本發(fā)明涉及機(jī)械可控裂結(jié)裝置，尤其是涉及一種具有高衰減系數(shù)的機(jī)械可控裂結(jié)裝置。

背景技術(shù)：

1985年，moreland和ekin在研究超導(dǎo)材料的隧穿效應(yīng)([1]zheng,j.-t.；yan,r.-w.；tian,j.-h.；liu,j.-y.；pei,l.-q.；wu,d.-y.；dai,k.；yang,y.；jin,s.；hong,w.；tian,z.-q.electrochim.acta2016,200,268)時(shí)，第一次提出了機(jī)械可控裂結(jié)法(mechanicallycontrollablebreakjunction,mcbj)。經(jīng)由上世紀(jì)90年代荷蘭萊頓大學(xué)vanruitenbeek教授等人的發(fā)展和完善，機(jī)械可控裂結(jié)法已成為構(gòu)筑納米間隔、金屬原子點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)、單分子結(jié)的最主流方法之一。

采用mcbj進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是制得具有高衰減系數(shù)的微芯片，并將該微芯片與外界實(shí)現(xiàn)相連。在進(jìn)行mcbj的實(shí)驗(yàn)中，具有電極對結(jié)構(gòu)的微芯片被固定在一個(gè)彈性基底上，基底又被安裝在一個(gè)三點(diǎn)受力的裝置上?；紫路降捻敆U向上運(yùn)動，引起基底彎曲、導(dǎo)致電極對結(jié)構(gòu)被往兩側(cè)拉伸，進(jìn)而形成納米間隔。其中，衰減系數(shù)r被定義為頂桿運(yùn)動距離與其引起的電極對往兩側(cè)拉伸距離的比值。以衰減系數(shù)等于10^-4為例，此時(shí)若頂桿在垂直方向上發(fā)生1μm的行程，電極對之間的距離將僅改變0.1nm?？梢姡咚p系數(shù)的存在，將可以極為精確地調(diào)控電極對之間的距離。如何構(gòu)建具有高衰減系數(shù)的機(jī)械可控裂結(jié)裝置([2]vrouwe,s.a.g.；vandergiessen,e.；vandermolen,s.j.；dulic,d.；trouwborst,m.l.；vanwees,b.j.mechanicsoflithographicallydefinedbreakjunctions[j].physicalreviewb2005,71,035313)，是分子電子學(xué)學(xué)科中的重要問題和難點(diǎn)問題。

衰減系數(shù)([3]yang,y.；liu,j.；feng,s.；wen,h.；tian,j.；zheng,j.；b.；amatore,c.；chen,z.；tian,z.nanores.2016,9,560)r與微芯片的結(jié)構(gòu)，尤其是微芯片中電極對的懸空距離u直接相關(guān)。當(dāng)前，國際上普遍采用mcbj的裝置實(shí)現(xiàn)分子電導(dǎo)測量可以分為兩類。其一是切口金絲法，實(shí)驗(yàn)過程中，研究者將一根直徑約為0.1mm的金屬絲通過手術(shù)刀環(huán)切，得到剩余部分直徑約為原金屬絲直徑三分一的切口。然后將該帶有切口的金屬絲兩端用環(huán)氧樹脂固定在一個(gè)彈性基底上，作為微芯片。然而，該方法得到的微芯片，其u值往往落于mm數(shù)量級，為此衰減系數(shù)一般僅能達(dá)到10^-2數(shù)量級。第二種實(shí)現(xiàn)方法是微納加工法，實(shí)驗(yàn)過程中，研究者通過利用光學(xué)掩膜版、或者控制電子束軌跡，可以將u值減小到μm乃至nm數(shù)量級。為此，該類方法所制得的微芯片，其衰減系數(shù)可以達(dá)到10^-4數(shù)量級以下，從而大大提高了納米間隔的控制精度以及裝置本身的穩(wěn)定性。

但是，采用微納加工法面臨著一個(gè)難點(diǎn)問題。為實(shí)現(xiàn)微芯片中電極對部分的懸空，實(shí)驗(yàn)過程中需要引入絕緣層和犧牲層結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)做法是采用二氧化硅、氮化硅等無機(jī)材料作為絕緣層，隨著無機(jī)材料致密性的增加，絕緣能力增強(qiáng)，絕緣層的剛性增強(qiáng)。二氧化硅的莫氏硬度在6～7，通過化學(xué)氣相沉積生長二氧化硅作為絕緣層容易產(chǎn)生裂痕，導(dǎo)致芯片短路。據(jù)國際上新近的文獻(xiàn)報(bào)道，聚酰亞胺(pi)有望同時(shí)充當(dāng)絕緣層和犧牲層結(jié)構(gòu)。pi是一種高分子材料，具有耐高溫、高斷裂韌性、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、易于釋放去除等優(yōu)點(diǎn)，它的彎曲強(qiáng)度在200℃下可達(dá)24mpa，250℃下彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度仍有12～13mpa，特別適用于柔性基底或是各種耐高溫電機(jī)電器的絕緣材料。微芯片制作采用直接旋涂的方式可以得到與基底完美結(jié)合的pi層，通過調(diào)整旋涂參數(shù)即可改變它的厚度。

