CN1249398C - 采用细长导电体之间的隧道效应电流的测量方法 - Google Patents

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Abstract

测量和/或监测两个元件的相对位置或位移的装置，包括：一对细长的导电体(10，11)，被用来与相应的元件相关联；以及用于以一种相互间隔的方式设置这些导电体的部件，这样，当在所述导电体之间施加一个电势差时，它们之间会产生一个可探测的量子隧道效应电流。

Description

采用细长导电体之间的隧道效应电流的测量方法
本发明所属技术领域
本发明涉及一种细微的相对位置或位移的精确测量和监测方法，例如转动或角度的间距或位移，振动，线性间距或平移，对准和不对准。尤其是，但不仅限于角度的测量方法。
背景技术
设计用于角度的超精确测量的已知装置包括自动准直仪，基于衍射的系统以及基于齿轮的系统。自动准直仪采用角度偏移的测量方法来确定出例如平直度，平面度，垂直度和平行度。流行的方式采用激光二极管光源和分光镜，并且在目镜观察系统中结合测微计以便精确测量出角位移。对于一个160弧度秒的测量范围而言，通常的最佳精确度为0.2弧度秒。
在已知的角度计类型的装置中，一对径向格栅以一个均匀的速度同步转动并且被一对读取头扫描。其中一个读取头是固定的，而另一个读取头移动通过所要测量的角度。在所得到的两个信号之间的相对相位改变指示出了可移动的读取头相对于固定读取头的转动量。所达到的精确度据说为0.1弧度秒。
这些现有装置相当昂贵且体积巨大。它们常常是其他科学仪器如衍射仪的关键部件，这里，角度的精确测量决定仪器的分辨率和质量。
角度测量的精确度是Zhang等人在“用光栅来提高角度测量系统的精确度”一文，Annals of CIRP Vol.43.No.1(1994)的主题。该文献提出了采用具有正弦函数透射率的分度光栅以及其它提高精度的装置，并且公开了样机装置的精确度为0.2弧度秒。
本发明的一个目的在于，提供相对位置或位移的细微测量和监测方法，该相对位置或位移可以是角度的，线性的或其它，以获得比现有装置和技术所获得的精确度更高的精确度。
发明概述
本发明提出了一种与以前所采用的方法完全不同的方法，该方法需要探测出两个邻近的、优选为纳米尺寸的导电体之间的量子隧道效应电流。在一个优选的实施方案中，可以采用两排对准的导电体，并且这些导电体最好是碳纳米管。
因此本发明的第一方面提供一种测量和/或监测两个元件的相对位置或位移的方法，包括：
将元件与相应的细长导电体相关联；
以尽可能接近且对准的方式相互间隔地设置导电体，施加一个电势差，从而在它们之间产生一个可探测的量子隧道效应电流；并且
探测和/或测量出所述量子隧道效应电流。
最好调整导电体的相对位置以确定出探测到最大量子隧道效应电流的那个位置。
在第二方面，本发明提供一种用于测量和/或监测两个元件的相对位置或位移的装置。该装置包括一对用于和相应元件相关联的细长导电体，以及用于以相互平行的关系尽可能对准地且相互间隔地设置这些导电体的部件，这样当在这些导电体之间施加一个电势差时，可以在它们之间产生可探测的量子隧道效应电流。
该装置还可以包括施加所述电势差的部件，以及探测和/或测量导电体之间的量子隧道效应电流的装置。
该装置最好还包括调整导电体相对位置关系以确定出探测到最大量子隧道效应电流的那个位置的部件。
该位置或位移可以是转动或角度的间距或位移，振动，线性距离或平移，对准或不对准中的一种或多种。
该导电体的宽度最好是1微米或更小，例如在一个或多个实施例中，该宽度在纳米级到亚微米级范围。在后者的情况中，该导电体可以是任何螺旋状或辐射状的碳纳米管，可以是单壁或多壁的碳单丝或纳米导线。或者该导电体可以是，例如微米到亚微米的准一维导电体。在某些实施例中，该导电体长度可以是1mm或更小。
该导电体与前述元件可以通过安装在一个绝缘或半导电体基片上或中而相关联，最好与基片表面齐平。该基片可以是固体或晶体面。该导电体可以沿着邻接面上的相应原子阶梯叠放。
导电体最好被放置在导电体片段的相应的有序格栅或阵列中，从而相应阵列的交叉点限定了静电散射井的格子。优选用导线并联连接，例如通过单根电源线，该格栅或阵列是互补和叠置的，以便将导电体片段设置得足够接近，从而可以获得可探测的量子隧道效应电流。
附图说明
