基於afm的納米溝道加工方法
2023-04-27 10:56:11 2
專利名稱：基於afm的納米溝道加工方法
技術領域：
本發明涉及納米加工領域，具體地說是一種基於AFM的納米溝道加工方法，更具體說是一種基於AFM刻劃操作的納米溝道加工方法。
背景技術：
近年來，微流控晶片(Microfluidic chip)技術在疾病診斷、藥物篩選、環境檢測等領域的研究與應用日益廣泛，在降低生物試劑成本、提高效率、改善分析精度，提高生物學、醫學研究水平等方面起到了重要作用。隨著技術的發展，生物醫學研究與應用已開始在分子、DNA、蛋白質層次展開，微流控技術已難以滿足在分子水平上對樣品進行更小尺度、更小劑量、更高靈敏度的檢測分析等需求，因此更小尺度的晶片技術——「納流控」開始成為新的關注熱點。納流管道是指尺寸處於原子或分子量級的微小通道，至少有一維尺寸在納米級。 由於可達到超高解析度和超高靈敏度，納流管道在流體特性分析、單分子分析、超高速核酸分子測序、分子篩、生物膜離子通道模擬、藥物疏運、電池、納控電晶體等領域顯示出重要的潛在應用前景。其中，DNA分析是納流管道最重要的應用領域之一，例如DNA分子拉伸、分子量和分子長度測定，DNA分離篩選等。研究分析表明，如果具有檢測功能的納米管道尺寸達到DNA分子量級(幾個納米)，則有望提供一種新的快速DNA測序技術。目前，納米管道的製作加工技術大多採用了「自上而下」的納米刻蝕技術，其中聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)刻蝕是普遍應用的加工方法之一。但FIB成本高、效率低，在加工過程中會遇到封裝、微-納管道界面連接、管道阻塞、幹擾、測試和檢測結構加工等問題，因而降低了納管道器件的工作可靠性。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是納米科學研究中重要的觀測和操作工具，具有納米解析度和可操控性，採用AFM的探針操控技術可以實現納米尺度下的推、拉、刻、劃等操作。利用探針刻劃方法，可以在基底上形成多種形式的納米凹槽、劃線等納米結構；由於AFM具有廣泛環境適應性，也可以實現液體環境活體細胞精細結構的觀測， 蛋白質、DNA等生物分子的推、拉、成像等納米操作，已成為分子生物學中重要的分析工具。目前，納米級溝道還沒有使用AFM的探針操控技術進行加工。採用AFM的探針操控技術加工納米級溝道時，通過壓電陶瓷管(PZT)在垂直方向上的伸長，AFM探針與基底緊密接觸產生的接觸力一部分使得探針壓入基底一定深度，另一部分引起微懸臂梁發生形變偏轉，從而引起雷射在光電位置檢測傳感器(PSD)上的位移，位移量由示波器顯示出來，並由操作者對PZT進行操控。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於AFM的納米溝道加工方法。本發明提出一種在硬的二氧化矽表面上沿某一規劃好的路徑通過改變壓電陶瓷 (PZT)在垂直方向上的伸長量以某一確定刻劃速度進行納米溝道加工的方法。
本發明技術方案為一種基於AFM的納米溝道加工方法，包括下列步驟1)光電位置檢測傳感器的敏感度(PSD sensitivity)的標定和被加工材料(二氧化矽)的彈性模量的確定；2)探針到基底的距離的確定；3)根據已知期望壓入深度，確定PZT伸長量；4)納米溝道加工路徑規劃；5)基於AFM的納米溝道機械加工；所述光電位置檢測傳感器的敏感度(PSD sensitivity)的標定和被加工材料(二氧化矽)的彈性模量的確定方法為通過操控AFM探針垂直方向上的運動在二氧化矽基底上做力曲線，該力曲線顯示了 PZT垂直伸長量與PSD垂直偏轉量的關係，然後通過美國Veeco公司的nanoscope軟體可標定出PSD sensitivity ；為確定被加工物的彈性模量，首先通過Herz模型計算出約化
彈性模量；Herz模型為,其中F為懸臂梁彈性回復力，k為懸臂梁彈性
係數，s為PSD sensitivity, ν為力曲線PSD垂直方向偏轉電壓信號，R為AFM探針半徑， δ為AFM探針壓入基底深度；k、R已知，ν、δ和s可由力曲線導出，因而可確定約化彈性模
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量Ε* ；再根據公式i = ^^+1:-可進一步求出被加工材料的彈性模量Esubstrate,式
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權利要求
1.一種基於AFM的納米溝道加工方法，其特徵在於該方法包括下列步驟1)光電位置檢測傳感器的敏感度(PSDsensitivity)的標定和被加工材料(二氧化矽)的彈性模量的確定；2)探針到基底的距離的確定；3)根據已知期望壓入深度，確定PZT伸長量；4)納米溝道加工路徑規劃；5)基於AFM的納米溝道機械加工。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述光電位置檢測傳感器的敏感度(PSD sensitivity)的標定和被加工材料(二氧化矽)的彈性模量的確定方法為通過操控AFM探針垂直方向上的運動在二氧化矽基底上做力曲線，該力曲線顯示了 PZT垂直伸長量與PSD垂直偏轉量的關係，然後通過美國Veeco公司的nanoscope軟體可標定出PSD sensitivity ；為確定被加工物的彈性模量，首先通過Herz模型計算出約化彈性模量；Herz模型為F=kxs><,其中F為懸臂梁彈性回復力，k為懸臂梁彈性系 3數，s為PSD sensitivity, ν為力曲線PSD垂直方向偏轉電壓信號，R為AFM探針半徑，δ 為AFM探針壓入基底深度；k、R已知，ν、δ和s可由力曲線導出，因而可確定約化彈性模量E*;再根據公式『 =^^+1:—2可進一步求出被加工材料的彈性模量Esubstrate，式中匕^tip^substrateEtip為AFM探針彈性模量，Vtip為探針泊松比，Etip為基底材料的彈性模量，Vsubsteate為基底材料的泊松比。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述探針到基底的距離的確定為逐漸增加PZT在垂直方向上的伸長量(每次固定增加5-lOnm)並記錄增加次數，直到示波器上顯示的AFM的光電位置檢測傳感器(PSD)振幅信號由500mV以上變為10 20mV ； 此時，探針與基底表面已十分接近，記錄下PZT總的伸長量(該量為探針與基底表面的間隔距離)，並將AFM探針抬起回到PZT伸長前位置。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述根據已知期望壓入深度，確定PZT伸長量的方法為由Herz模型計算期望壓入深度需要的PSD偏轉信號v，進而確定PZT伸長量s X ν+ δ。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述納米溝道加工路徑規劃方法為 在二氧化矽基底的AFM掃描圖像的期望位置規劃一條納米溝道路徑。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述基於AFM的納米溝道機械加工方法為恆高接觸模式下設置PZT伸長量，將AFM探針移動到規劃好的路徑起點，沿規劃好的路徑移動探針即可加工出納米溝道。
全文摘要
本發明公開一種基於AFM的納米溝道加工方法。通過控制AFM探針的伸長距離、探針運動速度及路徑，實現在二氧化矽基底上加工出特定深度和寬度的納米溝道。本發明的納米溝道加工方法可應用於微流控晶片製造中，通過納米溝道實現對溝道內流體特性及生物單分子的特性分析。
文檔編號B82B3/00GK102211754SQ20101013812
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者焦念東, 王志遷, 董再勵 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所