專利名稱：分離納米材料及制作納米電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種將納米材料與其襯底分離的方法以及利用所分離的納米材料制作納米電極的方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電子器件尺寸朝著小尺度、低維方向的發(fā)展，研究人員們不斷地合 成出形貌豐富的納米材料，并利用各種物性測(cè)試手段研究其性質(zhì)，以期望能夠進(jìn)一步研制 出新型的納電子器件與邏輯功能結(jié)構(gòu)。其中，采用自下而上(bottom-up)的工藝技術(shù)生 長的具有新異性能的納米材料的出現(xiàn)引起了越來越多的關(guān)注，但是納米材料的空間存在 方式?jīng)Q定了對(duì)其進(jìn)行物性測(cè)試的技術(shù)方案及難易程度。通常在對(duì)這些單個(gè)納米材料進(jìn) 行形貌、電學(xué)或光學(xué)等特性測(cè)試前，需要將其從襯底上分離開來，它包括納米實(shí)體的刮取 收集、液相分散、表面轉(zhuǎn)移等步驟，參見文獻(xiàn)“Optical and electrical properties of ZnO nanowires grown on aluminium foil by non-catalytic thermal evaporation，，· 《Nanotechnology》.2007，Vol. 18 :175606。在該文中，首先將無規(guī)律大面積生長于襯底上 的ZnO納米線經(jīng)刀片刮離襯底，然后放入乙醇溶液進(jìn)行超聲處理使聚團(tuán)納米線族分離，之 后取分散液少量，滴到具有絕緣薄膜層的襯底表面，進(jìn)而將其制成接觸電極以進(jìn)行光電特 性測(cè)試。上述方法的不足之處在于1.使用刀片對(duì)襯底上的納米材料進(jìn)行分離容易對(duì)納米 材料造成機(jī)械損傷，并有可能破壞其原始幾何形狀，尤其是對(duì)于多臂或其它形狀復(fù)雜的納 米結(jié)構(gòu)；2.分散液進(jìn)行取液時(shí)具有很大的隨機(jī)性，不僅在尋找分散的單一納米材料時(shí)耗費(fèi) 時(shí)間，也很難對(duì)單根納米材料進(jìn)行單獨(dú)分離及研究。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種對(duì)納米材料 無破壞性、可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)單一納米材料個(gè)體進(jìn)行分離的方法。本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種分離納米材料的方法，所述納米材料為一維納米材料，所述分 離納米材料的方法包括如下步驟1)將納米材料固定在樣品臺(tái)上，獲取所述納米材料與襯底的夾角；2)根據(jù)所述納米材料與襯底的夾角，調(diào)整襯底與水平面和離子束入射方向之間的 夾角；3)以步驟2)所確定的納米材料與襯底的位置，對(duì)所述納米材料進(jìn)行成像，根據(jù)成 像結(jié)果劃定切割區(qū)域；4)以步驟2)所確定的納米材料與襯底的位置，利用離子束對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行切割 掃描，直至納米材料被切斷。上述技術(shù)方案中，所述步驟1)中，包括通過初步掃描成像獲得納米材料與襯底的夾角。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，調(diào)整夾角時(shí)，使得所述離子束入射方向與納米 材料的長軸方向分別位于法線兩側(cè)；或者離子束入射方向與納米材料的長軸方向位于法線 同一側(cè)，且離子束入射方向與水平面夾角大于納米材料長軸方向與水平面夾角。上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，調(diào)整夾角時(shí)，還使得所述納米材料不垂直于水 平面。上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，調(diào)整夾角時(shí)，還使得所述納米材料與水平線的 夾角在0° 60°范圍內(nèi)。上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，調(diào)整夾角時(shí)，還使得所述離子束入射方向與納 米材料傾斜方向的夾角在30° 90°范圍內(nèi)。上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，調(diào)整夾角時(shí)，還使得所述離子束入射方向與所 述襯底的夾角在30° 90°范圍內(nèi)；或者使得所述離子束入射方向與所述襯底平行。上述技術(shù)方案中，在所述步驟3)中，所述切割區(qū)域位于所述納米材料的根部，所 述切割區(qū)域?yàn)榫匦螀^(qū)域，所述矩形區(qū)域長為所述納米材料根部橫截面長度的2 4倍，寬度 為所述納米材料根部橫截面寬度的1 3倍。上述技術(shù)方案中，在所述步驟4)中，所述離子束的束流為pA到nA的量級(jí)。