下面将只是通过实施例的方式参照附图举例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为根据本发明的纳米尺寸装置的第一实施方案的局部剖面图，显示出相应的基本对准的导电体和电连接件；
图2为图1的实施方案的一个变型，其中这些导电体基本成直角；
图3为一个实施方案的类似于图1的视图，该实施方案采用了多个纳米管导电体；
图4为图3的实施方案的一个变型的类似于图2的视图；
图5描述了图3的实施方案的以一种特别的方式形成的一个变化；并且
图6为本发明另一个实施方案的类似于图1和3的视图，该实施方案采用了一种蚀刻导电涂覆层以及一层通过朗缪尔-布隆杰特(Langmuir-Blodgett)技术加上的薄膜。
在图1的实施方案中，在相应的绝缘中间基底12、13中齐平地嵌入相应的纳米尺寸的细长导线10，11，这些导线的宽度在纳米到亚微米尺寸范围内。在这种情况中，这些导线以基本对准地平行的关系以一个在2-50埃范围内的间隔或间隙18重叠在一起，这样当通过电源26在导电体上施加一个电势差的时候，在他们之间就会有一个在合适的探测电路27中能够被探测到的量子隧道效应电流100。
用于实施该实施方案的一种合适技术为电子束纳米平板印刷技术，其中对准的导线可以被刻画在一个半导体基片上。这在“电子束纳米平板印刷技术”杂志中的Wilkinson等人的题目为“微型结构和微型装置的物理性质和制造”(eds.Kelly&Weisbuch，Spring-Verlag，1986)的文章中被披露，该文章说明并图示了一组在一个半导体基片上平行的砷化镓(GaAs)导线。在该装置的实际应用中，基片或基板12、13与相应的元件相关联或相连，这些元件的位移或位置将被测量出或探测出。
通常，隧道效应电流100与一对相邻电极(即导电体)上局部状态密度的乘积成正比，或者换句话说与两个电极上状态之间的隧道效应矩阵元素的平方的总和成正比。它还是隧道效应电压和电极曲率的灵敏函数。另外，量子隧道效应电流严格地取决于这些导电体之间的间距，因为量子波函数在导电体表面外部按指数规律地衰减，并且所探测到的电流将是一对交叉的纳米管之间的相对角度的一个函数。本发明利用了上述按指数规律及角度的关系，在该关系中所探测到的隧道效应电流100的数值在导电体的纵向对置的表面片段随着转动和或平移的不对准增加而移开的时候会大幅度改变，反之亦然。
更详细地说，在Kiejna&Wojciechowski的“金属表面电子物理性质”，Pergamon(1996)中发现了用于该间隙18的合适的薛定谔(Schrodinger)波函数。从波函数分析中可以论证量子隧道效应电流严格地取决于导电体之间的间隔，因为量子波函数在导电体表面外部按指数规律地衰减，并且所探测到的电流也会是一对交叉纳米导电体之间的相对角度的一个函数。
对准对置的导电体表面片段之间的间隙18被认为在2-50埃的范围内是最合适的，更优选在2-20埃。该导电体片段可以是能够切实可行地在基片上放置并对准的任意长度，并且这些导电体片段具有配套的电源线，例如在1μ到10-2m长的范围内。
间隙18可以是局部真空的或者可以填充有一种合适的介质。用于精确地保持该间隙18的合适的方案包括采用架球(buckyball)(C60)纳米支撑件20，22或者插入一种有机介质隔膜，优选一种有机润滑剂例如环己胺(下面将进一步进行描述)。后者被认为对于维持精确地平行的微小间隔而言是一种特别有效的方法。
调节装置可以包括已知类型的压电定位器，该压电电位器适用于在纳米尺寸级别下进行调节。
上述效果在导电体是圆筒形比如碳纳米管的情况下会进一步被增强。在格栅或阵列的情况中，如果导电体片段并行连接的话，那么将会有一个放大的效果并且这将有助于电流的测量。然而，如果这些导线有独立的连接件的话，那么形成该夹层的格栅将能够作为二维阵列点的“电容器”，这些电容器可以独立打开和关闭，从而形成一种隧道效应井的“象素化”阵列。
该隧道效应电流100会在一个或多个位置处显示出最小值，这取决于长宽比(导电体片段长度与间距的比值)，并且在两个格栅/阵列的导电体片段非常对准的时候显示出最大值。
图3表示了一个可选实施方案，其中导电体包括沉积在绝缘介质基片12’、13’上的多个平行的纳米管10a、10b、10c、11a、11b、11c。
