一種用于加工納米材料的納米切割刀及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于納米材料微納加工的納米器件領(lǐng)域、尤其涉及一種用于納米材料 切割加工的納米管切割刀的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微納電子學(xué)的發(fā)展，電子器件的尺寸越做越小、集成度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的微機(jī) 電系統(tǒng)也漸漸向納機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展。構(gòu)建微納器件需要使用各種納米材料，包括一維納米線、 納米顆粒、二維納米片等等。制備納米材料通常有自上而下的微加工工藝和自下而上的自 組裝的方法，兩種方法各有特色。然而，由于自上而下的微加工工藝通常適用于在基底上進(jìn) 行結(jié)構(gòu)制作，難以獲得懸空、可自由操作的高結(jié)晶質(zhì)量的納米結(jié)構(gòu)，而自下而上自組裝生長(zhǎng) 的納米材料通常具有高純度、高結(jié)晶度、優(yōu)異電學(xué)、力學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)，因而自組裝生長(zhǎng)的納 米材料是納米器件設(shè)計(jì)制造中會(huì)使用到的重要材料。
[0003] 自組裝生長(zhǎng)的納米材料，如金屬納米線，通常其直徑、結(jié)晶度可以通過(guò)化學(xué)手段進(jìn) 行有效調(diào)控，然而對(duì)其長(zhǎng)度通常難以精確控制。另外，對(duì)于二維納米片，由于生長(zhǎng)過(guò)程中難 以對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，因而當(dāng)前仍無(wú)法制備具有指定幾何形狀的二維片層結(jié)構(gòu)。這些 制約因素都限制著納米材料在納米器件上的應(yīng)用。探索一種能夠?qū){米材料進(jìn)行有效剪裁 的方法，設(shè)計(jì)一種可以對(duì)納米材料進(jìn)行切割加工的裝置，對(duì)納米材料的應(yīng)用以及納米器件 的設(shè)計(jì)具有重要意義。
[0004] 另外，在納米材料的研宄過(guò)程中，研宄者發(fā)現(xiàn)納米材料的結(jié)構(gòu)、性能會(huì)與其幾何形 狀密切相關(guān)。例如，納米催化劑、石墨條、硫化鑰等，它們的性質(zhì)受其結(jié)構(gòu)、邊緣形貌等多因 素影響。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)納米材料不同幾何結(jié)構(gòu)狀態(tài)與其性質(zhì)、性能之間的聯(lián)系，研宄者需 要對(duì)這些納米材料進(jìn)行選擇性地進(jìn)行加工、切削。而當(dāng)前尚缺乏能夠?qū){米材料進(jìn)行加工 切削的有效方法，因而探索一種納米尺度的切割工具對(duì)于深入研宄納米材料的結(jié)構(gòu)和性能 也同樣具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是： 設(shè)計(jì)一種可用于切割納米材料的納米切割刀。利用本發(fā)明所設(shè)計(jì)的納米切割刀可以對(duì) 納米線、納米顆粒、納米片等結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)剪裁，從而促進(jìn)納米材料的深入研宄并推動(dòng) 納米材料在納米器件中的應(yīng)用。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是： 本發(fā)明提供了一種用于加工納米材料的納米切割刀，包括截面為U型的外殼，設(shè)在U 形外殼開(kāi)口端的電路總控，設(shè)在外殼內(nèi)一端的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)筒、金屬銅帽以及可裝載于金 屬銅帽的金屬探針，設(shè)在外殼內(nèi)另外一端的四電極引線、第一支撐陶瓷片、彈簧壓緊模塊、 第二支撐陶瓷片、四電極組成的四電極連接片以及碳納米管；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)筒裝配于U型 殼內(nèi)并與電路總控相連，金屬銅帽固定于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)筒前端，金屬探針可拆卸的固定于 金屬銅帽上；第一支撐陶瓷片固定于U型殼內(nèi)并與四電極引線相連，四電極引線通過(guò)U型殼 內(nèi)壁引線連接電路總控，第二支撐陶瓷片固定于U型殼內(nèi)，利用彈簧壓緊模塊壓緊并連接 第一支撐陶瓷片和第二支撐陶瓷片，四電極連接片固定于第二壓電陶瓷片上；通過(guò)壓電陶 瓷驅(qū)動(dòng)筒控制金屬銅帽和金屬探針的精確移動(dòng)，把碳納米管固定于四電極連接片的任意兩 個(gè)電極上。