上述技術(shù)方案中，所述分離納米材料的方法利用雙束掃描電子顯微鏡/聚焦離子 束系統(tǒng)或單束聚焦離子束系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)所述納米材料生長在具有網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的襯底上時(shí)，本發(fā)明還提供了另一種分離納 米材料的方法，包括如下步驟1)對(duì)所述納米材料進(jìn)行成像，根據(jù)成像結(jié)果在襯底上劃定切割區(qū)域，所述切割區(qū) 域位于納米材料周圍的支撐膜上；2)利用離子束對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行掃描，直至納米材料周圍的所有支撐膜被切斷，與 主體網(wǎng)膜分開。本發(fā)明還提供了一種制作納米電極的方法，其特征在于，包括如下步驟1)利用所述分離納米材料的方法對(duì)納米材料進(jìn)行切割，使得所述納米材料著陸在 所述襯底上；2)對(duì)著陸在所述襯底上的納米材料進(jìn)行加工制備成納米電極。與現(xiàn)有的納米材料與襯底分離的方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.離子束切割避免了對(duì)納米材料的破壞與機(jī)械損傷；2.對(duì)于生長于事先加工好的電極接觸圖形間的納米材料，納米材料與襯底的分離及電極連線的制作可在雙束SEM/FIB或單束FIB系統(tǒng)上一次性完成，具有時(shí)間及成本優(yōu) 勢(shì)；3.對(duì)納米材料進(jìn)行切割后可用FIB制作定位記號(hào)，通過應(yīng)用電子束曝光系統(tǒng)及相 關(guān)工藝生長電極接觸，進(jìn)一步保證了對(duì)納米材料電極結(jié)構(gòu)制作的靈活性、完整性與準(zhǔn)確性。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1 (a)和圖1 (b)示出了分離納米材料時(shí)需要滿足的納米材料，工作平面法線及 離子束入射方向之間的幾何位置關(guān)系；
圖2示出了考慮重力作用時(shí)，納米材料與工作平面水平線之間的優(yōu)選角度范圍；圖3示出了在襯底與樣品臺(tái)之間增加楔形樣品托后，且納米材料與離子束入射方向分別位于工作平面法線的兩側(cè)，考慮切割面積時(shí)的納米材料與離子束入射方向之間的優(yōu) 選角度范圍；圖4(a)和圖4(b)示出了在襯底與樣品臺(tái)之間增加楔形樣品托后，考慮切割對(duì)襯 底的損傷面積時(shí)的離子束入射方向與襯底之間的優(yōu)選角度范圍；圖5(a)至圖5(c)示出了本發(fā)明一些實(shí)施例的納米材料、樣品托及樣品臺(tái)之間的 相對(duì)位置關(guān)系，其中離子束入射方向與水平面的夾角為α，樣品臺(tái)傾斜旋轉(zhuǎn)角度為β，樣 品托傾斜面的傾斜角度為Y，納米材料與襯底的夾角為θ ；圖6(a)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中使用的TEM多孔碳膜網(wǎng)柵的SEM俯視圖；圖6(b)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中使用的TEM多孔碳膜網(wǎng)柵部分區(qū)域放大圖，與襯底 分離后的含鎢納米材料的SEM俯視圖及未切割的納米材料的俯視圖與用來切割的大致離 子束掃描區(qū)域；圖7(a)為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的未分離的含鎢納米材料的離子束掃描圖；圖7(b)為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的與襯底分離后的含鎢納米材料的四電極接觸結(jié) 構(gòu)SEM俯視圖。
具體實(shí)施例方式[實(shí)施例1]本實(shí)施例提供了一種對(duì)生長在襯底上的納米線進(jìn)行分離的方法，需要利用到雙束 掃描電子顯微鏡/聚焦離子束(SEM/FIB)系統(tǒng)或單束聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)，包括如下步 驟1)將生長納米線的襯底固定在SEM/FIB系統(tǒng)真空腔室的樣品臺(tái)上。一般來說，樣 品臺(tái)配有樣品托，所述襯底首先固定在樣品托上，然后再將樣品托放入真空腔室并將所述 樣品托固定在樣品臺(tái)上。所述襯底主要有三種類型，不同類型襯底的固定方式有所不同。下 面詳細(xì)敘述各類襯底及其固定方法(i)若襯底是具有表面絕緣層的導(dǎo)電襯底(即襯底包括表面層和底層，表面層為 絕緣層，底層為導(dǎo)電層)，可用導(dǎo)電物質(zhì)從襯底背面將其固定在樣品托上。樣品托具有良好 的導(dǎo)電性，因此樣品托與樣品臺(tái)是電導(dǎo)通的。所述絕緣層包括SiO2, Si3N4，Al2O3或其組合 等；所述導(dǎo)電襯底包括Si，GaAs, GaN, InP或金屬等；此外，也可用普通光學(xué)光刻-金屬沉 積_剝離工藝在長有電介質(zhì)薄膜的襯底上制作金屬接觸圖形并用其為襯底；(ii)若襯底是具有表面導(dǎo)電層的絕緣襯底(即襯底包括表面層和底層，表面層為 導(dǎo)電層，底層為絕緣層)，可將樣品固定在樣品托上后，再用導(dǎo)電物質(zhì)將樣品表面與樣品托 連接起來。