[發(fā)明專利]基于AFM的納米溝道加工方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010138121.4
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN102211754A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 焦念東;王志遷;董再勵(lì)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 俞魯江

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米加工領(lǐng)域，具體地說是一種基于AFM的納米溝道加工方法，更具體說是一種基于AFM刻劃操作的納米溝道加工方法。

背景技術(shù)

近年來，微流控芯片(Microfluidic?chip)技術(shù)在疾病診斷、藥物篩選、環(huán)境檢測等領(lǐng)域的研究與應(yīng)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(xué)、醫(yī)學(xué)研究水平等方面起到了重要作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)研究與應(yīng)用已開始在分子、DNA、蛋白質(zhì)層次展開，微流控技術(shù)已難以滿足在分子水平上對樣品進(jìn)行更小尺度、更小劑量、更高靈敏度的檢測分析等需求，因此更小尺度的芯片技術(shù)——“納流控”開始成為新的關(guān)注熱點(diǎn)。

納流管道是指尺寸處于原子或分子量級的微小通道，至少有一維尺寸在納米級。由于可達(dá)到超高分辨率和超高靈敏度，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(yùn)、電池、納控晶體管等領(lǐng)域顯示出重要的潛在應(yīng)用前景。其中，DNA分析是納流管道最重要的應(yīng)用領(lǐng)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(dá)到DNA分子量級(幾個(gè)納米)，則有望提供一種新的快速DNA測序技術(shù)。

目前，納米管道的制作加工技術(shù)大多采用了“自上而下”的納米刻蝕技術(shù)，其中聚焦離子束(Focused?Ion?Beam，F(xiàn)IB)刻蝕是普遍應(yīng)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、干擾、測試和檢測結(jié)構(gòu)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(xué)研究中重要的觀測和操作工具，具有納米分辨率和可操控性，采用AFM的探針操控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)；由于AFM具有廣泛環(huán)境適應(yīng)性，也可以實(shí)現(xiàn)液體環(huán)境活體細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測，蛋白質(zhì)、DNA等生物分子的推、拉、成像等納米操作，已成為分子生物學(xué)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(shù)進(jìn)行加工。采用AFM的探針操控技術(shù)加工納米級溝道時(shí)，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(chǎn)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(fā)生形變偏轉(zhuǎn)，從而引起激光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，并由操作者對PZT進(jìn)行操控。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于AFM的納米溝道加工方法。

本發(fā)明提出一種在硬的二氧化硅表面上沿某一規(guī)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(jìn)行納米溝道加工的方法。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種基于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(biāo)定和被加工材料(二氧化硅)的彈性模量的確定；

2)探針到基底的距離的確定；

3)根據(jù)已知期望壓入深度，確定PZT伸長量；

4)納米溝道加工路徑規(guī)劃；

5)基于AFM的納米溝道機(jī)械加工；

所述光電位置檢測傳感器的敏感度(PSD?sensitivity)的標(biāo)定和被加工材料(二氧化硅)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(yùn)動(dòng)在二氧化硅基底上做力曲線，該力曲線顯示了PZT垂直伸長量與PSD垂直偏轉(zhuǎn)量的關(guān)系，然后通過美國Veeco公司的nanoscope軟件可標(biāo)定出PSD?sensitivity；為確定被加工物的彈性模量，首先通過Herz模型計(jì)算出約化彈性模量；Herz模型為其中F為懸臂梁彈性回復(fù)力，k為懸臂梁彈性系數(shù)，s為PSD?sensitivity，v為力曲線PSD垂直方向偏轉(zhuǎn)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，v、δ和s可由力曲線導(dǎo)出，因而可確定約化彈性模量E^*；再根據(jù)公式可進(jìn)一步求出被加工材料的彈性模量E_substrate，式中E_tip為AFM探針彈性模量，ν_tip為探針泊松比，E_tip為基底材料的彈性模量，ν_substrate為基底材料的泊松比。

所述探針到基底的距離的確定方法為：