專利名稱：寬量程電子隧穿式氧化鋅納米探針真空規(guī)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米制備、納米加工和納米器件的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及寬量程納米真空規(guī)及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前市場上現(xiàn)有的真空規(guī)，主要可分為電阻真空規(guī)，熱偶真空規(guī)和電離真空規(guī)等。電阻真空規(guī)是利用加熱元件的電阻與溫度有關(guān)、元件的溫度又與氣體傳導(dǎo)有關(guān)的原理，通過電橋電路來測量真空度的真空規(guī)，其測量范圍1×104帕～1×10-1帕。熱偶真空規(guī)是利用熱電偶的電勢與加熱元件的溫度有關(guān)、元件的溫度又與氣體的熱傳導(dǎo)有關(guān)的原理來測量真空度的真空規(guī)，其測量范圍1×102帕～1×10-1帕。電離真空規(guī)由筒狀收集極、柵網(wǎng)和位于柵網(wǎng)中心的燈絲構(gòu)成，筒狀收集極在柵網(wǎng)外面，利用熱陰極發(fā)射電子電離氣體分子，離子被收集極收集，根據(jù)收集的離子流大小來測量氣體壓強，其測量范圍1×10-1帕～1×10-6帕。當(dāng)真空度范圍在大氣1×105帕到高真空1×10-5帕之間時，需要使用多種真空規(guī)進行復(fù)合測量，一方面使得測量系統(tǒng)的體積增大，成本增加，不便于微型化，另一方面，由于每種真空規(guī)使用和工作條件不同，使得測量操作繁瑣。單獨使用基于現(xiàn)有技術(shù)制造的電阻、熱偶或電離規(guī)實現(xiàn)從大氣到高真空的寬量程真空測量至今未見報道。
隨著納米科技的不斷發(fā)展，氧化鋅材料在納電子器件中得到了廣泛的關(guān)注。氧化鋅是寬禁帶半導(dǎo)體，也是優(yōu)良的化學(xué)傳感材料，它對帶有極性和帶有氧化還原性的分子有較強的化學(xué)吸附性質(zhì)，這種化學(xué)吸附會顯著的改變氧化鋅的電學(xué)特性。尤其是，具有一維空間構(gòu)型的氧化鋅納米棒，其長寬比大，使其具有更大的比表面積，因而對分子吸附的敏感度比體材料和薄膜更高。CN 200410014149.1中公開了一種尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針的制備方法，這種氧化鋅棒狀單晶納米探針比表面積很大，尖端具有極性和強化學(xué)活動性，具有很高的傳感(sensing)性能，這使得基于該探針的納電子器件應(yīng)用成為可能。例如用于某些特定氣體、化學(xué)和生物分子的高靈敏度探測，甚至單分子探測領(lǐng)域，包括將它用于寬量程高靈敏度真空規(guī)的制備中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中不足，提供一種氧化鋅單晶納米探針真空規(guī)的器件架構(gòu)及其制備方法。
本發(fā)明的目的通過以下方式實現(xiàn)。
本發(fā)明的寬量程電子隧穿式氧化鋅納米探針真空規(guī)，其特征在于，該真空規(guī)是由納米探針和導(dǎo)電電極構(gòu)筑的納米尺度隧道結(jié)構(gòu)成，所述納米探針是尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針，它的尾端通過金屬電極定位沉積固定在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，在該基片上還定位沉積有另一碳膜電極，納米探針的針尖指向碳膜電極，針尖尖端與碳膜電極保持在未電學(xué)連接狀態(tài)，且距離小于5納米。
本發(fā)明的寬量程電子隧穿式氧化鋅納米探針真空規(guī)的制備方法中，所用的尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針的制備方法與CN 200410014149.1中公開的方法相同，其特征在于，此后的制備過程為(1)將尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針分散并組裝在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上將探針樣品浸入乙醇溶液中進行超聲分散，再將該探針/乙醇的懸濁液滴在清潔的氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，利用旋涂(SpinCoating)或干燥氣流(Dry Gas