專利名稱：基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種納米制造技術領域的方法，具體是一種用于納米電子器件和 生物芯片的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法。
背景技術：
“蘸筆”納米刻蝕技術(Dip-pen nanolithography)是一種通過原子力顯微鏡的針 尖，將針尖上吸附的物質通過彎月面的作用轉移到基底上的納米制造技術。人們將針尖類 比于“筆”，在針尖上的物質類比于“墨水”，刻蝕的過程類比于用筆在紙上書寫，因此它被形 象地稱為“蘸筆”納米刻蝕技術。通過該技術，人們已經可以在不同基底上實現對無機鹽、 有機小分子和蛋白等生物大分子轉移，制備功能化的圖形。(kience，1999，283 :661-663 ； Nature chemistry,2009,1:353-358 ；PNAS，2001，98 :13660-13664)目前，國內外實現“蘸筆”納米刻蝕技術的方法主要有接觸模式、輕敲模式、接觸 與輕敲混合模式和動態(tài)組合模式。其中，接觸模式由于針尖與基底間的距離較小，可以通 過改變SETP0INT值的方法非常方便地進行刻蝕，但針尖在刻蝕的過程中與基底間存在剪 切作用，只能以1/6的成像掃描速度在堅硬的基底表面操作；輕敲模式中針尖與基底表面 間斷接觸，且摩擦和剪切作用很小，可以通過改變DRIVE AMPLITUDE值的方法進行刻蝕，制 造生物大分子的納米圖案；接觸和輕敲混合模式利用接觸模式進行刻蝕，輕敲模式成像，綜 合了接觸模式下容易刻蝕和輕敲模式能對柔軟樣品成像的特點，但是刻蝕后需要進行接觸 模式和輕敲模式的后續(xù)轉換，針尖更換和重定位等操作，比較麻煩；動態(tài)組合模式可以實現 即時轉變輕敲模式與接觸模式，實現納米圖形的制作和成像檢查在同一位置上進行。以上 方法都是通過減小針尖與基底間的距離來促使彎月面的形成，從而進行刻蝕。但是，改變 SETPOINT、DRIVE AMPLITUDE和LIFT HEIGHT這些參數只能定性地改變針尖與基底間的距 離，針尖與基底間的作用力無法精確控制，需要經驗進行推測；而且受針尖的彈性系數等參 數的影響，即使參數的改變量相同，它們所引起的變化都會不同，刻蝕結果很難重復；此外， 這些方法進行刻蝕時必須逐點進行重復操作，占用大量的時間。(J Am ChemSoc, 2003,125 580-583 J Am ChemSoc, 2007,129 :6668-6669 ；中國科學，2004，49 :444-447 ；中國專利公 開號 CN1654230A，CN1615457A)

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕 方法，通過將輕敲模式和力調制技術相結合，利用輕敲模式進行成像，利用力調制技術進行 定點刻蝕來實現。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、在原子級平整的基底表面通過旋涂、蒸發(fā)干燥、光刻技術、軟刻蝕技術、電 子束刻蝕技術或者離子束刻蝕技術在基底上構造納米表面，獲得具有納米結構的樣品；第二步、將探針浸入到無機鹽溶液、有機小分子溶液、膠體溶液或生物大分子溶液中取出，吹干；第三步、控制原子力顯微鏡的環(huán)境溫度為4°C到80°C，環(huán)境濕度為30% RH到80% RH之間；第四步、用修飾后的探針掃描并記錄具有納米結構的樣品表面信息以選定一個或 多個刻蝕位置，然后在刻蝕位置上用同一根探針構造納米圖形，最后用該探針在樣品表面 進行掃描以檢驗刻蝕結果，具體為用原子力顯微鏡的輕敲模式記錄所選定區(qū)域的樣品表 面的結構信息，再在此區(qū)域內確定需要刻蝕的位置；在刻蝕位置上進行定點沉積，修飾后的 針尖與樣品表面的選定位置接觸，使吸附在針尖上的材料轉移到相應位置上，從而實現納 米圖形的制造；將力曲線模式切換回輕敲模式，并對原來選定的區(qū)域進行掃描，獲得樣品表 面結構信息，檢驗刻蝕結果。所述的原子級平整的基底為云母、石墨或硅片。所述的云母的表面經3-氨基丙基硅烷進行疏水化處理。所述的納米表面是指平整的表面、吸附有納米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納 米片層的表面以及刻蝕有規(guī)則圖案的表面。所述的針尖為原子力顯微鏡的單根探針或探針陣列。所述的無機鹽溶液是指陽離子為鉀、鈉、鎂、鈣、鋅或銨根離子，陰離子為鹵素離 子、碳酸根離子、硫酸根離子或磷酸根離子組成的離子水溶液。所述的有機小分子溶液是指分子量小于10000的硫醇或硅氧烷，溶劑為水或有 機溶劑。所述的膠體溶液是指金屬金、金屬銀、金屬鉬、二氧化鈦、氧化鋅或氧化鐵的納米 顆粒以及量子點均勻分散在水或者有機溶劑中形成的溶液。與現有技術相比，該方法不但適用于幾乎所有的基底材料，而且能精確控制針尖 與基底間的作用力和作用時間，可以更好地控制刻蝕結果，提高刻蝕操作的可重復性；同 時，該方法可以一次性地進行多點的自動定位和蘸筆刻蝕操作，簡便、實用，有利于產業(yè)化。


