CN102211755B - 基于afm的纳米级电极加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于AFM的纳米级电极加工方法，通过控制AFM探针与样本作用力、探针运动路径及速度对微米级电极进行切割加工，实现电极前端宽度100纳米以内的纳米级电极的加工，增加其在纳流控测试中的检测精度及灵敏度。本发明的纳米级电极加工方法可应用于纳流控芯片中对纳米沟道内流体特性及生物单分子进行高灵敏度检测分析。
Description
技术领域
本发明涉及纳米加工技术领域，具体地说是一种基于AFM的纳米级电极加工方法。
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。
为了开展纳流控研究特别是单分子的检测(DNA快速测序)，宽度在微米量级的电极已很难满足检测要求，如何加工出纳米级电极进行更高灵敏度的检测成为首要解决的问题。目前的芯片制作技术通常采用MEMS(是微机电系统的缩写)工艺，通过气相沉积很难获得尖端100纳米以内的电极。目前，使用AFM加工纳米级电极的方法还没有记载。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于AFM的纳米级电极加工方法，本方法通过控制AFM探针施加的力及探针运动轨迹，对微米电极进行切割操作，实现纳米级电极的加工。
本发明技术方案为：
一种基于AFM的纳米级电极加工方法：控制AFM探针施加的力及运动路径对单根微米电极进行切割操作，加工出具有纳米间隙的一对儿微米电极；接下来利用同样的方法继续对两段微米电极前端分别进行特定路径的切割加工，最终形成前端具有三角形状、宽度小于100纳米的纳米级电极。
所述方法包括以下步骤：
1)确定切割深度与PSD信号关系：所述方法为：对二氧化硅基底在几个不同的PSD电压值(由小到大)分别加工出具有一定深度的纳米沟道，对加工出的纳米沟道扫描成像，测出对应不同PSD信号的深度值，拟合出电压和深度的关系曲线图，进而通过关系曲线确定对应期望深度的电压值；
2)纳米沟道的加工：根据要加工的二氧化硅上的纳米沟道的深度，由拟合出电压和深度的关系曲线图确定要施加的PSD电压值，并使用该值设置恒力模式下悬臂梁偏转要求的PSD电压值进行纳米沟道的加工，探针经过金微米电极处电极被切割成一对儿金微米电极；
3)纳米电极加工路径规划：在切割好的金电极上规划路径，使加工出的电极成三角形。
4)纳米电极的加工：将PSD值设置为略小于步骤1中的PSD值，在规划好路径的电极上恒力接触模式下进行切割，将掉多余部分和纳米电极电分离，即可加工出具有小于100纳米尖端的三角形电极。
所述步骤3)中的规划路径为三角形、梯形和交叉型的一种或几种。
本发明原理是：通过保持垂直方向的PSD信号恒定(即恒力模式下)，使得AFM探针压入基底一定深度，然后沿规划好的路径移动加工出纳米沟道，同时高出基底平面的微米电极也一同被割断，形成具有纳米间隙的微米电极对儿。对微米电极进一步进行精确的路径规划和探针定位切割操作，即能够加工出有纳米隙的自配准的纳米电极对儿。
本发明具有如下优点：
本发明通过控制垂直方向PSD信号和AFM探针的刻划速度，同时进行精确的路径规划和探针定位，可以加工出具有纳米隙的自配准的纳米电极对。这种加工方法具有灵活、简单、易操作性、成本低等优点。加工出的纳米电极可以用于纳流控芯片中的纳米粒子、各种生物分子及其聚合物的计量、尺寸检测和特性测试，也可用于基因DNA片段图谱的快速绘制处理，DNA并行处理芯片等。因而加工具有纳米隙的自配准的纳米电极对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为工作状态示意图；
图2为AFM切割加工示意图；
图3为电压和深度的关系曲线图；
图4-1～4-3为路径规划方案图；
图5为本发明加工的电极的AFM成像图。
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为金电极，4为二氧化硅，5为探针。
1)确定切割深度与PSD信号关系：如图1、图2所示，探针5在基底上加工出纳米沟道7，同时将金电极3分为一对儿，为确定切割深度，首先需确定切割深度与PSD信号关系：对二氧化硅基底在几个不同的PSD电压值下(由小到大)分别加工出具有一定深度的纳米沟道，对加工出的纳米沟道扫描成像，测出对应不同PSD信号的深度值，拟合出如图3所示的电压和深度的关系曲线图；
2)纳米沟道的加工：假设根据要加工的二氧化硅上的纳米沟道的深度20nm，由拟合出电压和深度的关系曲线图确定要施加的PSD电压值2.2V，并在该值下设置恒力接触模式进行纳米沟道7的加工，探针经过金微米电极处电极被切割成一对儿金微米电极3；
3)纳米电极加工路径规划：在切割好的金电极上规划路径，使加工出的电极成近似三角形6。
规划路径可为多种，如规划路径为三角形，加工后示意图如图4-1所示；或梯形，加工后示意图如图4-2所示，或交叉型，加工后示意图如图4-3所示；但不仅仅限于以上几种。
4)纳米电极的加工：将PSD值设置为1.8V，在规划好路径的电极3上恒力接触模式下进行切割，将掉多余部分8和纳米电极6电分离，即可加工出具有小于100纳米尖端的三角形电极6。
图5所示为本发明在4μm宽50nm高金微米电极上按本实施例中的参数加工的具有纳米隙的纳米电极对的AFM成像图。
Claims (1)
1.一种基于AFM的纳米级电极加工方法，其特征在于控制AFM探针施加的力及运动路径对单根微米电极进行切割操作，加工出具有纳米间隙的一对儿微米电极；接下来继续切割，最终形成纳米级电极；
所述方法包括以下步骤：
1)确定切割深度与PSD电压值关系：对二氧化硅基底在由小到大的几个PSD电压值分别加工出具有一定深度的纳米沟道，对加工出的纳米沟道扫描成像，测出对应不同PSD电压值的深度值，拟合出电压和深度的关系曲线图；
2)纳米沟道的加工：根据要加工的二氧化硅上的纳米沟道的深度，由拟合出电压和深度的关系曲线图确定要施加的PSD电压值，并使用该值设置恒力模式下悬臂梁偏转要求的PSD电压值进行纳米沟道的加工，探针经过金微米电极处电极被切割成一对儿金微米电极；
3)纳米电极加工路径规划：在切割好的金电极上规划成三角形路径；
4)纳米电极的加工：将PSD电压值设置为略小于步骤2)中的PSD电压值，在规划好路径的电极上恒力接触模式下进行切割，将多余部分和纳米电极电分离，即可加工出具有小于100纳米尖端的三角形电极。
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