Flow)法甩掉液滴，使納米探針平鋪在上述基片上，并將其表面覆蓋度(密度)控制在低于1根/平方微米以內(nèi)，然后使用掃描電子顯微鏡對平鋪在基片上的納米探針進行檢查篩選，保留尖端曲率半徑小于5納米且無損傷的納米探針；(2)對上述通過篩選保留下的納米探針定位沉積電極在上述納米探針的尾端(半徑大于10納米的部分)利用微機電(MEMS)工藝定位沉積加工金屬電極；(3)制備納米探針針尖-空氣-碳電極納米隧道結(jié)在納米探針尖端的前方定位沉積導(dǎo)電碳膜作為對電極，并控制沉積的區(qū)域使碳膜和納米探針針尖間距逐漸減小至5納米以內(nèi)，但并不接觸；(4)對上述隧道結(jié)進行篩選和穩(wěn)定化處理在兩電極上施加掃描區(qū)域大于-5～5伏但小于-20～20伏的電壓進行快速反復(fù)掃描、或施加大于5伏但小于30伏脈沖電壓，經(jīng)過篩選，在上述偏壓下隧穿電流大于10納安以上、且伏安特性曲線為曲線的隧道結(jié)為合格產(chǎn)品；(5)真空規(guī)的標(biāo)定在不同的真空度下進行伏安測量，并用電離真空規(guī)加熱偶真空規(guī)進行標(biāo)定，確定出真空度與隧穿電流的關(guān)系，做出真空度-電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表。
上述制備過程中，所使用的電極金屬是金或鉑。
本發(fā)明的真空規(guī)，利用常規(guī)的MEMS工藝，選用特殊的納米探針結(jié)構(gòu)和納米隧道結(jié)這種非接觸式的器件架構(gòu)，恰當(dāng)?shù)倪x定加工處理工藝控制參數(shù)達到優(yōu)化值，使真空規(guī)工作于電子隧穿模式，傳感特性取決于探針尖端-碳電極之間的電子隧穿，這從根本上改變了傳統(tǒng)中的電阻式和電容式傳感器模式。通過量子力學(xué)和半導(dǎo)體物理原理可知，所述的納米探針傳感靈敏度主要由針尖處曲率半徑而非探針平均尺寸決定，尖端和隧道結(jié)特性對于隧穿電流起決定作用。本發(fā)明使用了尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針，比表面積、化學(xué)活動性大大提升，因而對真空變化的靈敏度比以往的納米線(半徑大于10納米的)傳感器大大提高。同時由于氧化鋅納米探針-空氣-碳電極納米隧道結(jié)的隧穿電流在大氣到10-5帕高真空的很大范圍內(nèi)隨真空單調(diào)變化并且變化明顯，因此其量程能覆蓋從大氣到高真空(105～10-5帕)的很大范圍，比單獨使用電阻、熱偶和電離真空規(guī)的量程都要大得多。現(xiàn)有實驗表明該探針尖端的可重復(fù)曲率半徑在2納米左右，如果通過進一步優(yōu)化有望制得準(zhǔn)原子尺度尖端曲率半徑的納米探針，這就更能進一步保證其高靈敏度的真空傳感性能。測試表明，本發(fā)明的真空規(guī)在負(fù)偏壓下，隧穿電流在大氣到10-5帕高真空的很大范圍內(nèi)隨真空單調(diào)變化，正常穩(wěn)定，這說明其量程很寬，在105～10-5帕范圍內(nèi)。而且，由于其體積很小(亞微米量級)，且無須烘烤和去氣，因此使用十分方便，能滿足小型化要求，有望取代目前高真空系統(tǒng)中普遍使用的電離真空規(guī)加熱偶真空規(guī)的復(fù)合式配置。
本發(fā)明中所使用的納米探針雖然在尖端非常尖銳，但在整體上平均直徑達到100納米，長徑比可達10～100倍，這個尺度非常便于常規(guī)MEMS工藝加工處理，因此本發(fā)明所述的制備方法，整個過程參數(shù)控制方便，加工工藝成熟，可靠性高。由于其生產(chǎn)周期較短，生產(chǎn)成本低，也很利于批量制備加工。
下面通過實施例及其附圖作進一步說明。


圖1是本發(fā)明所述寬量程電子隧穿式氧化鋅納米探針真空規(guī)的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是利用本發(fā)明制備的真空規(guī)在三種不同真空度下的代表性伏安特性曲線，其中的插圖是器件中納米探針的代表性掃描電子顯微像。
參見圖1，1為硅基片，2是氧化硅或氮化硅層，氧化鋅納米探針5通過金屬電極4的定位沉積固定在硅基片上的氧化硅或氮化硅層上，納米探針的針尖指向碳膜電極3，其針尖與碳膜電極3的距離小于5納米，但不接觸，形成隧道結(jié)6。
圖2中，其橫坐標(biāo)是電壓，單位是伏特；縱坐標(biāo)是電流，單位是納安。
具體實施例方式
