本發(fā)明涉及納米電極，尤其是涉及納米電極對中電極間距的精密調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

分子電子學(xué)研究的是分子水平上的電子學(xué)，其最終目標(biāo)是用單個分子、超分子或分子簇代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固體電子學(xué)元件，組裝成邏輯電路，乃至完整的分子計算機。它的研究內(nèi)容包括各種分子電子器件的合成、性能測試以及分子器件組裝等。為了在實驗上對單個金屬原子/分子的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量，就必須將單個金屬原子/分子與測量回路相連。成功構(gòu)筑金屬原子點接觸結(jié)構(gòu)或者分子結(jié)是測量單個金屬原子/分子的電學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵?，F(xiàn)國際上普遍采用的方法包括掃描隧道顯微鏡裂結(jié)(stm-breakjunction，stm-bj)法和機械可控裂結(jié)(mechanicallycontrollablebreakjunction,mcbj)法，這兩種方法都能夠構(gòu)筑金屬原子點接觸和單分子與測量電路的有效連接。與stm-bj法相比，mcbj法具有在短時間內(nèi)快速構(gòu)筑大量分子結(jié)的能力，該方法是通過壓電陶瓷上下移動的機械力反復(fù)地將基底上的金屬細(xì)絲拉開和愈合，當(dāng)金屬細(xì)絲被拉開成具有納米間隔的電極對時，金屬原子點接觸結(jié)構(gòu)或溶液中的分子就有機會搭載在兩端金屬電極對上，此時便能測到金屬原子點接觸或分子結(jié)的電學(xué)性質(zhì)。mcbj法具有易操作，重復(fù)性高，成本低，易于測試單個金屬原子/分子的電學(xué)性質(zhì)等優(yōu)點，成為了推動了分子電子學(xué)研究和發(fā)展的一種重要技術(shù)手段。

實現(xiàn)單個金屬原子/分子電學(xué)性質(zhì)測量的前提是需要讓測試芯片的電極對形成與目標(biāo)原子/分子長度相匹配的納米間隔，我們稱這種電極對為納米電極對。考慮到微納尺度下，由于電極對間距精確測量的實際難度以及微觀環(huán)境下各種非穩(wěn)定因素的存在，實現(xiàn)電極對之間納米間距的精密控制仍然是一個難題。目前，無論是stm-bj法還是mcbj法，均采用的是不斷開合金屬電極對，從而概率性地在納米電極間構(gòu)筑非穩(wěn)定連接的單個金屬原子點接觸/分子結(jié)，然后通過對其電學(xué)測量所得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來較準(zhǔn)確地獲得單個金屬原子/分子的電學(xué)性質(zhì)。但是，如果能精密調(diào)控納米電極對的間距，就必然能使構(gòu)筑的金屬原子點接觸或分子結(jié)相對更穩(wěn)定、長時間地連接于宏觀電路中，從而能更準(zhǔn)確的測量到單個金屬原子/分子的電學(xué)性質(zhì)。因此研究精密調(diào)控納米電極對間距的方案對于分子電子學(xué)的研究和發(fā)展來說都是很有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供納米電極對中電極間距的精密調(diào)控方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)利用非穩(wěn)定連接的mcbj技術(shù)確定待測單原子/分子電導(dǎo)；

2)采用pid控制方案對納米電極對間距實施穩(wěn)定調(diào)控，實現(xiàn)電極對間單個金屬原子點接觸/分子結(jié)的穩(wěn)定連接。

在步驟1)中，所述利用非穩(wěn)定連接的mcbj技術(shù)確定待測單原子/分子電導(dǎo)的具體方法可為：首先，制備具有懸空切口金屬線(notchedwire)結(jié)構(gòu)的芯片，將芯片置于三點受力的機械可控裂結(jié)裝置中，通過芯片中間底部的壓電陶瓷上下移動的機械力，反復(fù)地將基底上的金屬細(xì)絲拉開和愈合，當(dāng)金屬細(xì)絲被拉開時，形成原子級尖端的納米電極對；當(dāng)電極對處于適當(dāng)?shù)拈g距時，金屬原子點接觸或溶液中的目標(biāo)分子會通過錨定基團與金屬電極的相互作用，使電極與分子相連成結(jié)，構(gòu)筑金屬/分子/金屬結(jié)(簡稱分子結(jié))，實現(xiàn)分子與外界測量回路的相連，能測量目標(biāo)金屬原子或分子的電學(xué)性質(zhì)；然后，通過對監(jiān)測所得電學(xué)信號進(jìn)行統(tǒng)計分析可得到較準(zhǔn)確的原子/分子電導(dǎo)。