其中，所述導(dǎo)電層包括諸如ITO薄膜的導(dǎo)電氧化物或單層的或多層的金屬，所述 金屬包括Au，Ni, Cr, Cu或Al等；所述絕緣襯底包括玻璃、石英或藍(lán)寶石等絕緣材料；(iii)若襯底是網(wǎng)格或網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，例如微孔網(wǎng)格、透射電子顯微鏡(TEM)網(wǎng)柵及其 多孔膜、FIB載網(wǎng)及其連續(xù)膜等，可用導(dǎo)電物質(zhì)將網(wǎng)格或網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)從其表面邊緣固定到樣品 托上。所述導(dǎo)電物質(zhì)包括導(dǎo)電銀膠、導(dǎo)電碳帶或銅帶等。2)獲取納米線與襯底間的夾角。
本實(shí)施例中，納米材料為一維納米材料，包括納米線、納米管、納米棒等。為了敘述 方便，本實(shí)施例中以納米線為例來對(duì)分離方法中的各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述。為了獲取納米線與襯底間夾角，可以將襯底和納米線置于SEM/FIB系統(tǒng)的腔體 內(nèi)，通過初步掃描成像獲得納米線與襯底間的夾角。即可以通過兩次SEM掃描圖像來計(jì)算 比如說首先可通過SEM電子束垂直入射于襯底時(shí)的納米線的掃描照片得到其在水平面的 投影長度Cl1 ；然后將樣品臺(tái)傾斜旋轉(zhuǎn)一定角度Φ，再一次得到納米線在水平面的投影長度 d2 ；通過屯，d2和Φ，可以推導(dǎo)計(jì)算納米線與襯底間的夾角θ。
值得說明的是，當(dāng)所述納米線與襯底間的夾角已知時(shí)，可以省略上述初步掃描成 像的步驟。3)調(diào)整納米線/襯底與離子束的入射方向之間的夾角。首先定義經(jīng)過納米線且垂直于水平面的平面為工作平面。在工作平面內(nèi)，垂直于 水平面的線為法線。本實(shí)施例中，樣品臺(tái)可以旋轉(zhuǎn)，樣品臺(tái)上還可以放置一個(gè)樣品托，這樣可以方便地 調(diào)整襯底和納米線與水平面的夾角。這里應(yīng)當(dāng)注意，由于納米線與襯底的夾角是固定的，所 以調(diào)整襯底與水平面夾角的過程和調(diào)整納米線與水平面夾角的過程是同步的。首先，調(diào)整樣品臺(tái)的位置，找到襯底上待分離的納米線，使得離子束位于所述工作 平面內(nèi)。離子束的入射方向應(yīng)當(dāng)避開納米線傾倒過程所經(jīng)過的路徑，以避免所述納米線的 結(jié)構(gòu)被破壞。因此，本實(shí)施例中，離子束入射方向與納米線長軸方向應(yīng)當(dāng)分別位于法線兩 側(cè)。即當(dāng)設(shè)備的離子束從法線右側(cè)入射時(shí)，納米線向法線左側(cè)傾斜；當(dāng)納米線向法線右側(cè)傾 斜時(shí)，可以將樣品臺(tái)繞ζ軸旋轉(zhuǎn)180°，使之向法線左側(cè)傾斜。但值得說明的是，滿足條件 的情況并不限于此，即使離子束入射方向與納米線傾斜方向位于法線同一側(cè)，只要離子束 入射方向與水平面夾角大于納米線傾斜方向與水平面夾角即可。圖1(a)、(b)、圖2、圖3、 圖4(a)、(b)中0為工作平面法線方向，1為工作平面水平線，2為離子束入射方向，9為樣 品托，14為樣品臺(tái)，θ為納米線與襯底的夾角，γ為樣品托傾斜面的傾斜角，下文中不再贅 述。如圖1(a)所示，3為納米線原始位置，4為納米線的第一邊界位置，5為納米線的第二 邊界位置，6為襯底原始位置，7為襯底的第一邊界位置，8為襯底的第二邊界位置。圖1(a) 中，樣品臺(tái)和襯底原始位置均為水平，無樣品托或樣品托傾角為0。樣品臺(tái)的最大逆時(shí)針轉(zhuǎn) 角受兩個(gè)因素的影響，其一為所用系統(tǒng)的逆時(shí)針可旋轉(zhuǎn)的最大值，其二為離子束入射方向， 即入射離子束不被旋轉(zhuǎn)后的樣品臺(tái)與襯底邊沿所阻擋。如圖1(a)所示，納米線的第一邊界 位置4表示有可能用來實(shí)施切割分離的納米線位置在逆時(shí)針方向的上的邊界，襯底的第一 邊界位置7表示有可能用來實(shí)施切割分離的襯底位置在逆時(shí)針方向的上的邊界。決定樣品 臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)角最大值的兩因素在于，其一，旋轉(zhuǎn)后的納米線仍位于工作平面法線的左側(cè)；其 二為所用系統(tǒng)的樣品臺(tái)順時(shí)針可旋轉(zhuǎn)的最大值。如圖1(a)所示，納米線的第二邊界位置5 表示有可能用來實(shí)施切割分離的納米線位置在順時(shí)針方向的上的邊界，襯底的第二邊界位 置8表示有可能用來實(shí)施切割分離的襯底位置在順時(shí)針方向的上的邊界。由此，可以看出 當(dāng)納米線與離子束入射方向分別處于法線兩側(cè)時(shí)，納米線必須處于納米線的第一邊界位置 4和納米線的第二邊界位置5范圍內(nèi)。當(dāng)設(shè)定β為所述樣品臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，且順時(shí)針為正 方向，逆時(shí)針為負(fù)方向時(shí)，β的范圍為-α彡β <90° -θ。