實施例11.準(zhǔn)備好一片平整的被名義厚度為100納米的熱氧化硅膜覆蓋的(111)晶向的5×5×0.3立方毫米的硅單晶拋光外延基片，用丙酮超聲清洗3次，每次5分鐘，使該基片表面清潔；2.將CN 200410014149.1實施例制得的納米探針陣列樣品浸入乙醇中分3次對樣品超聲震蕩分散得到納米探針/乙醇的懸濁液，每次超聲1分鐘，超聲功率和頻率分別為180瓦、40千赫茲；3.用移液管取少量均勻分散的懸濁液滴在氧化硅膜/硅基片上，使其表面完全被液滴覆蓋，利用旋涂(Spin Coating)法，轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分，定時2分鐘(以便迅速甩掉基片上的液滴)，使基片干燥；4.使用聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)附帶的掃描電子顯微鏡對平鋪分散的納米探針的形貌進行篩選，選取一根符合要求的尖端曲率半徑為2納米的探針，利用微機電(MEMS)加工工藝進行定位和電極沉積，在納米探針的尾端(半徑大于10nm的部分)加工100納米厚的鉑電極及其引腳；5.在針尖端前方，定位沉積50納米厚的導(dǎo)電碳膜作為對電極，并做好引腳，在兩個電極上施加一個5伏的正偏壓(規(guī)定電流由碳電極經(jīng)過針尖流到鉑電極的方向為正)實時監(jiān)控碳電極與鉑電極之間的電流，同時繼續(xù)向逼近針尖的方向定位沉積碳膜，監(jiān)視其電流變化，當(dāng)電流達到100納安時立刻停止沉積，然后用顯微鏡觀測碳電極和針尖間距是否在5納米以內(nèi)并且尚未連接。實際觀察到此時本實施例的碳電極和針尖間距約為1納米；6.在兩電極之間快速施加-10～10伏電壓來回掃描20次，檢測針尖是否構(gòu)成針尖-空氣-碳電極構(gòu)成的隧道結(jié)并獲得了電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性。(如果掃描電壓期間完全不導(dǎo)通或伏安特性曲線為直線，回到步驟4繼續(xù))7.真空規(guī)的簡單標(biāo)定在三種不同的真空度下進行伏安測量，并用電離真空規(guī)加熱偶真空規(guī)進行標(biāo)定，確定出真空度與隧穿電流的關(guān)系并作出曲線圖，如圖2。
圖2是利用上述方法制備的納米真空規(guī)在三種不同真空度下的伏安特性曲線。從圖中可以清楚看出，當(dāng)兩個電極間的電壓恒定為-5伏時，環(huán)境為大氣時，其電流強度小于0.1納安；當(dāng)真空度為1帕?xí)r，其電流強度為45±0.5納安；而當(dāng)真空度為1×10-1帕?xí)r，其電流強度為90±0.5納安。這就說明，隨著真空度的提高，電流強度越來越大。因此，在固定負(fù)偏壓下，通過測量電流值就可以通過轉(zhuǎn)換得到所處環(huán)境的真空度。
實施例21.準(zhǔn)備好一片平整的被名義厚度為50納米的氮化硅膜覆蓋的(100)晶向的10×5×0.3立方毫米的硅單晶拋光外延基片，用丙酮超聲清洗3次，每次5分鐘，使該基片表面清潔；2.將CN 200410014149.1實施例制得的納米探針陣列樣品浸入乙醇中分3次對樣品超聲震蕩分散得到納米探針/乙醇的懸濁液，每次超聲2分鐘，超聲功率和頻率分別為180瓦、40千赫茲；3.用移液管取少量均勻分散的懸濁液滴在氮化硅膜/硅基片上，使其表面完全被液滴覆蓋，利用干燥氮氣流(Dry Gas Flow)法，氮氣流速為20標(biāo)準(zhǔn)升/分，使氣流噴嘴掠入射吹過基片，迅速吹掉基片上的液滴，并使基片干燥；4.使用聚焦離子束刻蝕系統(tǒng)附帶的掃描電子顯微鏡對平鋪分散的納米探針的形貌進行篩選，選取一根符合要求的尖端曲率半徑為1.5納米的探針，利用微機電(MEMS)加工工藝進行定位和電極沉積，在納米探針的尾端(半徑大于10nm的部分)加工200納米厚的金電極和引腳；5.在針尖端前方定位沉積100納米厚的導(dǎo)電碳膜作為對電極，并做好引腳，在兩個電極上施加一個5伏的正偏壓(規(guī)定電流由碳電極經(jīng)過針尖流到鉑電極的方向為正)實時監(jiān)控碳電極與鉑電極之間的電流，同時繼續(xù)向逼近針尖的方向定位沉積碳膜，監(jiān)視其電流變化，當(dāng)電流達到10納安時立刻停止沉積。然后用顯微鏡觀測碳電極和針尖間距是否在5納米以內(nèi)并且尚未連接。實際觀察到此時本實施例的碳電極和針尖間距約為2.5納米；6.在兩電極之間施加-10伏電壓脈沖10次，檢測針尖是否構(gòu)成針尖-空氣-碳電極構(gòu)成的隧道結(jié)并獲得了電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性。(如果掃描電壓期間完全不導(dǎo)通或伏安特性曲線為直線，回到步驟4繼續(xù))7.真空規(guī)的簡單標(biāo)定在三種不同的真空度下進行伏安測量，并用電離真空規(guī)加熱偶真空規(guī)進行標(biāo)定，確定出真空度與隧穿電流的關(guān)系。測量結(jié)果表明，當(dāng)兩個電極間的電壓恒定為-5伏時，當(dāng)環(huán)境為大氣時，其電流強度小于0.1納安，當(dāng)真空度為1帕?xí)r，其電流強度為10±0.5納安，而當(dāng)真空度為1×10-4帕?xí)r，其電流強度為20±0.5納安。
