CN102211754A - 基于afm的纳米沟道加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于AFM的纳米沟道加工方法。通过控制AFM探针的伸长距离、探针运动速度及路径，实现在二氧化硅基底上加工出特定深度和宽度的纳米沟道。本发明的纳米沟道加工方法可应用于微流控芯片制造中，通过纳米沟道实现对沟道内流体特性及生物单分子的特性分析。

Description

基于AFM的纳米沟道加工方法

技术领域

本发明涉及纳米加工领域，具体地说是一种基于AFM的纳米沟道加工方法，更具体说是一种基于AFM刻划操作的纳米沟道加工方法。

背景技术

近年来，微流控芯片(Microfluidic chip)技术在疾病诊断、药物筛选、环境检测等领域的研究与应用日益广泛，在降低生物试剂成本、提高效率、改善分析精度，提高生物学、医学研究水平等方面起到了重要作用。随着技术的发展，生物医学研究与应用已开始在分子、DNA、蛋白质层次展开，微流控技术已难以满足在分子水平上对样品进行更小尺度、更小剂量、更高灵敏度的检测分析等需求，因此更小尺度的芯片技术——“纳流控”开始成为新的关注热点。

纳流管道是指尺寸处于原子或分子量级的微小通道，至少有一维尺寸在纳米级。由于可达到超高分辨率和超高灵敏度，纳流管道在流体特性分析、单分子分析、超高速核酸分子测序、分子筛、生物膜离子通道模拟、药物疏运、电池、纳控晶体管等领域显示出重要的潜在应用前景。其中，DNA分析是纳流管道最重要的应用领域之一，例如DNA分子拉伸、分子量和分子长度测定，DNA分离筛选等。研究分析表明，如果具有检测功能的纳米管道尺寸达到DNA分子量级(几个纳米)，则有望提供一种新的快速DNA测序技术。

目前，纳米管道的制作加工技术大多采用了“自上而下”的纳米刻蚀技术，其中聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)刻蚀是普遍应用的加工方法之一。但FIB成本高、效率低，在加工过程中会遇到封装、微-纳管道界面连接、管道阻塞、干扰、测试和检测结构加工等问题，因而降低了纳管道器件的工作可靠性。

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是纳米科学研究中重要的观测和操作工具，具有纳米分辨率和可操控性，采用AFM的探针操控技术可以实现纳米尺度下的推、拉、刻、划等操作。利用探针刻划方法，可以在基底上形成多种形式的纳米凹槽、划线等纳米结构；由于AFM具有广泛环境适应性，也可以实现液体环境活体细胞精细结构的观测，蛋白质、DNA等生物分子的推、拉、成像等纳米操作，已成为分子生物学中重要的分析工具。

目前，纳米级沟道还没有使用AFM的探针操控技术进行加工。采用AFM的探针操控技术加工纳米级沟道时，通过压电陶瓷管(PZT)在垂直方向上的伸长，AFM探针与基底紧密接触产生的接触力一部分使得探针压入基底一定深度，另一部分引起微悬臂梁发生形变偏转，从而引起激光在光电位置检测传感器(PSD)上的位移，位移量由示波器显示出来，并由操作者对PZT进行操控。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于AFM的纳米沟道加工方法。