在步驟2)中，所述采用pid控制方案對納米電極對間距實施穩(wěn)定調(diào)控，實現(xiàn)電極對間單個金屬原子點接觸/分子結(jié)的穩(wěn)定連接的具體方法可為：將目標(biāo)原子/分子的電導(dǎo)作為設(shè)定值，以電極對間的實時電導(dǎo)信號作為反饋信號，利用pid控制算法對壓電陶瓷進(jìn)行調(diào)控，控制壓電陶瓷上下移動，使電極對兩端保持在一定的距離，保證所測量到的電導(dǎo)值穩(wěn)定在目標(biāo)原子/分子的電導(dǎo)值上；進(jìn)行pid控制時，首先利用電導(dǎo)測量裝置對mcbj電極對兩端的實時電導(dǎo)信號g(t)進(jìn)行測量，獲得測量信號gm(t)，反饋至控制器，控制器實時計算該測量信號與第一步中獲得的單原子點接觸/分子結(jié)穩(wěn)定連接時的電導(dǎo)值gr之差，得到控制誤差信號e(t)然后根據(jù)如下增量pid控制公式確定輸出信號u(t)；

u(t)＝u(t-1)+kp[e(t)-e(t-1)]+kie(t)+kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]

其中，kp,ki,kd分別為比例、積分和微分項系數(shù)，控制信號u(t)以電壓形式輸出，直接作用于mcbj系統(tǒng)中的壓電陶瓷，控制壓電陶瓷上下移動的方向與距離，以此實現(xiàn)對納米電極對間距的調(diào)控。

在基于mcbj技術(shù)的單分子測試方法中，由于微觀環(huán)境的影響，單個金屬原子點接觸/分子結(jié)穩(wěn)定性低以及機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)等因素，使得在常溫條件下，難以對納米電極對的間距實施精確調(diào)控，從而造成單個金屬原子點接觸/分子結(jié)的有效接觸時間僅在毫秒級，難以做到對其電學(xué)性質(zhì)的精確測量。為了解決這個問題，本發(fā)明給出了一種適用于mcbj技術(shù)的納米電極對間距的精密調(diào)控方案，有效提高了納米電極對間單個金屬原子點接觸/分子結(jié)穩(wěn)定連接的時間長度，為實現(xiàn)mcbj技術(shù)中對單個金屬原子/分子各種性質(zhì)的穩(wěn)定測試提供了技術(shù)手段。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：在室溫下，可以實現(xiàn)電極對間距精密調(diào)控的目的。該調(diào)控方案方便簡單，易于理解，成本低，控制效果可重現(xiàn)性高。并且，在普通實驗室的條件下就可以實施應(yīng)用，普適性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的mcbj裝置正視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的mcbj裝置俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的mcbj裝置仰視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例的notchedwire芯片上納米電極對示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例的控制方案結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

以下將以在mcbj裝置上實行本發(fā)明為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明展開說明。

參見圖1～5，本發(fā)明實施例包括底座1、聚四氟液體池2、芯片3、壓電陶瓷4、步進(jìn)電機5、夾具6、密封蓋7、密封圈8和金屬絲3-1。

所述底座1為一圓錐臺型底座，所述壓電陶瓷4通過ab膠粘附在步進(jìn)電機5頂部并通過螺絲固定于底座1內(nèi)部，壓電陶瓷4從底座1中間孔伸出。所述夾具6通過螺絲固定在底座1上，所述芯片3固定在夾具6上，金屬絲3-1通過鱷魚夾與外部測量電路相連，所述聚四氟液體池2安裝在芯片上方，目標(biāo)分子溶液滴入聚四氟液體池2內(nèi)，液體池內(nèi)設(shè)有密封圈8，可避免漏液。

以下給出本發(fā)明的具體實施例和實施步驟。

第一步：制作構(gòu)筑納米電極對的金絲切口(notchedwire)芯片

采用長30mm、寬10mm、厚0.2mm的不銹鋼片，用丙酮和乙醇次序超聲清洗，再用砂紙打磨，以此增大不銹鋼片的表面摩擦力，方便環(huán)氧樹脂在其表面的附著。隨后用超純水反復(fù)清洗，放入烘箱烘干待用。稱量3～4g的stycast2850ft型環(huán)氧樹脂，再滴加質(zhì)量比約為環(huán)氧樹脂3.5％的henkelloctitecatalyst9催化劑，隨后進(jìn)行攪拌，攪拌時間約為10～15min。待環(huán)氧樹脂與催化劑攪拌均勻后，將環(huán)氧樹脂在洗凈烘干的不銹鋼片上，均勻地涂抹成兩個圓面，使兩個圓面以不銹鋼片的中心線對稱，并且，使兩個圓面的邊緣間距控制在1～2mm之間。然后，將一段直徑為0.1mm，長30mm的金屬絲水平放置于兩個環(huán)氧樹脂圓面的中央，下壓金屬絲，使兩端的環(huán)氧樹脂浸沒金屬絲，并使環(huán)氧樹脂中央的金屬絲保持懸空，切勿將金屬絲壓到底部與不銹鋼片接觸，否則在進(jìn)行電學(xué)性能測試時會造成短路現(xiàn)象。最后，將芯片在室溫下放置2h，等環(huán)氧樹脂略微固化之后，再放至60℃的烘箱中，恒溫烘烤12h，此時的芯片將完全固化，環(huán)氧樹脂表面光滑并且呈現(xiàn)亮黑色。