[0007] 優(yōu)選的，所述第一支撐陶瓷片和第二支撐陶瓷片上分別開(kāi)有四個(gè)小孔，小孔內(nèi)以 及小孔兩側(cè)沉積有金或者鉑電極，每個(gè)陶瓷片上四個(gè)電極各自獨(dú)立互不導(dǎo)通。
[0008] 優(yōu)選的，所述四電極連接片所使用的基底材料為氧化鋁或者氮化硅，四電極材料 為金、鉑或者鎳金。
[0009] 優(yōu)選的，所述四個(gè)電極在基底一端兩兩靠近，兩靠近電極之間的寬度為 2 μηι~20 μπι，兩組靠近的電極有部分懸空于基底之外，電極懸空長(zhǎng)度為0· 1 μηι~20 μπι，圖2 所示。
[0010] 優(yōu)選的，所述金屬探針的材料為鎢、金、銅或者鋁。
[0011] 優(yōu)選的，所述電路總控的加載電壓為〇. 1V~5V。
[0012] 一種用于加工納米材料的納米切割刀的使用方法，其使用步驟如下： ① 取下金屬銅帽和金屬探針，用鑷子夾緊金屬探針在碳納米管粉末中粘附上碳納米 管； ② 把粘附有碳納米管的金屬探針固定回金屬銅帽上，再把金屬銅帽固定回壓電陶瓷驅(qū) 動(dòng)筒上； ③ 把裝配好的結(jié)構(gòu)裝入透射電子顯微鏡中，通過(guò)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)筒移動(dòng)金屬銅帽和 金屬探針，把金屬探針上的碳納米管搭接到四電極的懸空部分上； ④ 移回壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)筒，把裝配結(jié)構(gòu)從透射電子顯微鏡中取出，取下金屬銅帽和金屬 探針； ⑤ 從金屬銅帽上取下帶有碳納米管的金屬探針，取一根新的金屬探針粘取需要切割的 材料，把粘有待切割材料的金屬探針裝回金屬銅帽上； ⑥ 把裝配結(jié)構(gòu)裝入透射電子顯微鏡，通過(guò)移動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)筒使金屬探針上的銀納米 線靠近四電極上的碳納米管； ⑦ 通過(guò)電路總控對(duì)四電極連接片上的碳納米管進(jìn)行加載電壓電流，移動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng) 筒使金屬探針上的待切割材料搭上碳納米管，通過(guò)碳納米管的焦耳發(fā)熱對(duì)銀納米線進(jìn)行切 割。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出了一種用于加工納米材料的納米切割刀，該發(fā) 明可以有效彌補(bǔ)當(dāng)前對(duì)納米材料加工切割手段的不足。采用耐高溫的碳納米管搭接到四電 極連接片的電極的懸空部分，通過(guò)第二支撐陶瓷片、彈簧壓緊模塊、第一支撐陶瓷片、四電 極連線連接后與電路總控相連，使碳納米管上形成電流回路，通過(guò)電路總控讓碳納米管負(fù) 載上電流，使碳管具有很高溫度，當(dāng)把需要切割的納米材料放置于發(fā)熱的碳納米管上，即可 對(duì)納米材料進(jìn)行切割。本發(fā)明設(shè)計(jì)的碳納米管切割刀，不僅可以修裁納米材料以利于納米 器件設(shè)計(jì)制造，還可以修裁納米材料用于研宄其結(jié)構(gòu)與性能的對(duì)應(yīng)聯(lián)系。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖I :一種可用于切割納米材料的納米切割刀的裝置示意圖。
[0015] 圖2 :本發(fā)明搭載碳納米管的四電極連接片示意圖。
[0016] 圖3 :本發(fā)明用于切割銀納米線實(shí)例圖。
[0017] 附圖標(biāo)記：1-電路總控；2-U型殼；3-壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)筒；4-金屬銅帽；5-金屬探 針；6-四電極連接片；7-第二支撐陶瓷片；8-彈簧壓緊模塊；9-第一支撐陶瓷片；10-四電 極引線；11-金屬四電極連線；12-碳納米管。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的工作原理是：把碳納米管搭接到四電極連接片的電極的懸空部 分，通過(guò)第二支撐陶瓷片、彈簧壓緊模塊、第一支撐陶瓷片、四電極連線連接后與電路總 控相連，使碳納米管上形成電流回路，通過(guò)電路總控讓碳納米管負(fù)載上電流（電流大小在 1 μ A