本发明提出一种在硬的二氧化硅表面上沿某一规划好的路径通过改变压电陶瓷(PZT)在垂直方向上的伸长量以某一确定刻划速度进行纳米沟道加工的方法。

本发明技术方案为：

一种基于AFM的纳米沟道加工方法，包括下列步骤：

1)光电位置检测传感器的敏感度(PSD sensitivity)的标定和被加工材料(二氧化硅)的弹性模量的确定；

2)探针到基底的距离的确定；

3)根据已知期望压入深度，确定PZT伸长量；

4)纳米沟道加工路径规划；

5)基于AFM的纳米沟道机械加工；

所述光电位置检测传感器的敏感度(PSD sensitivity)的标定和被加工材料(二氧化硅)的弹性模量的确定方法为：

通过操控AFM探针垂直方向上的运动在二氧化硅基底上做力曲线，该力曲线显示了PZT垂直伸长量与PSD垂直偏转量的关系，然后通过美国Veeco公司的nanoscope软件可标定出PSD sensitivity；为确定被加工物的弹性模量，首先通过Herz模型计算出约化弹性模量；Herz模型为其中F为悬臂梁弹性回复力，k为悬臂梁弹性系数，s为PSD sensitivity，v为力曲线PSD垂直方向偏转电压信号，R为AFM探针半径，δ为AFM探针压入基底深度；k、R已知，v、δ和s可由力曲线导出，因而可确定约化弹性模量E^*；再根据公式

可进一步求出被加工材料的弹性模量E_substrate，式中E_tip为AFM探针弹性模量，ν_tip为探针泊松比，E_tip为基底材料的弹性模量，ν_substrate为基底材料的泊松比。

所述探针到基底的距离的确定方法为：

逐渐增加PZT在垂直方向上的伸长量(每次固定增加5-10nm)并记录增加次数，直到示波器上显示的AFM的光电位置检测传感器(PSD)振幅信号由500mV以上变为只有十几个毫伏；此时，探针与基底表面已十分接近，记录下PZT总的伸长量(该量为探针与基底表面的间隔距离)，并将AFM探针抬起回到PZT伸长前位置；

所述根据已知期望压入深度，确定PZT伸长量的方法为：

由Herz模型计算期望压入深度需要的PSD偏转信号v，进而确定PZT伸长量s×v+δ；

所述纳米沟道加工路径规划方法为：

在二氧化硅基底的AFM扫描图像的期望位置规划一条纳米沟道路径；

所述基于AFM的纳米沟道机械加工方法为：

恒高接触模式下设置PZT伸长量，将AFM探针移动到规划好的路径起点，沿规划好的路径移动探针即可加工出纳米沟道。

本发明原理是：通过示波器确定初始探针到基底的距离，并根据要加工的纳米沟道深度确定PZT需要伸长的长度。在刻划过程中保持PZT伸长量不变(恒高模式)使得AFM探针压入基底一定深度，然后沿规划好的路径移动，即能够加工出具有纳米深度和纳米宽度的沟道。

本发明具有如下优点：

本发明通过控制PZT在垂直方向上的伸长量和探针的刻划速度，可以得到期望深度和长度的纳米沟道。这种加工方法具有灵活、简单、易操作性、成本低等优点。加工出的纳米管道可以用于纳米粒子、各种生物分子及其聚合物的计量、尺寸检测和特性测试，基因DNA片段图谱的快速绘制处理，DNA并行处理等芯片或装置；也可以构成极微量药物输送与释放装置，超高分辨率生物传感器；并且是动电学(electro-kinetic phenomena)研究的一种有效工具。因而加工纳米沟道并构建纳米管道芯片具有十分重要的科学意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明工作示意图；

图2为实施例的二氧化硅基底上的力曲线图；

图3为纳米沟道的AFM图像。

具体实施方式

本发明工作状态如图1所示，1为PZT，2为AFM悬臂梁，3为二氧化硅，4为硅，5为探针。

实施例：

1)光电位置检测传感器的敏感度(PSD sensitivity)的标定和被加工材料(二氧化硅)的弹性模量的确定：

在二氧化硅基底上做力曲线，如图2所示，横坐标为PZT垂直伸长量，纵坐标为PSD垂直偏转量，由该曲线使用美国Veeco公司的nanoscope软件标定出PSD sensitivity，s＝56.13nm/V；使用Herz模型：