當(dāng)離子束入射方向與納米線 傾斜方向位于法線同一側(cè)時(shí)，如圖1(b)所示，可用于分離切割的納米線只能處于納米線的第一邊界位置4和納米線的第二邊界位置5范圍內(nèi)。但此時(shí)，納米線的可選位置不包括所 述納米線的第一邊界位置4和納米線的第二邊界位置5本身。其中納米線的第一邊界位置 4與離子束入射方向重合，當(dāng)納米線處于第二邊界位置5時(shí)，襯底平面與水平面垂直。圖中 7與8分別為對(duì)應(yīng)的襯底的第一邊界位置和第二邊界位置。這種情況下，β的范圍為θ-α < β <90°，當(dāng)α大于θ時(shí)，當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度小于(α-θ)仍可能滿足切割條件。 值得注意的是樣品臺(tái)順時(shí)針傾斜旋轉(zhuǎn)角度通常不能達(dá)到90°，因而β上限無法達(dá)到90°。 另一方面，本實(shí)施例的納米線分離方法需要將納米線傾斜使得該納米線在切割過程中，在 重力作用下方便地落到所述襯底上。一般來說，要求納米材料長軸方向與水平線的夾角在 0° 60°范圍內(nèi)(注意這里水平線是指在所述工作平面內(nèi)的水平線)。納米材料長軸方 向與水平線的夾角可以通過多種手段調(diào)節(jié)，如旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)、在襯底與樣品臺(tái)之間增加楔形 樣品托等。圖2所示通過旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)來調(diào)節(jié)納米材料長軸與水平線的夾角，圖2中，10為納 米線的第三邊界位置，11為納米線的第四邊界位置，12為襯底的第三邊界位置，13為襯底 的第四邊界位置。納米線的第三邊界位置10和襯底的第三邊界位置12對(duì)應(yīng)的納米材料長 軸方向與水平線夾角為0°，納米線的第四邊界位置11和襯底的第四邊界位置13對(duì)應(yīng)的納 米材料長軸方向與水平線夾角為60°。進(jìn)一步地，為了使納米材料切割截面面積盡可能小，應(yīng)當(dāng)使得所述離子束入射方 向與納米材料長軸方向的夾角在30° 90°范圍內(nèi)。當(dāng)所述離子束入射方向與納米材料 傾斜方向垂直時(shí)(即夾角為90°時(shí))，所述切割截面面積最小。但是實(shí)際操作中，綜合考慮 其它因素的影響，往往無法達(dá)到最佳的垂直切割角度。圖3所示為在襯底與樣品臺(tái)之間增 加楔形樣品托9后，且納米材料與離子束入射方向分別位于工作平面法線的兩側(cè)，考慮切 割面積時(shí)的納米材料與樣品臺(tái)的位置。如圖3所示，旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)可使得納米材料與離子束 入射方向2之間的夾角為30°，納米材料此時(shí)所在位置是納米線的第五邊界位置15 ；旋轉(zhuǎn) 樣品臺(tái)，還可使得納米材料與離子束入射方向2之間的夾角為90°，此時(shí)，納米材料所處位 置為納米線的第六邊界位置16。17和18分別為對(duì)應(yīng)的襯底第五和第六邊界位置。納米線 可在上述第五和第六邊界位置之間選擇，以獲得一個(gè)較小的切割截面面積。再者，對(duì)采用的特定的離子束束流，聚焦離子束對(duì)襯底的刻蝕深度與時(shí)間相關(guān)，而 損傷面積則由設(shè)定的掃描面積和離子束入射方向與所述襯底的夾角決定。大體上，損傷面 積隨著離子束入射方向與所述襯底的夾角(所述夾角取銳角值)的減小而增大。為了減小 聚焦離子束對(duì)襯底的傷害，離子束入射方向與所述襯底的夾角可設(shè)在30° 90°范圍內(nèi)， 但當(dāng)離子束平行于襯底表面入射時(shí)，對(duì)襯底的傷害面積可減小到零。圖4(a)所示為在襯底 與樣品臺(tái)之間增加楔形樣品托后，且納米材料與離子束入射方向分別位于工作平面法線的 兩側(cè)，考慮切割對(duì)襯底的損傷時(shí)的納米材料與樣品臺(tái)的位置。圖4(a)中，19和20分別為襯 底的第七和第八邊界位置。旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，使得襯底位于所述襯底的第七邊界位置19，此時(shí)離 子束入射方向2與襯底的夾角為30° ；旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，使得襯底位于所述襯底的第八邊界位 置20，此時(shí)離子束入射方向2垂直于襯底表面，為減小損傷面積，可以將襯底置與所述襯底 的第七和第八邊界位置19和20之間。圖4(b)示出了另一種減小損傷面積的方式，旋轉(zhuǎn)樣 品臺(tái)，將襯底置于襯底的第九邊界位置21，此時(shí)離子束平行于襯底入射，切割刻蝕對(duì)襯底的 損傷最小。綜上所示，本步驟中，各類角度所需滿足的條件包括
a)離子束入射方向與納米材料長軸方向分別位于法線兩側(cè)；或者離子束入射方 向與納米材料長軸方向位于法線同一側(cè)，且離子束入射方向與水平面夾角大于納米材料長 軸方向與水平面夾角。b)納米材料不垂直于水平面；在優(yōu)選方案中，納米材料與水平線的夾角在0° 60°范圍內(nèi)。
