專利名稱：基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種納米制造技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種用于納米電子器件和 生物芯片的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法。
背景技術(shù)：
“蘸筆”納米刻蝕技術(shù)(Dip-pen nanolithography)是一種通過原子力顯微鏡的針 尖，將針尖上吸附的物質(zhì)通過彎月面的作用轉(zhuǎn)移到基底上的納米制造技術(shù)。人們將針尖類 比于“筆”，在針尖上的物質(zhì)類比于“墨水”，刻蝕的過程類比于用筆在紙上書寫，因此它被形 象地稱為“蘸筆”納米刻蝕技術(shù)。通過該技術(shù)，人們已經(jīng)可以在不同基底上實(shí)現(xiàn)對(duì)無機(jī)鹽、 有機(jī)小分子和蛋白等生物大分子轉(zhuǎn)移，制備功能化的圖形。(kience，1999，283 :661-663 ； Nature chemistry,2009,1:353-358 ；PNAS，2001，98 :13660-13664)目前，國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)“蘸筆”納米刻蝕技術(shù)的方法主要有接觸模式、輕敲模式、接觸 與輕敲混合模式和動(dòng)態(tài)組合模式。其中，接觸模式由于針尖與基底間的距離較小，可以通 過改變SETP0INT值的方法非常方便地進(jìn)行刻蝕，但針尖在刻蝕的過程中與基底間存在剪 切作用，只能以1/6的成像掃描速度在堅(jiān)硬的基底表面操作；輕敲模式中針尖與基底表面 間斷接觸，且摩擦和剪切作用很小，可以通過改變DRIVE AMPLITUDE值的方法進(jìn)行刻蝕，制 造生物大分子的納米圖案；接觸和輕敲混合模式利用接觸模式進(jìn)行刻蝕，輕敲模式成像，綜 合了接觸模式下容易刻蝕和輕敲模式能對(duì)柔軟樣品成像的特點(diǎn)，但是刻蝕后需要進(jìn)行接觸 模式和輕敲模式的后續(xù)轉(zhuǎn)換，針尖更換和重定位等操作，比較麻煩；動(dòng)態(tài)組合模式可以實(shí)現(xiàn) 即時(shí)轉(zhuǎn)變輕敲模式與接觸模式，實(shí)現(xiàn)納米圖形的制作和成像檢查在同一位置上進(jìn)行。以上 方法都是通過減小針尖與基底間的距離來促使彎月面的形成，從而進(jìn)行刻蝕。但是，改變 SETPOINT、DRIVE AMPLITUDE和LIFT HEIGHT這些參數(shù)只能定性地改變針尖與基底間的距 離，針尖與基底間的作用力無法精確控制，需要經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推測(cè)；而且受針尖的彈性系數(shù)等參 數(shù)的影響，即使參數(shù)的改變量相同，它們所引起的變化都會(huì)不同，刻蝕結(jié)果很難重復(fù)；此外， 這些方法進(jìn)行刻蝕時(shí)必須逐點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)操作，占用大量的時(shí)間。(J Am ChemSoc, 2003,125 580-583 J Am ChemSoc, 2007,129 :6668-6669 ；中國科學(xué)，2004，49 :444-447 ；中國專利公 開號(hào) CN1654230A，CN1615457A)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕 方法，通過將輕敲模式和力調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，利用輕敲模式進(jìn)行成像，利用力調(diào)制技術(shù)進(jìn)行 定點(diǎn)刻蝕來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、在原子級(jí)平整的基底表面通過旋涂、蒸發(fā)干燥、光刻技術(shù)、軟刻蝕技術(shù)、電 子束刻蝕技術(shù)或者離子束刻蝕技術(shù)在基底上構(gòu)造納米表面，獲得具有納米結(jié)構(gòu)的樣品；第二步、將探針浸入到無機(jī)鹽溶液、有機(jī)小分子溶液、膠體溶液或生物大分子溶液中取出，吹干；第三步、控制原子力顯微鏡的環(huán)境溫度為4°C到80°C，環(huán)境濕度為30% RH到80% RH之間；第四步、用修飾后的探針掃描并記錄具有納米結(jié)構(gòu)的樣品表面信息以選定一個(gè)或 