例如在Chauvet等人在《物理评论》(Physical Review)B52，52(1995)中；de Heer等人在《科学》(Science)268，845(1995)中；以及Kiang等人在《碳》(Carbon)33，903-914(1995)中披露了用于在基片上产生出一组对准的纳米管的方法。
例如Lijima在《自然》(Nature)354，56-58(1991)以及lijima等人在《自然》363，602-605(1993)中披露了单壁纳米管的性能。stling等人在《物理评论》B.55，55(1997)中披露了多种类型的碳纳米管。
适用于本发明的生产平行导电体片段的格栅的具体技术是：通过在由与基面成一个角度地切开一个晶体而产生出的邻近表面的原子阶梯上使纳米管或其他纳米尺寸的导电体进行晶体取向附生的沉积。导电体片段的间隔可以是有序或无序，但最好是平行的。图5显示出图3的实施方案的一个变型，其中纳米管就是这样被沉积在阶梯状的邻近表面上的连续的原子阶梯14，15处的。
图2和4显示出一些实施方案，在这些实施方案中没用纳米管，而是用微米，亚微米或纳米级尺寸的导电体的相应阵列，这些阵列是这样布置的：在基片212中或其上的一排导电体210基本与在基片213中或其上另一排的导电体211成直角延伸。除了直角之外，该角度关系可以是某些其它角度，例如形成一种钻石形或菱形的二维格子。在优选采用大量导线的这样一种布置的一个应用中，交叉点250组将形成一个仿真的散射格子，该散射格子能有效地把一束平行于层叠结构取向的原子束散射进导电体阵列之间的间隙218中。如果各导线是独立地电连接的，即它们没有并联连接，那么会有一种象素化阵列，该阵列是用于原子的二维“弹球游戏”的一种模拟，它具有预定的散射中心。
在散射格子的一个变型中，还可以包括一排磁性元件，这些磁性元件形成所述格子并且在交叉点处或它们之间产生出一维区域。
图6是另外一个实施方案，在该实施方案中每个基片312、313是利用原子能劈开的光滑云母，并且导电体310、311是通过蚀刻一层金涂覆层330、331来形成的，然后通过一种LANGMUIR-BLODGETT工艺采用一层分子单层填充该间隙凹槽。这两个阵列和上面一样通过由一层外部热皱缩包覆层340所保持的环己胺或其它合适的有机润滑膜318隔开。
所述的装置是有效的电子机械纳米装置。一方面，它们可以应用于在微观和微观水平下的角度、转动角度、转动速度以及对准或不对准的测量。例如可以通过测量出每单位时间的电流最大值数来测量出转动速度。该方法被认为能够在一个大约为20°的操作角度范围之上达到0.01弧度秒级别的精确度。
另外，所示装置可以用来测量或监测相对的线性位置或平移。如果在图3、5和6的实施方案中的一个基片相对于另一个发生平移的话，那么在隧道效应电流100中将会观察一系列尖峰。移动的距离将通过所观察到的尖峰数乘以导电体之间的间距来给出；分辨率将是导电体宽度的数量级，例如用目前所能用的纳米平版印刷技术其分辨率大约为200埃，但用纳米管则为10-30埃。
转动和平移效果两个都会有助于振动监测或测量，例如在地震仪中。

Claims (28)

1.测量和/或监测两个元件的相对位置或位移的装置，包括：
一对细长的导电体，适于与相应的元件相关联；以及
以一可变的导电体之间的相对角度、相互间隔地设置这些导电体的部件，这样，当在所述导电体之间施加一个电势差时，在所述导电体之间会产生一个作为所述相对角度的函数的、可探测的量子隧道效应电流。
2.如权利要求1所述的装置，还包括用于调节这些导电体的相对位置以便确定出探测到最大量子隧道效应电流的那个位置的部件。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述调节部件包括一个或多个压电定位器。
4.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述细长导电体是以相互平行的关系基本对准的，这样，所述相对角度就是所述导电体之间不对准关系的度量。
5.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述细长导电体布置在导电体片段的相应的有序格栅或阵列中，所述格栅或阵列是互补的并且被重叠在一起以把这些导电体片段安放得足够接近，从而获得可探测到的量子隧道效应电流。
6.如权利要求5所述的装置，其中每个所述格栅或阵列的导电体片段平行，但是与其它格栅或阵列的导电体片段以所述相对角度对准。
