CN106908623A - 精密测量加速度的单分子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密测量加速度的单分子装置及方法。本发明是利用机械可控裂结(MCBJ)技术、微纳加工工艺和分子自组装技术实现的。可运用于分子电子学、传感测量、及航空航天领域。利用微纳加工技术制作纳米电极芯片，利用MCBJ装置构筑间隙可控的单分子结，通过测量纳米粒子在纳米间隙中位置的相对移动而导致的隧穿电流的变化，精密测量对应的加速度值。由于隧穿电流值对隧穿距离的变化极其敏感(隧穿距离每变化0.1纳米，对应的隧穿电流可以变化1个数量级)，因此可以通过测量隧穿电流的变化，实现对不同加速度的精确探测。扩展了单分子器件的应用范围，为单分子器件的发展和分子电子学的发展提供了有价值的参考。

Description

精密测量加速度的单分子装置
技术领域
本发明属于一种构筑纳米点电极对弹性单分子结装置测量加速度的方法，具体涉及分子电子学，微纳电子学，运动物理学等领域。
背景技术
分子电子学的迅速发展使得社会生活日趋微型便利化，其应用范围也越来越广。单分子的相关研究越来越深入，以分子为单位构筑的电子器件越来越多的被研究出来。用以研究单分子性质的单分子结的构筑方法也有很多，其中，机械可控裂结(MCBJ)技术以良好的稳定性和精密可控性优点得到广泛应用，所产生的分子结广泛应用于分子开关、分子整流器、分子二极管等分子电子器件的研究与制造。通过多识别位点单体的组装，以及各种弱相互作用可以发生分子间或分子与界面间的组装，而这种不受外力的自行聚集、组织成规则结构的分子自组装技术已被广泛运用于构建纳米材料器件中。同样，本发明利用分子自组装技术将弹性分子(双乙硫醇)组装到金电极上，然后利用电化学沉积技术将其中一端电极沉积一层金以覆盖此端电极上组装上去的分子，使得组装上去的分子只出现在另一端金电极上，同时也能够改善导电接触阻抗，增进信号传输。
目前，在物理学领域，对加速度的测量除了实验上的操作方法外，实际应用中多使用加速度传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成，在传感器加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值，通常为电容式、电感式、应变式、压阻式和压电式等，这些加速度传感器能够测到的加速度值不会很小，当需要测量一些极小的加速度值时，它们并不能提供帮助，而弹性分子结内的金纳米粒子质量较小，受惯性力作用产生的位移也较小，产生的隧穿电流的变化较明显，能够对极小的加速度较敏感。
为解决极小加速度测量的问题，本发明提出了在芯片上利用弹性分子结隧穿电流的变化测量极小加速度的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过测量分子结内隧穿电流的变化，从而测量外部加速度的单分子加速度计装置。利用MCBJ装置、分子自组装技术产生稳定的弹性分子结，并通过弹性分子自身的压缩与扩张性质检测结内隧穿电流变化，最终实现确定外部的加速度。
本发明采用的技术方案是：
一种利用分子结隧穿电流的变化测量外部加速度的方法，其特征在于，包括机械可控裂结(MCBJ)装置、弹性钢片、绝缘层(聚酰亚胺)、电极(金)层、沉积层(金)、弹性分子(双乙硫醇)和金纳米粒子：所述弹性钢片、绝缘层(聚酰亚胺)、电极(金)层和沉积层(金)制作形成分子结的芯片；弹性分子(双乙硫醇)和金纳米粒子则用于形成分子结和产生隧穿电流；MCBJ装置可连续弯曲芯片形成固定间隙的分子结。
所述MCBJ装置具有优良的稳定性和较大的衰减因子，滑块的位移量很大而芯片的弯曲量被衰减到很小，纳米电极间的间隙大小可精确调控，形成的分子结稳定性也较高。
所述弹性钢片、绝缘层(聚酰亚胺)、电极(金)层和沉积层(金)制作形成分子结的芯片由于使用弹性钢片作为基底，能够弯曲形变也能够复原，可以重复利用。而绝缘层(聚酰亚胺)一方面隔离基底和电极，另一方面在反应离子刻蚀获得悬空金电极对时作为牺牲层。