多個(gè)刻蝕位置，然后在刻蝕位置上用同一根探針構(gòu)造納米圖形，最后用該探針在樣品表面 進(jìn)行掃描以檢驗(yàn)刻蝕結(jié)果，具體為用原子力顯微鏡的輕敲模式記錄所選定區(qū)域的樣品表 面的結(jié)構(gòu)信息，再在此區(qū)域內(nèi)確定需要刻蝕的位置；在刻蝕位置上進(jìn)行定點(diǎn)沉積，修飾后的 針尖與樣品表面的選定位置接觸，使吸附在針尖上的材料轉(zhuǎn)移到相應(yīng)位置上，從而實(shí)現(xiàn)納 米圖形的制造；將力曲線模式切換回輕敲模式，并對(duì)原來選定的區(qū)域進(jìn)行掃描，獲得樣品表 面結(jié)構(gòu)信息，檢驗(yàn)刻蝕結(jié)果。所述的原子級(jí)平整的基底為云母、石墨或硅片。所述的云母的表面經(jīng)3-氨基丙基硅烷進(jìn)行疏水化處理。所述的納米表面是指平整的表面、吸附有納米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納 米片層的表面以及刻蝕有規(guī)則圖案的表面。所述的針尖為原子力顯微鏡的單根探針或探針陣列。所述的無機(jī)鹽溶液是指陽離子為鉀、鈉、鎂、鈣、鋅或銨根離子，陰離子為鹵素離 子、碳酸根離子、硫酸根離子或磷酸根離子組成的離子水溶液。所述的有機(jī)小分子溶液是指分子量小于10000的硫醇或硅氧烷，溶劑為水或有 機(jī)溶劑。所述的膠體溶液是指金屬金、金屬銀、金屬鉬、二氧化鈦、氧化鋅或氧化鐵的納米 顆粒以及量子點(diǎn)均勻分散在水或者有機(jī)溶劑中形成的溶液。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法不但適用于幾乎所有的基底材料，而且能精確控制針尖 與基底間的作用力和作用時(shí)間，可以更好地控制刻蝕結(jié)果，提高刻蝕操作的可重復(fù)性；同 時(shí)，該方法可以一次性地進(jìn)行多點(diǎn)的自動(dòng)定位和蘸筆刻蝕操作，簡(jiǎn)便、實(shí)用，有利于產(chǎn)業(yè)化。


圖1為本發(fā)明的步驟示意圖。圖2為利用本發(fā)明所采集的力曲線和探針的反射信號(hào)(deflection signal)與時(shí) 間的關(guān)系圖。圖3為利用本發(fā)明在硅片上制造的納米點(diǎn)。圖4為利用本發(fā)明在云母片上制造的納米點(diǎn)陣。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。實(shí)施例1利用NSC-18型針尖，在相對(duì)濕度為78% 85%的環(huán)境中進(jìn)行刻蝕。所采用的力 為20nN，樣品為六甲氧基二硅烷處理后的硅片，墨水為甘油。調(diào)節(jié)TRIGGER TRESH0LD直至如圖2A形狀的力曲線出現(xiàn)。如果不能獲得形狀完整的力曲線，無論接觸時(shí)間多長，都不能 刻蝕成功。圖2B中可以看出點(diǎn)3和點(diǎn)4之間的SURFACE DELAY時(shí)間為Is0實(shí)施例2利用NSC-18型針尖，在相對(duì)濕度為78% 85%的環(huán)境中進(jìn)行刻蝕。所采用力為 20nN，樣品為硅烷疏水處理后的硅片，墨水為甘油。精確控制針尖在樣品表面的停留時(shí)間為 10秒所獲得的點(diǎn)。圖3A為刻蝕前硅片表面的圖案，圖;3B為刻蝕后的圖案。對(duì)比兩圖可知， 在此條件下用該方法能成功實(shí)現(xiàn)納米點(diǎn)的刻蝕。實(shí)施例3利用NSC-Il型針尖，在相對(duì)濕度為43. 4% 46. 5%的環(huán)境中進(jìn)行刻蝕。圖4A為 所采用的力為40nN，樣品為新解離的云母，墨水為甘油，精確控制針尖在樣品表面的停留時(shí) 間為20秒，得到間隔周期為400nm的納米圖案，圖4B為采用的力為80nN，樣品為新解離的 云母，墨水為辣根過氧化物酶，停留時(shí)間為30秒，得到的“ 口”字形納米點(diǎn)陣。對(duì)比這兩圖 可以看出，通過該方法能成功地獲得納米點(diǎn)陣列；而且由于力和時(shí)間都得到了很好的控制， 在相同的操作參數(shù)下，這些點(diǎn)的形狀和大小非常一致。
權(quán)利要求