圖1為本發(fā)明的步驟示意圖。圖2為利用本發(fā)明所采集的力曲線和探針的反射信號(deflection signal)與時 間的關系圖。圖3為利用本發(fā)明在硅片上制造的納米點。圖4為利用本發(fā)明在云母片上制造的納米點陣。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1利用NSC-18型針尖，在相對濕度為78% 85%的環(huán)境中進行刻蝕。所采用的力 為20nN，樣品為六甲氧基二硅烷處理后的硅片，墨水為甘油。調節(jié)TRIGGER TRESH0LD直至如圖2A形狀的力曲線出現。如果不能獲得形狀完整的力曲線，無論接觸時間多長，都不能 刻蝕成功。圖2B中可以看出點3和點4之間的SURFACE DELAY時間為Is0實施例2利用NSC-18型針尖，在相對濕度為78% 85%的環(huán)境中進行刻蝕。所采用力為 20nN，樣品為硅烷疏水處理后的硅片，墨水為甘油。精確控制針尖在樣品表面的停留時間為 10秒所獲得的點。圖3A為刻蝕前硅片表面的圖案，圖;3B為刻蝕后的圖案。對比兩圖可知， 在此條件下用該方法能成功實現納米點的刻蝕。實施例3利用NSC-Il型針尖，在相對濕度為43. 4% 46. 5%的環(huán)境中進行刻蝕。圖4A為 所采用的力為40nN，樣品為新解離的云母，墨水為甘油，精確控制針尖在樣品表面的停留時 間為20秒，得到間隔周期為400nm的納米圖案，圖4B為采用的力為80nN，樣品為新解離的 云母，墨水為辣根過氧化物酶，停留時間為30秒，得到的“ 口”字形納米點陣。對比這兩圖 可以看出，通過該方法能成功地獲得納米點陣列；而且由于力和時間都得到了很好的控制， 在相同的操作參數下，這些點的形狀和大小非常一致。
權利要求
1.一種基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、在原子級平整的基底表面通過旋涂、蒸發(fā)干燥、光刻技術、軟刻蝕技術、電子束 刻蝕技術或者離子束刻蝕技術在基底上構造納米表面，獲得具有納米結構的樣品；第二步、將探針浸入到無機鹽溶液、有機小分子溶液、膠體溶液或生物大分子溶液中取 出，吹干；第三步、控制原子力顯微鏡的環(huán)境溫度為4°c到80°C，環(huán)境濕度為30% RH到80% RH 之間；第四步、用修飾后的探針掃描并記錄具有納米結構的樣品表面信息以選定一個或多個 刻蝕位置，然后在刻蝕位置上用同一根探針構造納米圖形，最后用該探針在樣品表面進行 掃描以檢驗刻蝕結果。
2.根據權利要求1所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的原 子級平整的基底為云母、石墨或硅片。
3.根據權利要求2所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的云 母的表面經3-氨基丙基硅烷進行疏水化處理。
4.根據權利要求1所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的納 米表面是指平整的表面、吸附有納米顆粒、納米線、納米帶、納米管或納米片層的表面以及 刻蝕有規(guī)則圖案的表面。
5.根據權利要求1所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的針 尖為原子力顯微鏡的單根探針或探針陣列。
6.根據權利要求1所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的無 機鹽溶液是指陽離子為鉀、鈉、鎂、鈣、鋅或銨根離子，陰離子為鹵素離子、碳酸根離子、硫 酸根離子或磷酸根離子組成的離子水溶液。
7.根據權利要求1所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的有 機小分子溶液是指分子量小于10000的硫醇或硅氧烷，溶劑為水或有機溶劑。
8.根據權利要求1所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，所述的膠 體溶液是指金屬金、金屬銀、金屬鉬、二氧化鈦、氧化鋅或氧化鐵的納米顆粒以及量子點均 勻分散在水或者有機溶劑中形成的溶液。
9.根據權利要求1所述的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，其特征是，第四步中 所述的選定一個或多個刻蝕位置是指用原子力顯微鏡的輕敲模式記錄所選定區(qū)域的樣品 表面的結構信息，再在此區(qū)域內確定需要刻蝕的位置；所述的構造納米圖形是指在刻蝕 位置上進行定點沉積，修飾后的針尖與樣品表面的選定位置接觸，使吸附在針尖上的材料 轉移到相應位置上，從而實現納米圖形的制造；所述的在樣品表面進行掃描是指將力曲 線模式切換回輕敲模式，并對原來選定的區(qū)域進行掃描，獲得樣品表面結構信息，檢驗刻蝕 結果。
全文摘要
一種納米制造技術領域的基于力調制模式的蘸筆納米刻蝕方法，通過將輕敲模式和力調制技術相結合，利用輕敲模式進行成像，利用力調制技術進行定點刻蝕實現。本發(fā)明能精確控制針尖與基底間的作用力和作用時間，可以更好地控制刻蝕結果，提高刻蝕操作的可重復性；同時，該方法可以一次性地進行多點的自動定位和蘸筆刻蝕操作，簡便、實用，有利于產業(yè)化。
文檔編號B82Y40/00GK102092678SQ20101061947
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者楊海軍, 沈廣霞, 郭守武 申請人:上海交通大學