第二步：切割金絲形成電極對切口

將制作好的芯片放置于光學(xué)顯微鏡下，用手術(shù)刀片對準(zhǔn)兩個環(huán)氧樹脂圓圈間隙中的金屬絲的中間點進(jìn)行切割，首先將金屬絲橫切至一半的深度，再分別在金屬絲的切口處兩側(cè)進(jìn)行切割，最終使得金屬絲相連部分僅剩20～30μm。

第三步：清洗芯片

將芯片放進(jìn)干凈的燒杯中，用超純水沖洗2～3遍，然后再將芯片置于超純水中煮沸10min，最后，將芯片放到105℃烘箱中烘干除水。

第四步：清洗反應(yīng)液體池、密封圈和密封蓋

將聚四氟液體池、密封圈和密封蓋放到干凈的燒杯中，加入雙氧水︰濃硫酸＝1︰3的溶液，浸泡2h。隨后，除去溶液，將聚四氟液體池、密封圈和密封蓋，用大量的超純水沖洗。再將聚四氟液體池、密封圈和密封蓋用超純水加熱煮沸3次，其中每次煮沸時間約為10min。然后再用超純水超聲清洗3min。將超純水倒掉，放入105℃烘箱烘干除水。

第五步：安裝芯片、液池

將夾具安裝至機械可控裂結(jié)裝置中，再用干凈的鑷子將芯片放進(jìn)夾具與裝置的間隙，用螺絲將夾具夾緊以固定芯片。將帶有密封圈的液體池放在芯片的正上方，芯片上未被環(huán)氧樹脂覆蓋的金屬絲從液池上方的兩端預(yù)留孔穿出，用螺絲固定好。分別用兩個鱷魚夾夾住穿出液池上方的金屬絲，由此接入測量回路。

第六步：滴加目標(biāo)分子溶液

吸取25μl的目標(biāo)分子溶液加入液體池，使目標(biāo)分子溶液浸沒金屬絲。蓋上密封蓋，防止雜質(zhì)進(jìn)入。

第七步：獲取目標(biāo)原子/分子電導(dǎo)設(shè)定值

安裝完畢之后，啟動步進(jìn)電機上頂芯片，待金屬絲發(fā)生斷裂后，自動切換到壓電陶瓷控制芯片彎曲。在壓電陶瓷微小的上頂、下移過程中，金屬原子點接觸/分子結(jié)反復(fù)地形成和斷裂。此過程利用外界測量回路采集大量的電學(xué)表征數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加統(tǒng)計，即可得出目標(biāo)原子/分子的電導(dǎo)值。此時我們將得到的目標(biāo)原子/分子的電導(dǎo)值作為此次控制參數(shù)的設(shè)定值。

第八步：調(diào)試pid控制參數(shù)，實現(xiàn)目標(biāo)原子/分子的穩(wěn)定連接

隨后，進(jìn)入電極對間距精密調(diào)控的過程，開始對pid控制器參數(shù)(比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd)進(jìn)行調(diào)試。為了減少需要調(diào)試的參數(shù)，可以先采用pi型控制器(取kd＝0)。為了保證系統(tǒng)的安全，在調(diào)試開始時應(yīng)設(shè)置比較保守的參數(shù)，例如設(shè)置較小的比例系數(shù)kp，較小的積分系數(shù)ki，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的情況。如果超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本無法穩(wěn)定，應(yīng)減小比例系數(shù)kp、增大積分系數(shù)ki。如果被控量調(diào)整過于緩慢，過渡過程時間太長，應(yīng)按相反的方向調(diào)整參數(shù)。如果消除誤差的速度較慢，可以適當(dāng)增大積分系數(shù)ki，增強積分作用。反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)kp和積分系數(shù)ki，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分控制，微分系數(shù)kd從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)控制器的比例、積分和微分部分的參數(shù)，直到系統(tǒng)達(dá)到一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。pid參數(shù)的調(diào)試是一個綜合的、各參數(shù)互相影響的過程，實際調(diào)試過程中的多次嘗試是非常重要的，也是必須的。

第九步：數(shù)據(jù)采集

當(dāng)所測到的電導(dǎo)實際值能夠在一定時間內(nèi)穩(wěn)定于目標(biāo)原子/分子的電導(dǎo)值時，證明電極對兩端的距離可穩(wěn)定在一個目標(biāo)原子/分子的距離。此時可得到一組較優(yōu)的pid控制參數(shù)，方可開始記錄數(shù)據(jù)，每隔10min采集一組電學(xué)表征數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析。