c)離子束入射方向與納米材料傾斜方向的夾角在30° 90°范圍內(nèi)。d)離子束入射方向與所述襯底的夾角在30° 90°范圍內(nèi)；或者離子束入射方 向與所述襯底平行。以上條件中，條件a)是實(shí)現(xiàn)納米材料與襯底分離的前提條件，條件b)考慮的是重 力在切割中的作用，c)考慮的是納米材料被切割面積大小，d)考慮的是切割過程對(duì)襯底的 損傷問題。一般情況下，首先應(yīng)當(dāng)滿足a)條件，然后再按重要性先后依次考慮b)、c)、d)三 個(gè)條件，對(duì)納米材料/襯底與離子束入射方向之間的角度進(jìn)行調(diào)整。4)以步驟3)所設(shè)定的納米線/襯底的位置，對(duì)所述納米線進(jìn)行成像，根據(jù)成像結(jié) 果劃定切割區(qū)域。所述切割區(qū)域位于所述納米材料根部，根部即納米材料與襯底的結(jié)合部。 離子束理論上作長度大于納米材料用來切割的部位的橫截面的長度的直線掃描即能將納 米材料與襯底分離開來，但實(shí)際上由于切割過程中的某些效應(yīng)，使得前一次線掃描的位置 很難與后一次的完全重合，因此本實(shí)施例定義一個(gè)切割區(qū)域，采用面掃描的方式實(shí)現(xiàn)切割。 所述切割區(qū)域可以是任意平面圖形，為方便起見，本實(shí)施例中采用矩形，該矩形的長度一般 為所述納米材料根部橫截面長度的2 4倍，寬度為所述納米材料根部橫截面寬度的1 3倍。5)以步驟3)所設(shè)定的納米線/襯底的位置，利用離子束對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行切割掃 描，直至納米線被切斷。為更加直觀地闡述本實(shí)施例的細(xì)節(jié)。下面以分離生長在硅襯底(表面具有MgO絕 緣層)上的Ζη0(直徑為lOOnm，長度約為5μπι)納米線為例，對(duì)步驟3)、4)、5)做進(jìn)一步地 描述。如圖5(a)所示，ZnO納米線53與襯底表面的夾角θ =40°，將該襯底54利用導(dǎo) 電碳帶固定在無傾斜面的樣品托上，送入SEM/FIB腔體內(nèi)并固定在樣品臺(tái)上，所用的系統(tǒng) FIB入射方向與水平面夾角α =38° ；打開電子槍(5kV電子束加速電壓，30 μ m的電子束 光闌)和離子槍(30kV離子束加速電壓，IpA的離子束束流)，進(jìn)行SEM圖像觀測(cè)，將樣品臺(tái) 上升到工作高度為5mm處，繞ζ軸旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)使ZnO納米線與離子束入射方向如圖5(a)所
7J\ ο將樣品臺(tái)以y軸為旋轉(zhuǎn)軸，向χ軸正方向(如圖5(a)所示)順時(shí)針逐步傾斜12°， 逐步增加傾斜角度可更好的對(duì)納米線圖像進(jìn)行跟蹤，對(duì)圖像進(jìn)行聚焦與其他參數(shù)調(diào)整，將 ZnO納米線移到視場(chǎng)中心，成像并收集一 FIB圖像。采用圖形發(fā)生器定義離子束掃描區(qū)域的大小為300nmX IOOnm,并將此圖形放置到 納米線FIB圖像的根部位置，設(shè)定掃描時(shí)間為90s，啟動(dòng)離子束掃描對(duì)納米線根部進(jìn)行切割 (IpA的離子束束流)，隨后納米線在重力的作用下逐步傾斜，直至根部與襯底完全分離后 著陸于襯底表面上。ZnO納米線與支撐襯底水平面的夾角θ僅為示例性的，可用于本發(fā)明方法的θ的取值范圍可以在0° < θ <90°之間(如果夾角是0°，則納米線與襯底平面同面，無需切 害I]，對(duì)于垂直于襯底，S卩θ =90°時(shí)，可以傾斜樣品臺(tái)后切割，使重心不在納米線長度方向 的軸線上)。另外，ZnO納米線還可以由具有其他材料的納米結(jié)構(gòu)所代替，所述納米結(jié)構(gòu)包 括但不限于諸如納米棒、納米管或納米線的單一納米結(jié)構(gòu)或陣列，所述材料包括其它固態(tài) 的納米材料，例如W，Pt，Au，SiO2, Co，Cu，Ni，C及其混合物等。在本實(shí)施例提及的離子束切割時(shí)所采用的束流僅為示例性的，其范圍大約為ρΑ 到ηΑ的量級(jí)。另外，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說應(yīng)該理解，本發(fā)明采用SEM/FIB雙束系統(tǒng)， 然而本方法同樣可以在單束或其他FIB系統(tǒng)中所使用；除使用SEM外，本發(fā)明還可以使用低 束流離子流(<20ρΑ)對(duì)需要與襯底分離的納米材料進(jìn)行圖形觀測(cè)。不同的系統(tǒng)具有可能 不同的最低可用束流值。本實(shí)施例中所用的SEM/FIB雙束系統(tǒng)最低離子流束流為IpA ；對(duì) ZnO納米線分離切割所用最佳時(shí)間為90s，當(dāng)采用20ρΑ的束流切割時(shí)，所用時(shí)間為8s左右。 較低束流離子流可較大程度的避免鎵離子對(duì)納米材料在成像過程中造成的不必要的轟擊； 此外，用于固定襯底的樣品托表面還可以具有一定傾斜角度，以易于實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的調(diào)整，傾 斜面的傾斜角度Y的范圍為0°彡γ <90°。[實(shí)施例2]本實(shí)施例針對(duì)網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的襯底，提供了另一種分離納米材料的方法。