所述金纳米粒子一端连接弹性分子(双乙硫醇)，在整套装置运动的过程中由于外力和金纳米粒子惯性的影响会产生类似弹簧的形变压缩或者扩张从而使得金纳米粒子与金电极之间间距改变而隧穿电流发生相应变化。
本发明所述测量芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用电子束曝光(EBL)技术将弹性钢片、绝缘胶(聚酰亚胺)和金层制作成带有无间隙金电极的芯片。
(2)利用反应离子刻蚀技术获得悬空的金电极。
(3)利用MCBJ装置将芯片上的电极崩断并产生间隙为14nm的悬空电极对。
(4)利用自组装技术将长度约1.2nm的弹性分子(双乙硫醇)组装到两端金电极上。
(5)利用电化学沉积工艺在一端金电极上沉积一层厚度约10nm的金层以覆盖组装到此端电极上的分子。
(6)将直径约2nm的金纳米粒子吸附到弹性分子(双乙硫醇)与沉积金电极之间。
本发明所述芯片的测试方案，包括如下步骤：
将芯片置于MCBJ装置上，驱动MCBJ装置滑块左右滑动，其上的芯片因受力发生向上弯曲，在此同时检测通过电极对的电流变化以确定金纳米粒子是否与镀金电极端产生间隙，当测量的电流值显示有突然地下降时，固定MCBJ装置滑块，使芯片处于金纳米粒子一端与沉积金层电极有固定间隙，而另一端通过弹性分子与金电极相连的状态。此时施加一个加速度使整套装置运动，同时监测弹性分子结内隧穿电流的变化，不同的加速度对应于不同的隧穿电流数值，可以反复多次测量并描绘出隧穿电流与加速度之间的拟合曲线，反过来，就可以通过测量装置内分子结的隧穿电流大小确定运动物体加速度的数值。
本发明优点和有益效果：
(1)本发明是利用弹性分子(双乙硫醇)和金纳米粒子形成弹性分子结，克服了一般分子无法由于自身的性能而改变结内隧穿电流的问题。
(2)本发明利用MCBJ装置制作带有弹性分子结的芯片，芯片的电极间隙可精确调控，也就意味着可以测量不同范围的小加速度。
附图说明
为了使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
图1为机械可控裂结(MCBJ)装置图；
图2为弹性钢片示意图；
图3为弹性钢片上旋涂绝缘层示意图；
图4为在图3基础上利用电子束曝光(EBL)技术制作出的金电极示意图；
图5为在图4基础上利用反应离子刻蚀技术在绝缘层上刻蚀一个凹槽；
图6为将制作成的芯片置于机械可控裂结装置(MCBJ)上；
图7为利用MCBJ装置将芯片上的电极崩断并产生间隙为14nm的悬空电极对；
图8为在图7基础上利用分子自组装技术将分子组装到电极上；
图9为在图8基础上利用电化学沉积技术在一端金电极上沉积约10nm的金层；
图10为在图9基础上将金纳米粒子吸附到弹性分子与沉积金电极之间；
图11为MCBJ装置驱动下形成金纳米粒子与沉积金电极间具有一定间隙的弹性分子结示意图；
图12为外部施加加速度后弹性分子结内部变化示意图；
附图标记：1、MCBJ装置底座 2、MCBJ装置滑块 3、MCBJ装置支撑柱 4、MCBJ装置固定块 5、测量芯片 6、弹性钢片 7、聚酰亚胺绝缘层 8、金电极 9、沟槽 10、弹性分子(双乙硫醇) 11、沉积金层 12、金纳米粒子
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。