F为悬臂梁弹性回复力，k＝40N/m，R＝25nm，s×v为4.39nm，δ为6nm，再根据

E_tip假定为无穷大，ν_substrate为0.12，计算出E^*＝1.79GPa，被加工材料的弹性模量E_substrate为1.77Gpa；

2)探针到基底的距离的确定：逐渐增加PZT在垂直方向上的伸长量，每次固定增加5nm并记录增加次数，直到示波器上显示的AFM的光电位置检测传感器(PSD)振幅信号由502mV变为12mV；此时，探针与基底表面已十分接近，记录下PZT总的伸长量70nm，并将AFM探针抬起回到PZT伸长前位置；

3)已知期望压入深度δ_e为20nm，由Herz模型

其中δ＝δ_e，将E^*＝1.79GPa代入Herz模型，计算出期望压入深度需要的PSD偏转信号s×v＝s×v₁＝26.68nm，进而确定PZT伸长量s×v1+δ_e＝46.68nm；

4)纳米沟道加工路径规划：在二氧化硅基底的AFM扫描图像的期望位置规划一条纳米沟道路径；

5)基于AFM的纳米沟道机械加工：设置PZT伸长量116.68nm，将AFM探针移动到规划好的路径起点，沿规划好的路径移动探针即可加工出纳米沟道。

加工好的PZT伸长量116.68nm的纳米沟道AFM图像如图3所示。

需要说明的是：在“探针到基底的距离的确定”步骤中，逐渐增加PZT在垂直方向上的伸长量，每次固定增加5-10nm均可，并记录增加次数，直到示波器上显示的AFM的光电位置检测传感器(PSD)振幅信号由500mV以上变为10～20mV，此时探针与基底表面已十分接近。

Claims (6)

1.一种基于AFM的纳米沟道加工方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)光电位置检测传感器的敏感度(PSD sensitivity)的标定和被加工材料(二氧化硅)的弹性模量的确定；

2)探针到基底的距离的确定；

3)根据已知期望压入深度，确定PZT伸长量；

4)纳米沟道加工路径规划；

5)基于AFM的纳米沟道机械加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光电位置检测传感器的敏感度(PSD sensitivity)的标定和被加工材料(二氧化硅)的弹性模量的确定方法为：

通过操控AFM探针垂直方向上的运动在二氧化硅基底上做力曲线，该力曲线显示了PZT垂直伸长量与PSD垂直偏转量的关系，然后通过美国Veeco公司的nanoscope软件可标定出PSD sensitivity；为确定被加工物的弹性模量，首先通过Herz模型计算出约化弹性模量；Herz模型为

其中F为悬臂梁弹性回复力，k为悬臂梁弹性系数，s为PSD sensitivity，v为力曲线PSD垂直方向偏转电压信号，R为AFM探针半径，δ为AFM探针压入基底深度；k、R已知，v、δ和s可由力曲线导出，因而可确定约化弹性模量E^*；再根据公式

可进一步求出被加工材料的弹性模量E_substrate，式中E_tip为AFM探针弹性模量，v_tip为探针泊松比，E_tip为基底材料的弹性模量，v_substrate为基底材料的泊松比。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述探针到基底的距离的确定为：

逐渐增加PZT在垂直方向上的伸长量(每次固定增加5-10nm)并记录增加次数，直到示波器上显示的AFM的光电位置检测传感器(PSD)振幅信号由500mV以上变为10～20mV；此时，探针与基底表面已十分接近，记录下PZT总的伸长量(该量为探针与基底表面的间隔距离)，并将AFM探针抬起回到PZT伸长前位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述根据已知期望压入深度，确定PZT伸长量的方法为：

由Herz模型计算期望压入深度需要的PSD偏转信号v，进而确定PZT伸长量s×v+δ。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纳米沟道加工路径规划方法为：

在二氧化硅基底的AFM扫描图像的期望位置规划一条纳米沟道路径。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基于AFM的纳米沟道机械加工方法为：

恒高接触模式下设置PZT伸长量，将AFM探针移动到规划好的路径起点，沿规划好的路径移动探针即可加工出纳米沟道。

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