所述網(wǎng)膜結(jié) 構(gòu)的膜材料可以是SiO2, Si3N4，Al2O3，Au或C等。本實(shí)施例中，納米材料可以是納米線等一 維納米結(jié)構(gòu)，也可以是非一維納米結(jié)構(gòu)。下面，以分離垂直生長在TEM網(wǎng)柵的多孔碳膜上的含鎢納米材料為例進(jìn)行描述。本實(shí)施例的方法包括以下步驟1)使用導(dǎo)電碳帶63將網(wǎng)柵62的上表面邊緣與無傾斜角度的樣品托61連接起來， 如圖6 (a)所示，然后將樣品托放入SEM/FIB樣品臺(tái)上，抽真空并將樣品臺(tái)以y軸為旋轉(zhuǎn)軸， 向χ軸正方向旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)52° (所用的系統(tǒng)FIB入射方向與水平面夾角α =38° )，使網(wǎng) 柵平面與離子束入射方向垂直；垂直于襯底入射的離子束對(duì)垂直生長于襯底表面的納米材 料的成像圖像為一點(diǎn)，如圖6(b)所示，未切割的含鎢納米材料64在圖像中為一點(diǎn)，因此其 投影長度對(duì)周圍起支撐作用的碳膜沒有阻擋，便于切割，含鎢納米材料64周圍用白色線段 示出了大致的切割區(qū)域。另外，由于此時(shí)納米材料長軸方向與水平面成一定夾角(即夾角 不為零)，因此也能有效的保證重力在切割過程中所起的作用。另外，當(dāng)納米結(jié)構(gòu)與網(wǎng)膜平面的夾角θ在0< θ <90°范圍內(nèi)時(shí)，也可采用切 割納材料周圍的支撐膜的方法達(dá)到切割分離納米材料的目的，只是若納米材料的FIB圖像 在支撐網(wǎng)膜上的投影對(duì)周圍的支撐膜有阻擋，即離子束沒法在某一特定的角度直接入射到 納米線周圍的某些支撐膜上，則須執(zhí)行兩次切割過程達(dá)到分離目的。一種方法是首先在樣 品臺(tái)沒有傾斜的時(shí)候，利用圖形發(fā)生器收集納米結(jié)構(gòu)的FIB圖像，產(chǎn)生圖形掃描區(qū)域，采用 離子束刻蝕使沒有被納米結(jié)構(gòu)所阻擋的支撐膜與網(wǎng)膜主體部分分開；然后將樣品臺(tái)傾斜或 繞ζ軸水平旋轉(zhuǎn)一定角度，使先前被納米材料所阻擋的另一部分支撐膜暴露出來，在這一 位置，收集納米結(jié)構(gòu)的FIB圖像，利用圖形發(fā)生器產(chǎn)生圖形掃描區(qū)域，同樣采用離子束刻蝕 使剩余的支撐膜與網(wǎng)膜主體部分分開，達(dá)到分離目的。另外也可以通過將樣品臺(tái)傾斜兩次， 使納米材料的投影分別位于工作平面法線的兩側(cè)，分兩步離子束刻蝕將納米材料周圍的支撐膜與主體網(wǎng)膜一一分開，達(dá)到分離納米材料的目的。因此除了實(shí)施例1所述的方法之外，對(duì)生長在網(wǎng)膜上的納米結(jié)構(gòu)，可以通過對(duì)支撐點(diǎn)周圍網(wǎng)膜的切割有效的實(shí)現(xiàn)納米材料的分罔。2)打開電子束離子束束閘，調(diào)整好工作高度與設(shè)備狀態(tài)，在俯視觀測(cè)角度下，利用 IpA的離子束對(duì)生長于TEM網(wǎng)柵膜上的含鎢納米材料成像，收集圖形后，利用圖形發(fā)生器， 定義相應(yīng)的離子束掃描區(qū)域，即設(shè)定多個(gè)直線(如圖6(b)中未切割的含鎢納米材料64周 圍的白線所示)，單個(gè)線性掃描區(qū)域也可用矩形區(qū)域代替；最后利用IpA的離子束刻蝕，將 納米材料根部周圍的用于支撐納米材料網(wǎng)膜支撐點(diǎn)周圍的連接網(wǎng)膜一一“割斷”，失去支撐 的納米結(jié)構(gòu)在重力的作用下傾倒并著陸于襯底上。圖6(b)中65為分離后的含鎢納米材料， 圖6(b)左上角為TEM網(wǎng)柵的整體圖片，66為在TEM網(wǎng)柵的整體圖片中所放大區(qū)域的位置。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道，TEM網(wǎng)柵具有多孔碳膜，因此該碳膜對(duì)其上生長 的納米材料具有承載和支撐的作用，本方法利用離子束將起支撐作用的碳膜切斷，使納米 結(jié)構(gòu)在重力作用下逐步傾斜，最終著陸于襯底上，同樣實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，因此除了實(shí)施 例1所述的方法之外，對(duì)生長在多孔碳膜上的納米結(jié)構(gòu)也可以使用此分離方法。此外，對(duì)生 長在網(wǎng)柵或網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格上的納米材料，可以采用實(shí)施例1所述的方法進(jìn)行分離另外，上述方法還特別適用于分離利用FIB在TEM網(wǎng)柵上生長的納米材料，這使納 米材料從生長到分離均可在SEM/FIB或單束FIB系統(tǒng)上一次性完成，其不僅避免了對(duì)樣品 的破壞，而且利用SEM/FIB系統(tǒng)本身具有的位置記憶及制作定位記號(hào)等功能能夠?qū)λP(guān)注 的單一納米材料進(jìn)行一對(duì)一、準(zhǔn)確無誤的分離與測(cè)試，縮短了尋找時(shí)間，提高了準(zhǔn)確性，從 而大大降低了成本。