1.一種基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、在原子級(jí)平整的基底表面通過旋涂、蒸發(fā)干燥、光刻技術(shù)、軟刻蝕技術(shù)、電子束 刻蝕技術(shù)或者離子束刻蝕技術(shù)在基底上構(gòu)造納米表面，獲得具有納米結(jié)構(gòu)的樣品；第二步、將探針浸入到無機(jī)鹽溶液、有機(jī)小分子溶液、膠體溶液或生物大分子溶液中取 出，吹干；第三步、控制原子力顯微鏡的環(huán)境溫度為4°c到80°C，環(huán)境濕度為30% RH到80% RH 之間；第四步、用修飾后的探針掃描并記錄具有納米結(jié)構(gòu)的樣品表面信息以選定一個(gè)或多個(gè) 刻蝕位置，然后在刻蝕位置上用同一根探針構(gòu)造納米圖形，最后用該探針在樣品表面進(jìn)行 掃描以檢驗(yàn)刻蝕結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的原 子級(jí)平整的基底為云母、石墨或硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的云 母的表面經(jīng)3-氨基丙基硅烷進(jìn)行疏水化處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的納 米表面是指平整的表面、吸附有納米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納米片層的表面以及 刻蝕有規(guī)則圖案的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的針 尖為原子力顯微鏡的單根探針或探針陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的無 機(jī)鹽溶液是指陽離子為鉀、鈉、鎂、鈣、鋅或銨根離子，陰離子為鹵素離子、碳酸根離子、硫 酸根離子或磷酸根離子組成的離子水溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的有 機(jī)小分子溶液是指分子量小于10000的硫醇或硅氧烷，溶劑為水或有機(jī)溶劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的膠 體溶液是指金屬金、金屬銀、金屬鉬、二氧化鈦、氧化鋅或氧化鐵的納米顆粒以及量子點(diǎn)均 勻分散在水或者有機(jī)溶劑中形成的溶液。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，第四步中 所述的選定一個(gè)或多個(gè)刻蝕位置是指用原子力顯微鏡的輕敲模式記錄所選定區(qū)域的樣品 表面的結(jié)構(gòu)信息，再在此區(qū)域內(nèi)確定需要刻蝕的位置；所述的構(gòu)造納米圖形是指在刻蝕 位置上進(jìn)行定點(diǎn)沉積，修飾后的針尖與樣品表面的選定位置接觸，使吸附在針尖上的材料 轉(zhuǎn)移到相應(yīng)位置上，從而實(shí)現(xiàn)納米圖形的制造；所述的在樣品表面進(jìn)行掃描是指將力曲 線模式切換回輕敲模式，并對(duì)原來選定的區(qū)域進(jìn)行掃描，獲得樣品表面結(jié)構(gòu)信息，檢驗(yàn)刻蝕 結(jié)果。
全文摘要
一種納米制造技術(shù)領(lǐng)域的基于力調(diào)制模式的蘸筆納米刻蝕方法，通過將輕敲模式和力調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，利用輕敲模式進(jìn)行成像，利用力調(diào)制技術(shù)進(jìn)行定點(diǎn)刻蝕實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明能精確控制針尖與基底間的作用力和作用時(shí)間，可以更好地控制刻蝕結(jié)果，提高刻蝕操作的可重復(fù)性；同時(shí)，該方法可以一次性地進(jìn)行多點(diǎn)的自動(dòng)定位和蘸筆刻蝕操作，簡(jiǎn)便、實(shí)用，有利于產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102092678SQ20101061947
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者楊海軍, 沈廣霞, 郭守武 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)