然而，由于旋涂的pi層質(zhì)軟，致使其上方生長的電極對在使用常規(guī)的鋁絲壓焊機(jī)進(jìn)行引線實(shí)現(xiàn)與外部測量電路相連時(shí)，容易發(fā)生引線磨損或是貫穿整個(gè)絕緣層，造成芯片損壞而無法進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，通過微納加工法獲得的微芯片，需要在潔凈室中通過繁瑣的工藝制備，微芯片的制備周期長、成本昂貴?；谏鲜鲈?，在進(jìn)行mcbj的實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)展一套簡便、經(jīng)濟(jì)的可以在室溫下構(gòu)筑納米間隔、金屬原子點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)、單分子結(jié)的新型裝置很有必要，它可以提高微芯片的衰減系數(shù)和利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對采用機(jī)械可控裂結(jié)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置難以同時(shí)具備高衰減系數(shù)和長使用壽命的問題，提供一種具有高衰減系數(shù)的機(jī)械可控裂結(jié)裝置。

本發(fā)明設(shè)有骨架底座、步進(jìn)電機(jī)、微芯片和探針裝置；

所述骨架底座為不銹鋼圓柱底座，所述步進(jìn)電機(jī)上開孔，將微芯片、探針裝置和步進(jìn)電機(jī)組裝固定在開孔上，用于單分子測試；

所述步進(jìn)電機(jī)與骨架底座連接；

所述微芯片設(shè)有聚酰亞胺層和金電極；

所述探針裝置將微芯片中微小電極引出成平面外界電極，探針裝置設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)和接觸結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)可采用鋁合金材料的的橋型結(jié)構(gòu)，在支撐結(jié)構(gòu)中心鉆有直徑1cm的孔洞，用于微芯片的架設(shè)；所述接觸結(jié)構(gòu)以支撐結(jié)構(gòu)中心孔洞作為分界，兩邊對稱組裝上聚酯包膜柔性覆銅板、聚四氟乙烯板(ptfe)、環(huán)氧玻纖布基板、銀針等。

所述探針裝置以環(huán)氧玻纖布基板、微芯片、橋型結(jié)構(gòu)、聚酯包膜柔性覆銅板之間的組裝，構(gòu)成底層支架；將微芯片的兩端用環(huán)氧玻纖布基板固定在橋型結(jié)構(gòu)的中心部分；再在橋型結(jié)構(gòu)上覆蓋一層長約4.8cm的聚酯包膜柔性覆銅板，將邊緣一端用螺絲固定在支撐結(jié)構(gòu)上，形成一個(gè)半固定半活動的結(jié)構(gòu)。

所述接觸機(jī)構(gòu)可由ptfe和銀針組裝，構(gòu)成連接電極的接觸結(jié)構(gòu)。所述ptfe為兩塊2cm×2cm的ptfe，銀針可為3根，在兩塊ptfe的接縫處預(yù)留銀針固定的三個(gè)孔洞。兩側(cè)螺絲用于調(diào)整兩邊銀針的角度，從而調(diào)控3根銀針兩兩之間針尖的距離。

在底層支架中聚酯包膜柔性覆銅板的未固定一端放上接觸結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)位置，使銀針和芯片的引出電極部分相互豎直；中間放上一塊長約1cm的聚酯包膜柔性覆銅板，同時(shí)制出螺孔，利用杠桿原理，下壓中間部分使得未固定一端翹起。因此，可以通過調(diào)節(jié)中間部分的螺絲來控制針尖和芯片的距離。

所述探針裝置可采用鋁合金材料、環(huán)氧玻纖布基板材料、銀針、聚酯包膜柔性覆銅板、聚四氟乙烯板(ptfe)等。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行mcbj的實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著步進(jìn)電機(jī)中推桿的升降，微芯片中心的懸空部分受到一個(gè)周期性循環(huán)的應(yīng)力，致使金電極對產(chǎn)生周期性開合并產(chǎn)生納米間隔距離。

所述微芯片采用微納加工技術(shù)，首先需要對基底進(jìn)行清洗，之后通過旋涂光刻膠、曝光顯影、鍍膜等步驟，通過光學(xué)光刻法制備出具有微米間隔的金屬電極對。