在弹性钢片(0.2mm×12mm×44mm)(图2)上旋涂一层约2um厚的聚酰亚胺绝缘层(图3)，同时在反应离子刻蚀过程中也作为牺牲层。利用EBL技术在绝缘层上方制作出无间隙的金电极(图4)，使用反应离子刻蚀技术在绝缘层上刻蚀一个凹槽获得悬空的金电极(图5)，将制作好的芯片放置到MCBJ装置上(图6)，滑动装置滑块，卡在其上的芯片因受力发生向上弯曲，利用MCBJ装置将芯片上的电极崩断并产生间隙为14nm的悬空电极对(图7)，使用分子自组装技术将弹性分子(双乙硫醇)组装到金电极上(图8)，使用电化学沉积技术在一端金电极上沉积一层厚度约10nm的金(图9)，将直径约2nm的金纳米粒子吸附组装到双乙硫醇分子和沉积金层电极之间(图10)。移动MCBJ装置滑块，检测通过电极对的电流变化以确定金纳米粒子是否与一端电极产生间隙，当测量的电流值显示有突然地下降时，固定MCBJ装置滑块，此时芯片处于金纳米粒子与一端沉积金电极有间隙，而另一端通过弹性分子(双乙硫醇)与金电极相连的状态(图11)，芯片上电极对之间形成弹性单分子结。外部施加一个加速度使整个装置运动起来，此时结内金纳米粒子由于自身惯性力的影响和分子的弹性影响而产生一定的位移，而金纳米粒子与沉积金电极间距发生变化(图12)，测量弹性分子结内隧穿电流的变化，不同的加速度下对应于不同的隧穿电流，通过多次测量可以得到拟合关系曲线，反过来，就可以通过测量装置内分子结隧穿电流大小确定运动物体加速度的数值。
本发明相关的说明：
本发明中公开的任一加工过程和使用材料、分子等，除特殊叙述外，可以被其他等效或者类似的加工手段和替用材料或者分子替换，除特殊说明，加工工具和使用材料只是具有等效或者类似功能工具材料的一个例子。

Claims (5)

1.一种精密测量加速度的单分子装置，其特征在于，包括机械可控裂结(MCBJ)装置、弹性钢片、绝缘层(聚酰亚胺)、电极(金)层、沉积层(金)、弹性分子(双乙硫醇)和金纳米粒子；所述弹性钢片、绝缘层(聚酰亚胺)、电极(金)层和沉积层(金)制作形成分子结的芯片；弹性分子(双乙硫醇)和金纳米粒子则用于形成弹性分子结和产生隧穿电流；MCBJ装置可连续弯曲芯片以调节芯片纳米间隙大小。
2.根据权利要求1所述的精密测量加速度的单分子装置，其特征在于，所述MCBJ装置具有优良的稳定性和较大的衰减因子，滑块位移量很大而芯片的弯曲量被衰减到很小，纳米电极间的间隙大小可精确调控，形成的分子结稳定性也较高。
3.根据权利要求1所述的精密测量加速度的单分子装置，其特征在于，所述弹性钢片、绝缘层(聚酰亚胺)和电极(金)层制作形成分子结的芯片由于使用弹性钢片作为基底，能够弯曲形变也能够复原，可以重复利用。而绝缘层(聚酰亚胺)一方面隔离基底和电极，另一方面在反应离子刻蚀获得悬空金电极时作为牺牲层。
4.一种精密测量加速度的单分子结芯片，其特征在于，所述金纳米粒子一端连接弹性分子(双乙硫醇)，在整套装置运动的过程中由于外力和金纳米粒子惯性的影响会产生类似弹簧的形变压缩或者扩张从而使得金纳米粒子与金电极之间间距改变而隧穿电流发生相应变化。
5.一种精密测量加速度的单分子装置测量外部加速度的方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
利用电子束曝光(EBL)技术将弹性钢片、绝缘胶和金层制作成带有无间隙金电极的芯片，利用反应离子刻蚀技术获得悬空的金电极，将芯片置于MCBJ装置上，驱动MCBJ装置滑块左右滑动，其上的芯片因受力发生向上弯曲，利用MCBJ装置将芯片上的金电极崩断并产生间隙为14nm的悬空电极对，利用自组装技术将弹性分子(双乙硫醇)组装到两端电极上，利用电化学沉积工艺在一端金电极上沉积一层金以覆盖组装到此端电极上的分子，再将金纳米粒子吸附到弹性分子(双乙硫醇)与沉积金电极之间。再次驱动MCBJ装置滑块左右滑动，在此同时检测通过电极对的电流变化以确定金纳米粒子是否与一端电极产生间隙，当测量的电流值显示有突然地下降时，固定MCBJ装置滑块，使芯片处于金纳米粒子一端与沉积金层电极有固定间隙，而另一端通过分子与金电极相连的状态。此时施加一个加速度使整套装置运动，同时监测弹性分子结内隧穿电流的变化，不同的加速度对应于不同的隧穿电流数值，可以反复多次测量并描绘出隧穿电流与加速度之间的拟合曲线，反过来，就可以通过测量装置内分子结的隧穿电流大小确定运动物体加速度的数值。
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