[實(shí)施例3]利用FIB生長的垂直于硅襯底表面的含鎢納米材料制作接觸電極的方法，包括以 下步驟1)制作電極接觸圖形將長有200nm SiO2的硅襯底在120°C的熱板上烘烤半小 時(shí)，冷卻后旋涂光刻膠，光刻后，依次蒸發(fā)厚度為IOnm及200nm的Cr與Au，剝離后形成電極 接觸圖形塊，此為加工后的襯底；2)生長含鎢的納米材料將步驟1)加工好的襯底利用導(dǎo)電銀膠固定在傾斜角度 Y為45°的樣品托上，送入SEM/FIB腔體內(nèi)并固定在樣品臺(tái)上；抽真空并將樣品臺(tái)以y軸 為旋轉(zhuǎn)軸，向χ軸正方向傾斜7°，使襯底54與離子束入射方向2垂直，如圖5(b)所示(系 統(tǒng)FIB入射方向與水平面夾角α =38° )，加熱離子束誘導(dǎo)沉積所用的誘導(dǎo)氣體注入系統(tǒng) (GIS)的鎢源，打開電子束離子束，選擇IpA的離子束束流，調(diào)整好工作高度與設(shè)備狀態(tài)，找 到所需要生長納米材料的電極接觸位置并保存記錄其位置，后導(dǎo)入氣態(tài)鎢源，確定離子束 掃描區(qū)域的尺寸為130nmX130nm，掃描時(shí)間為6分鐘，鎵離子分解含鎢的金屬有機(jī)物分子， 形成垂直于樣品表面的橫截面直徑為180nm，長約6μπι的含鎢納米材料53，納米材料生長 結(jié)束后，關(guān)閉鎢源閥門并將GIS系統(tǒng)退回原始非工作位置；3)分離含鎢的納米材料旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，使離子束平行于襯底表面入射，如圖5(c) 所示。調(diào)整工作高度與聚焦?fàn)顟B(tài)，找到步驟2)中生長的納米材料并成像，如圖7(a)所示， 71為含鎢納米材料的FIB圖像，72與73分別為其根部與頂部，然后采用圖形發(fā)生器定義離 子束掃描區(qū)域74，面積為450nmX300nm(如圖中白色虛線所示)，設(shè)定掃描時(shí)間為120秒，啟動(dòng)離子束掃描對(duì)其根部進(jìn)行切割；分離后著陸于襯底平面的含鎢納米材料SEM俯視圖如 圖7(b)中75所示。4)制作納米電極利用系統(tǒng)對(duì)樣品位置的記憶功能，快速使樣品臺(tái)回到步驟2)保 存過的位置并找到切割后位于襯底表面的納米材料；選擇合適的離子束流后對(duì)離子束進(jìn)行 聚焦、采圖，定義金屬連接線圖形的位置與尺寸，引入氣態(tài)源，開始離子束掃描，沉積金屬連 接76，最終形成四電極接觸結(jié)構(gòu)如圖7(b)所示。作為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，上述方法突出體現(xiàn)了本發(fā)明在采用FIB生長、分 離納米材料，并進(jìn)行電極制作的應(yīng)用中一次性完成的優(yōu)異之處。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人 員應(yīng)該理解，本發(fā)明的另一種更普遍的實(shí)現(xiàn)方式為首先將生長在襯底上的納米材料進(jìn)行分 離，然后采用常規(guī)的聚焦離子束誘發(fā)的化學(xué)氣相沉積(FIB-CVD)或電子束光刻技術(shù)在切割 后的著陸于襯底上的那部分納米材料上制作接觸電極。采用FIB-CVD技術(shù)在切割后的著陸于襯底上的那部分納米材料上制作接觸電極， 通常包括以下步驟(i)獲取被切割后的納米材料的FIB圖像；(ii)利用設(shè)備的圖形發(fā)生器軟件生成需要加工的電極圖形大小與位置，引入氣態(tài) 分子源，啟動(dòng)FIB掃描，掃描時(shí)形成大的電極接觸塊和/或連接納米材料與電極接觸塊的連 接線。采用電子束光刻技術(shù)在切割后的著陸于襯底上的那部分納米材料上制作接觸電 極，通常包括以下步驟(i)在切割后的納米材料周圍用FIB做好對(duì)準(zhǔn)記號(hào)，將樣品放入電子束系統(tǒng)，對(duì)選 好的待加工電極接觸的納米材料進(jìn)行精確定位；(ii)涂覆電子束抗蝕劑，然后進(jìn)行前烘；(iii)電子束曝光，顯影，定影后形成電極接觸圖形與連線在電子束抗蝕劑上的轉(zhuǎn) 移；(iv)利用濺射或蒸發(fā)鍍膜設(shè)備在上述步驟制得的樣品上，沉積金屬材料；(ν)將長有金屬的樣品在丙酮中浸泡，或加以振動(dòng)樣品，使未曝光區(qū)域的金屬膜隨電子束抗蝕劑一起脫落，最終實(shí)現(xiàn)接觸電極制作.盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明作出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，應(yīng)該理解可以基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，并且這些修改和改進(jìn)都在 本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種分離納米材料的方法，所述納米材料為一維納米材料，所述分離納米材料的方法包括如下步驟1)將納米材料固定在樣品臺(tái)上，獲取所述納米材料與襯底的夾角；2)根據(jù)所述納米材料與襯底的夾角，調(diào)整襯底與水平面和離子束入射方向之間的夾角；3)以步驟2)所確定的納米材料與襯底的位置，對(duì)所述納米材料進(jìn)行成像，根據(jù)成像結(jié)果劃定切割區(qū)域；4)以步驟2)所確定的納米材料與襯底的位置，利用離子束對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行切割掃描，直至納米材料被切斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離納米材料的方法，其特征在于，所述步驟1)中，包括通過 