加工甚至原子组装，避免微小的振动对加工精度的影响，可以将装有装置整体的密封腔固定在精密隔振平台上，使用隔振平台可以屏蔽外界环境引起的微小振动。

本发明一种微纳结构制造装置其对应的成型方法，是先取出阴极平台进行净化处理，使表面高度光洁，然后将其安装在密封腔内的微动工作台上；在原子笔内补充微量镀液，利用毛细原理使用诱导装置将镀液引流到原子笔笔芯尖端，控制原子笔架和微动工作台移动使原子笔笔芯尖端和阴极平台中心刚好接触；打开微电量供电电源，控制开关频率和电量，微电量供电电源为原子笔笔芯尖端每提供一个或多个电子，镀液中就会有一个或多个金属离子被还原成原子或原子团，最终沉积在阴极平台上；通过微动工作台的运动和供电电量和开关间隔的配合就可以实现原子或原子团的堆积，实现微纳米三维结构的精确成型，同时和原子笔架一体的原子力显微检测系统可以实现微纳结构的实时检测，实现对微动工作台的精确闭环控制。

本发明一种微纳结构制造装置对应的成型方法，其中原子力显微检测系统可以以原子笔笔芯碳纳米管为探针，通过光束偏转法，或者基于碳纳米管接触式测量时弯曲位移检测的其它方法，检测碳纳米管或碳纳米管悬臂变形，实现对微纳米级、亚纳米级结构的实时检测，对原子笔笔架及微动工作台反馈动作指令。

本发明一种微纳结构制造装置对应的成型方法，该方法优势不但在于原子级别的可控沉积，还可以通过选择不同大小原子笔笔芯、不同控制精度三维微动平台、不同测量精度的实时显微检测设备，实现复杂的微米结构、纳米结构、纳米电路、分子导线等微纳结构或器件的多尺度复杂成型。

本发明由于微电量供电电源的使用，将传统的电化学沉积原理引入到微纳米制造及原子组装领域，同时碳纳米管的应用，以及碳纳米管镀液运输和纳米探针的双重功能一体化，使得原子组装、原子团沉积三维微纳造型变得更加简易、精确，该装置及方法对于微纳器件的精确制造、微/纳机电的进步、量子器件的研制都具有一定的意义。

发明内容

在此处键入技术领域描述段落。

附图说明

图1是本发明一种微纳结构制造装置的剖视放大示意图。

图2是图1所示A处结构的放大图。

图3是原子笔的一种碳纳米管阵列式原子笔结构。

图中：1-原子笔；2-镀液；3-原子笔架；4-原子力显微检测系统；5-阴极平台；6-微动工作台；7-微电量供电电源；8-密封腔；9-精密隔振平台；10-原子笔笔芯；11-原子笔笔芯连接件；12-原子笔笔筒；13-碳纳米管阵列式原子笔笔筒。

具体实施方式

本发明一种微纳结构制造装置，如图1~2所示的示意图，主要包括原子笔1、镀液2、原子笔架3、原子力显微检测系统4、阴极平台5、微动工作台6、微电量供电电源7，其中装有镀液的原子笔1固定在原子笔架3上，用以支撑原子笔1，原子笔架3同原子力显微检测系统4一体化连接，并对其进行粗定位和精确定位，阴极平台5和微动工作台6固定连接，阴极平台5和微动工作台6之间用绝缘材料隔开，原子笔笔芯10和微电量供电电源7的正极连接，阴极平台5和微电量供电电源7的负极连接。

本发明一种微纳结构制造装置对应的成型方法，是先对阴极平台5进行净化处理，使表面高度光洁，然后将其安装在密封腔8内的微动工作台6上；在原子笔筒12内补充微量镀液2，利用毛细原理使用诱导装置将镀液2引流到原子笔笔芯10尖端，控制原子笔架3和微动工作台6使原子笔笔芯10和阴极平台5中心刚好接触；打开微电量供电电源7，控制开关频率和电量，微电量供电电源7为原子笔2每提供一个或多个电子，镀液中就会有一个或多个金属离子被还原成原子或原子团，通过原子笔笔芯10的尖端沉积在阴极平台5上；通过微动工作台6的运动和供电电量及开关间隔的配合进行原子或原子团的直线排列堆积，最终得到多个原子直线排列的原子线。

Claims

1.一种微纳结构制造装置，其特征在于主要包括原子笔、镀液、原子笔架、原子力显微检测系统、阴极平台、微动工作台、微电量供电电源，其中装有镀液的原子笔固定在原子笔架上，原子笔架同原子力显微检测系统固定连接成一体，阴极平台和微动工作台固定连接，阴极平台和微动工作台之间用绝缘材料隔开，原子笔为导电材料，在原子笔笔筒端部加工微孔，原子笔笔芯为在笔筒上安装的微细金属针头，原子笔笔芯和微电量供电电源的正极连接，阴极平台和微电量供电电源的负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于，原子笔使用石墨电极，在原子笔笔筒端部加工微孔，原子笔笔芯由在原子笔笔筒的微孔端组装的碳纳米管代替，管末端开口；或原子笔笔芯由超细碳纤维原子探针代替。

3.根据权利要求1所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于，镀液是金属或者金属合金的碱性或者酸性溶液。

4.根据权利要求3所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于，镀液的金属为铜、镍、钴、铝、铂、锌、金或银；金属合金为镍钴合金或镍钨合金。

5.根据权利要求1所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于，阴极平台使用硅板制造，其表面粗糙度达到纳米级或亚纳米级。

6.根据权利要求1所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于，微电量供电电源为单电子晶体管及其它分子器件组成的集成电路，可实现微电量的提供以及对单个电子的控制，为原子笔和阴极平台的电化学还原体系提供微电量。

7.根据权利要求1所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于，微动工作台是三维微动工作台，或是直线微动单元模块的组合平台，微动是由精密压电元件或是气浮直线导轨或其它能实现微纳米以及亚纳米精度的运动平台实现的。

8.根据权利要求1所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于，在整个装置外部加装密封腔体，腔体外壁包覆电磁屏蔽材料，密封腔固定在精密隔振平台上。

9.权利要求8所述的一种微纳结构制造装置对应的成型方法，其特征在于，先取出阴极平台进行净化处理，使表面高度光洁，然后将其安装在密封腔内的微动工作台上；在原子笔内补充微量镀液，利用毛细原理使用诱导装置将镀液引流到原子笔笔芯尖端，控制原子笔架和微动工作台移动使原子笔笔芯尖端和阴极平台中心接触；打开微电量供电电源，控制开关频率和电量，微电量供电电源为原子笔笔芯尖端每提供一个或多个电子，镀液中就会有一个或多个金属离子被还原成原子或原子团，最终沉积在阴极平台上；通过微动工作台的运动和供电电量及开关间隔的配合就可以实现原子或原子团的堆积，实现微纳米三维结构的精确成型，同时和原子笔架一体的原子力显微检测系统可以实现微纳结构的实时检测，实现对微动工作台的精确闭环控制。

10.根据权利要求9所述的一种微纳结构制造装置对应的成型方法，其特征在于，原子力显微检测系统以原子笔笔芯碳纳米管为探针，通过光束偏转法，或者基于碳纳米管接触式测量时弯曲位移检测的方法，检测碳纳米管或碳纳米管悬臂变形，实现对微纳米级、亚纳米级结构的实时检测，对原子笔笔架及微动工作台反馈动作指令。