[發明專利]基于AFM的納米溝道加工方法

有效

• 申請號: 201010138121.4
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN102211754A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發明（設計）人: 焦念東;王志遷;董再勵
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 俞魯江

技術領域

本發明涉及納米加工領域，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

近年來，微流控芯片(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，因此更小尺度的芯片技術——“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、電池、納控晶體管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，納米管道的制作加工技術大多采用了“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、干擾、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，具有納米分辨率和可操控性，采用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；由于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。采用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進行操控。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于AFM的納米溝道加工方法。

本發明提出一種在硬的二氧化硅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)基于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動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垂直偏轉量的關系，然后通過美國Veeco公司的nanoscope軟件可標定出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為懸臂梁彈性系數，s為PSD?sensitivity，v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，v、δ和s可由力曲線導出，因而可確定約化彈性模量E^*；再根據公式可進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：