本發(fā)明以探針結(jié)構(gòu)為核心，實(shí)現(xiàn)采用平面電極方案替代傳統(tǒng)的鋁絲壓焊方案，解決了聚酰亞胺作為犧牲層結(jié)構(gòu)時(shí)微芯片難以與外界測量回路長時(shí)間穩(wěn)定相連的問題。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：由于利用comsol軟件對圓柱體、棱臺、正方體等常見集合結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬測試，最終采用了圓柱體骨架底座以減少外部振動對微芯片中心納米間隔的影響。又結(jié)合pcb板中常見的材質(zhì)和mcbj中骨架設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，設(shè)計(jì)組裝了一種更加方便高效地將微芯片的電極引出為平面外接電極的平臺，然后將整個(gè)外接電極引入mcbj的裝置，從而對單分子性質(zhì)進(jìn)行研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的骨架底座結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的探針裝置俯視圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的探針裝置主視圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的微芯片俯視圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的微芯片主視圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的步進(jìn)電機(jī)俯視圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的步進(jìn)電機(jī)主視圖

圖8本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)主視圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方案

以下將結(jié)合附圖說明對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的闡述。

參見圖1～10，本發(fā)明實(shí)施例包括骨架底座1、探針裝置2、微芯片3、步進(jìn)電機(jī)4。

所述骨架底座1為不銹鋼制作的圓柱底座，如圖1所示。用于裝配上探針裝置2和微芯片3，減少振動。

所述探針裝置2有多層結(jié)構(gòu)，如圖2和3所示：鋁合金材料的支撐結(jié)構(gòu)21、環(huán)氧玻纖布基板材料的芯片固定結(jié)構(gòu)22、銀針23、聚酯包膜柔性覆銅板所制的柔性絕緣結(jié)構(gòu)24、ptfe所制的外接電極結(jié)構(gòu)25。

所述微芯片3為硅基底上通過底片清洗、旋涂聚酰亞胺31、勻膠、曝光顯影、電子束光刻，制得的微芯片中心懸空部分電極32可達(dá)微米甚至納米級別的寬度，如圖4和5所示。

所述步進(jìn)電機(jī)4通過上頂下降來調(diào)控微芯片3中心金屬電極對的間隔距離，如圖6、7所示。

以下給出具體實(shí)施例。

采用本發(fā)明進(jìn)行單分子測試。

1、安裝微芯片和探針裝置：

(1)將支撐結(jié)構(gòu)固定在骨架底座上，然后對照圖2和3結(jié)構(gòu)組裝探針裝置。

(2)通過調(diào)節(jié)聚酯包膜柔性覆銅板中間的螺絲使得銀針上移，直至可放進(jìn)微芯片，并且銀針針尖不會觸碰到芯片。

(3)環(huán)氧玻纖布基板將微芯片固定在探針裝置上。

(4)通過調(diào)節(jié)ptfe上方及兩側(cè)的螺絲，使得銀針處于和ptfe夾具間處于略微松弛的狀態(tài)，進(jìn)而對銀針角度進(jìn)行微調(diào)，使其分別對準(zhǔn)微芯片需要引出電極的三個(gè)單元。

(5)調(diào)節(jié)探針裝置上銀針的高度，使其正好放置微芯片，再調(diào)節(jié)聚酯包膜柔性覆銅板中間的螺絲，使得銀針下移至剛好接觸到微芯片的電極。

2、構(gòu)成mcbj實(shí)驗(yàn)的新型裝置：

將探針裝置和微芯片通過螺絲固定在骨架底座上，匹配上合適的步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成進(jìn)行mcbj實(shí)驗(yàn)的新型裝置。

3、進(jìn)行單分子測試：

(1)將mcbj的新型裝置整個(gè)放置在屏蔽箱內(nèi)，以保證在采用mcbj進(jìn)行測試時(shí)能夠盡可能屏蔽外界信號干擾。

(2)滴加分子溶液：用10μl移液槍吸取分子溶液滴到微芯片上，使微芯片中金電極處于分子溶液環(huán)境中。

(3)通過程序控制步進(jìn)電機(jī)的上頂范圍控制在20～30nm，保證微芯片的si基底在不碎的前提下，中心能夠感應(yīng)到微小應(yīng)力，使得芯片中心微電極對間存在微米乃至納米級別的開合。分散在溶液中的分子通過錨定基團(tuán)與兩側(cè)金屬電極成鍵，形成金屬/分子/金屬結(jié)。

(4)進(jìn)行mcbj測試的新型裝置外接上電流測量回路，即可高速大量的采集數(shù)據(jù)，微芯片的引入使得測量單分子電導(dǎo)的成結(jié)率提高，致使實(shí)驗(yàn)中得到的分子電導(dǎo)峰更加明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠。