[發明專利]精密測量加速度的單分子裝置

有效

• 申請號: 201710119943.X
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106908623B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 向東;王玲;趙智凱;王璐;梅婷婷;倪立發;張天;張偉強
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01P15/00
• 分類號: G01P15/00
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 李冉

本發明公開了一種精密測量加速度的單分子裝置及方法。本發明是利用機械可控裂結(MCBJ)技術、微納加工工藝和分子自組裝技術實現的。可運用于分子電子學、傳感測量、及航空航天領域。利用微納加工技術制作納米電極芯片，利用MCBJ裝置構筑間隙可控的單分子結，通過測量納米粒子在納米間隙中位置的相對移動而導致的隧穿電流的變化，精密測量對應的加速度值。由于隧穿電流值對隧穿距離的變化極其敏感(隧穿距離每變化0.1納米，對應的隧穿電流可以變化1個數量級)，因此可以通過測量隧穿電流的變化，實現對不同加速度的精確探測。擴展了單分子器件的應用范圍，為單分子器件的發展和分子電子學的發展提供了有價值的參考。

技術領域

本發明屬于一種構筑納米點電極對彈性單分子結裝置測量加速度的方法，具體涉及分子電子學，微納電子學，運動物理學等領域。

背景技術

分子電子學的迅速發展使得社會生活日趨微型便利化，其應用范圍也越來越廣。單分子的相關研究越來越深入，以分子為單位構筑的電子器件越來越多的被研究出來。用以研究單分子性質的單分子結的構筑方法也有很多，其中，機械可控裂結(MCBJ)技術以良好的穩定性和精密可控性優點得到廣泛應用，所產生的分子結廣泛應用于分子開關、分子整流器、分子二極管等分子電子器件的研究與制造。通過多識別位點單體的組裝，以及各種弱相互作用可以發生分子間或分子與界面間的組裝，而這種不受外力的自行聚集、組織成規則結構的分子自組裝技術已被廣泛運用于構建納米材料器件中。同樣，本發明利用分子自組裝技術將彈性分子(雙乙硫醇)組裝到金電極上，然后利用電化學沉積技術將其中一端電極沉積一層金以覆蓋此端電極上組裝上去的分子，使得組裝上去的分子只出現在另一端金電極上，同時也能夠改善導電接觸阻抗，增進信號傳輸。

目前，在物理學領域，對加速度的測量除了實驗上的操作方法外，實際應用中多使用加速度傳感器，通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成，在傳感器加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值，通常為電容式、電感式、應變式、壓阻式和壓電式等，這些加速度傳感器能夠測到的加速度值不會很小，當需要測量一些極小的加速度值時，它們并不能提供幫助，而彈性分子結內的金納米粒子質量較小，受慣性力作用產生的位移也較小，產生的隧穿電流的變化較明顯，能夠對極小的加速度較敏感。

為解決極小加速度測量的問題，本發明提出了在芯片上利用彈性分子結隧穿電流的變化測量極小加速度的裝置和方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種通過測量分子結內隧穿電流的變化，從而測量外部加速度的單分子加速度計裝置。利用MCBJ裝置、分子自組裝技術產生穩定的彈性分子結，并通過彈性分子自身的壓縮與擴張性質檢測結內隧穿電流變化，最終實現確定外部的加速度。

本發明采用的技術方案是：

一種利用分子結隧穿電流的變化測量外部加速度的方法，其特征在于，包括機械可控裂結(MCBJ)裝置、彈性鋼片、絕緣層(聚酰亞胺)、電極(金)層、沉積層(金)、彈性分子(雙乙硫醇)和金納米粒子：所述彈性鋼片、絕緣層(聚酰亞胺)、電極(金)層和沉積層(金)制作形成分子結的芯片；彈性分子(雙乙硫醇)和金納米粒子則用于形成分子結和產生隧穿電流；MCBJ裝置可連續彎曲芯片形成固定間隙的分子結。

所述MCBJ裝置具有優良的穩定性和較大的衰減因子，滑塊的位移量很大而芯片的彎曲量被衰減到很小，納米電極間的間隙大小可精確調控，形成的分子結穩定性也較高。

所述彈性鋼片、絕緣層(聚酰亞胺)、電極(金)層和沉積層(金)制作形成分子結的芯片由于使用彈性鋼片作為基底，能夠彎曲形變也能夠復原，可以重復利用。而絕緣層(聚酰亞胺)一方面隔離基底和電極，另一方面在反應離子刻蝕獲得懸空金電極對時作為犧牲層。

所述金納米粒子一端連接彈性分子(雙乙硫醇)，在整套裝置運動的過程中由于外力和金納米粒子慣性的影響會產生類似彈簧的形變壓縮或者擴張從而使得金納米粒子與金電極之間間距改變而隧穿電流發生相應變化。