7.如权利要求5所述的装置，其中每个格栅或阵列的导电体片段是用导线并联连接的。
8.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述细长导电体的宽度在微米到纳米的数量级范围。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述细长的导电体是碳纳米管或纳米导线，或者是微米到亚微米的准一维导电体。
10.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述导电体通过安装在绝缘或半导体基片中或其上而与上述元件相关联。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述导电体是与相应的基片的表面齐平的。
12.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中每个所述导电体是沿着在形成基片的一个邻近表面上的一个相应的原子阶梯放置的。
13.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述细长的导电体包括在绝缘或半导体基片上的一个完整的导电层的相应的片段。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述片段是隔开的和/或通过一层绝缘介质的隔膜或膜叠在一起的。
15.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述导电体的对置的表面片段的所述相互间隔在2-50埃的范围内。
16.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述导电体的对置的表面片段的所述相互间隔在2-20埃的范围内。
17.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述导电体是一个或多个长度在10-6到10-2m范围内的导电体片段。
18.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述用于以所述相互间隔的方式设置所述导电体的部件包括一个插入膜和用来封闭所述膜的部件。
19.如权利要求18所述的装置，其中所述插入膜是一种有机介质膜。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述有机介质是一种有机溶剂。
21.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述用于以所述相互间隔的方式设置所述导电体的部件包括纳米管或架球支撑件。
22.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所测量和/或监测到的所述位置或位移是转动或角度间隔位移、对准和不对准中的一种或多种。
23.如权利要求1、2或3任一所述的装置，其中所述细长的导电体放置在导电体片段的相应的有序格栅或阵列中，从而相应阵列的交叉点限定了静电散射井的格子。
24.如权利要求23所述的装置，其中所述格子还包括一排形成该格子并且在所述交叉点之处或之间产生出一维区域的磁性元件。
25.如权利要求1、2或3任一所述的装置，还包括用于施加所述电势差的部件，以及用于探测和/或测量出所述导电体之间的量子隧道效应电流的部件。
26.一种测量和/或监测两个元件的相对位置或位移的方法，包括：
使这些元件与相应的细长导电体相关联；
以一可变的导电体之间的相对角度、相互间隔地设置这些导电体，并且施加一个电势差给这些导电体，这样在所述导电体之间就会有是所述相对角度的函数的、可探测到的量子隧道效应电流；并且
探测和/或测量出所述量子隧道效应电流。
27.如权利要求26所述的方法，还包括调节这些导电体的相对位置，以确定出探测到最大量子隧道效应电流的一个或多个位置。
28.如权利要求26所述的方法，还包括调节这些导电体的阵列的相对位置，以确定出探测到最大量子隧道效应电流的一个或多个位置。
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