初步掃描成像獲得納米材料與襯底的夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離納米材料的方法，其特征在于，所述步驟2)中，調(diào)整夾角 時(shí)，使得所述離子束入射方向與納米材料的長軸方向分別位于法線兩側(cè)；或者離子束入射 方向與納米材料的長軸方向位于法線同一側(cè)，且離子束入射方向與水平面夾角大于納米材 料長軸方向與水平面夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分離納米材料的方法，其特征在于，所述步驟2)中，調(diào)整夾角 時(shí)，還使得所述納米材料不垂直于水平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分離納米材料的方法，其特征在于，所述步驟2)中，調(diào)整夾角 時(shí)，還使得所述納米材料與水平線的夾角在0° 60°范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分離納米材料的方法，其特征在于，所述步驟2)中，調(diào)整夾角 時(shí)，還使得所述離子束入射方向與納米材料傾斜方向的夾角在30° 90°范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分離納米材料的方法，其特征在于，所述步驟2)中，調(diào)整夾角 時(shí)，還使得所述離子束入射方向與所述襯底的夾角在30° 90°范圍內(nèi)；或者使得所述離 子束入射方向與所述襯底平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離納米材料的方法，其特征在于，在所述步驟3)中，所述切 割區(qū)域位于所述納米材料的根部，所述切割區(qū)域?yàn)榫匦螀^(qū)域，所述矩形區(qū)域長為所述納米 材料根部橫截面長度的2 4倍，寬度為所述納米材料根部橫截面寬度的1 3倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離納米材料的方法，其特征在于，在所述步驟4)中，所述離 子束的束流為PA到nA的量級(jí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的分離納米材料的方法，其特征在于，分離納 米材料的方法利用雙束掃描電子顯微鏡/聚焦離子束系統(tǒng)或單束聚焦離子束系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
11.一種分離納米材料的方法，所述納米材料生長在具有網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的襯底上，所述分離 納米材料的方法包括如下步驟1)將納米材料固定在樣品臺(tái)上，對(duì)所述納米材料進(jìn)行成像，根據(jù)成像結(jié)果在襯底上劃 定切割區(qū)域，所述切割區(qū)域位于納米材料周圍的支撐膜上；2)利用離子束對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行掃描，直至納米材料周圍的所有支撐膜被切斷，與主體 網(wǎng)膜分開。
12.—種制作納米電極的方法，其特征在于，包括如下步驟1)利用權(quán)利要求1的方法對(duì)納米材料進(jìn)行切割，使得所述納米材料著陸在所述襯底上；2)對(duì)著陸在所述襯底上的納米材料進(jìn)行加工制備成納米電極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種分離納米材料的方法，所述納米材料為一維納米材料，所述分離納米材料的方法包括如下步驟1)將納米材料固定在樣品臺(tái)上，獲取所述納米材料與襯底的夾角；2)根據(jù)所述納米材料與襯底的夾角，調(diào)整襯底與水平面和離子束入射方向之間的夾角；3)以步驟2)所確定的納米材料與襯底的位置，對(duì)所述納米材料進(jìn)行成像，根據(jù)成像結(jié)果劃定切割區(qū)域；4)以步驟2)所確定的納米材料與襯底的位置，利用離子束對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行切割掃描，直至納米材料被切斷。與現(xiàn)有的納米材料與襯底分離的方法相比，本發(fā)明避免了對(duì)納米材料的破壞與機(jī)械損傷；并且可在雙束SEM/FIB或單束FIB系統(tǒng)上一次性完成，具有時(shí)間及成本優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101823687SQ20091007928
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者李無瑕, 顧長志 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所