權(quán)利要求
1.一種寬量程電子隧穿式氧化鋅納米探針真空規(guī)，其特征在于，該真空規(guī)是由納米探針和導(dǎo)電電極構(gòu)筑的納米尺度隧道結(jié)構(gòu)成，所述納米探針是尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針，它的尾端通過金屬電極定位沉積固定在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，在該基片上還定位沉積有另一碳膜電極，納米探針的針尖指向碳膜電極，針尖尖端與碳膜電極保持在未電學(xué)連接狀態(tài)，且距離小于5納米。
2.如權(quán)利要求1所述的真空規(guī)，其特征在于，所述的氧化鋅棒狀單晶納米探針的尾端通過金屬電極定位沉積固定在氮化硅薄膜/硅基片上。
3.制備如權(quán)利要求1所述的寬量程電子隧穿式氧化鋅納米探針真空規(guī)的方法，所用的尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針的制備方法與CN 200410014149.1中公開的方法相同，其特征在于，此后的制備過程為(1)將尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針分散并組裝在氧化硅薄膜/硅基片上將探針樣品浸入乙醇溶液中進行超聲分散，再將該探針/乙醇的懸濁液滴在清潔的氧化硅薄膜/硅基片上，利用旋涂或干燥氣流法甩掉液滴，使納米探針平鋪在上述基片上，并將其表面覆蓋度控制在低于1根/平方微米以內(nèi)，然后使用掃描電子顯微鏡對平鋪在基片上的納米探針進行檢查篩選，保留尖端曲率半徑小于5納米且無損傷的納米探針；(2)對上述通過篩選保留下的納米探針定位沉積電極在上述納米探針的尾端利用微機電工藝定位沉積加工金屬電極；(3)制備納米探針針尖-空氣-碳電極納米隧道結(jié)在納米探針尖端的前方定位沉積導(dǎo)電碳膜作為對電極，并控制沉積的區(qū)域使碳膜和納米探針針尖間距逐漸減小至5納米以內(nèi)，但并不接觸；(4)對上述隧道結(jié)進行篩選和穩(wěn)定化處理在兩電極上施加掃描區(qū)域大于-5～5伏但小于-20～20伏的電壓進行快速反復(fù)掃描、或施加大于5伏但小于30伏的脈沖電壓，經(jīng)過篩選，在上述偏壓下隧穿電流大于10納安以上、且伏安特性曲線為曲線的隧道結(jié)為合格產(chǎn)品；(5)真空規(guī)的標(biāo)定在不同的真空度下進行伏安測量，并用電離真空規(guī)加熱偶真空規(guī)進行標(biāo)定，確定出真空度與隧穿電流的關(guān)系，做出真空度-電流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表。
4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述制備過程(1)是將尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針分散并組裝在氮化硅薄膜/硅基片上，即將探針樣品浸入乙醇溶液中進行超聲分散，再將該探針/乙醇的懸濁液滴在清潔的氮化硅薄膜/硅基片上。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米制備、納米加工和納米器件的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及寬量程納米真空規(guī)及其制備方法。該真空規(guī)是由納米探針和導(dǎo)電電極構(gòu)筑的納米尺度隧道結(jié)構(gòu)成，所述納米探針是尖端曲率半徑小于5納米的氧化鋅棒狀單晶納米探針，它的尾端通過金屬電極定位沉積固定在氧化硅薄膜/硅基片或氮化硅薄膜/硅基片上，在該基片上還定位沉積有另一碳膜電極，納米探針的針尖指向碳膜電極，針尖尖端與碳膜電極保持在未電學(xué)連接狀態(tài)，且距離小于5納米。其制備過程中利用常規(guī)的MEMS工藝，選用納米探針結(jié)構(gòu)和納米隧道結(jié)這種非接觸式的器件架構(gòu)，恰當(dāng)?shù)倪x定加工處理工藝控制參數(shù)達到優(yōu)化值，使真空規(guī)工作于電子隧穿模式，整個過程參數(shù)控制方便，加工工藝成熟，可靠性高。
文檔編號B82B3/00GK1800799SQ20051009555
公開日2006年7月12日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者潘楠, 張琨, 王曉平, 侯建國 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)