本發(fā)明涉及石墨烯電極芯片，尤其是涉及一種用于機(jī)械可控裂結(jié)技術(shù)的石墨烯電極芯片。

背景技術(shù)：

機(jī)械可控裂結(jié)(mechanicallycontrollablebreakjunction，mcbj)法是用于研究單個(gè)或少數(shù)原子、分子、超分子和原子團(tuán)簇的電學(xué)性質(zhì)的一種方法。mcbj法具有在短時(shí)間內(nèi)快速構(gòu)筑大量分子結(jié)的能力，繼掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope，stm)、原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，afm)、微納米加工技術(shù)等一系列能在納米尺度進(jìn)行操控的實(shí)驗(yàn)方法之后，mcbj因其價(jià)格相對(duì)低廉、裝置簡(jiǎn)單、易操以及重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)了分子電子學(xué)的發(fā)展。

芯片是mcbj實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分。目前，國(guó)際上芯片制作普遍采用的為金屬電極，包括銅、銀、金、鉑等。但此類金屬電極存在著機(jī)械性能不穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下易被氧化以及費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度分布相對(duì)較窄等問題，從而導(dǎo)致分子結(jié)的構(gòu)筑比較困難。

與之相比，石墨烯電極具有成本低廉、機(jī)械強(qiáng)度高、費(fèi)米能級(jí)處的電子態(tài)密度分布較寬等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是石墨烯電極可與分子通過π–πstacking相互作用，從而使分子結(jié)構(gòu)筑更加容易。基于上述原因，發(fā)展新型的石墨烯電極對(duì)于完善mcbj裝置的芯片體系十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械可控裂結(jié)(mcbj)技術(shù)中金屬電極芯片中，金屬電極機(jī)械性能不穩(wěn)定、易被氧化以及費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度分布相對(duì)較窄等缺點(diǎn)，提供一種用于機(jī)械可控裂結(jié)技術(shù)的石墨烯電極芯片。

本發(fā)明包括不銹鋼片、石墨烯金屬絲和環(huán)氧樹脂；

所述不銹鋼片用于制備石墨烯芯片的基底，所述石墨烯金屬絲安裝在不銹鋼片的懸空上方并通過環(huán)氧樹脂進(jìn)行固定。

所述不銹鋼片可采用不銹鋼304，不銹鋼片的長(zhǎng)度可為30mm，寬度可為10mm，厚度可為200μm。

所述石墨烯金屬絲用化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition，cvd)法在直徑為0.25～0.30mm的金屬絲基底上生長(zhǎng)了石墨烯金屬絲，所述金屬絲包括cu、ni等體系。

所述環(huán)氧樹脂可采用stycast2850ft型樹脂，所述stycast2850ft型樹脂可配備催化劑與樹脂質(zhì)量百分比可為3.5％～4％的henkelloctitecatalyst9催化劑。

所述石墨烯電極芯片可采用以下方法制備：

1)不銹鋼基底的制備；

2)環(huán)氧樹脂的制備；

3)環(huán)氧樹脂的涂抹；

4)一側(cè)石墨烯電極的構(gòu)造；

5)環(huán)氧樹脂的固化；

6)另一側(cè)石墨烯電極的構(gòu)造；

7)環(huán)氧樹脂的滴涂；

8)環(huán)氧樹脂的固化。

在步驟1)中，所述不銹鋼基底的制備可采用長(zhǎng)30mm、寬10mm、厚200μm的不銹鋼片，用丙酮和乙醇次序超聲清洗，再用砂紙打磨，用以增大環(huán)氧樹脂在表面的接觸角，增大摩擦力，最后用純水清洗、超聲、清洗，烘干備用。

在步驟2)中，所述環(huán)氧樹脂的制備可采用stycast2850ft型樹脂，配備催化劑與樹脂質(zhì)量百分比為3.5％～4％的henkelloctitecatalyst9催化劑，攪拌至少10min，至反應(yīng)完全；所述stycast2850ft型樹脂1g樹脂可制備約5片芯片。

在步驟3)中，所述環(huán)氧樹脂的涂抹，可將不銹鋼片鋪展開，蘸取環(huán)氧樹脂在不銹鋼片中心線一側(cè)涂抹一個(gè)圓，距中心線1.0～1.5mm。

在步驟4)中，所述一側(cè)石墨烯電極的構(gòu)造，可將直徑0.3mm、長(zhǎng)20mm的石墨烯金屬絲一側(cè)對(duì)折彎曲出弧形狀，待環(huán)氧樹脂略微固化后，平鋪于環(huán)氧樹脂圓上，彎曲一側(cè)面向不銹鋼片中心線，留出彎曲表面，用鑷子輕壓石墨烯金屬絲，使環(huán)氧樹脂浸沒石墨烯金屬絲；不可過度下壓石墨烯金屬絲，否則在后續(xù)固化過程中，石墨烯金屬絲容易下沉接觸不銹鋼基底造成短路。

在步驟5)中，所述環(huán)氧樹脂的固化，可將芯片先在室溫放置24h。

在步驟6)中，所述另一側(cè)石墨烯電極的構(gòu)造，可將固化好的一側(cè)芯片置于探針臺(tái)的底座平面上，用膠帶將兩側(cè)固定，將另一個(gè)對(duì)折彎曲好的石墨烯銅絲固定在探針臺(tái)的針頭上，彎曲一側(cè)平行對(duì)外，初步與另一片上固化好的石墨烯金屬絲對(duì)好后，固定探針臺(tái)，然后利用顯微鏡和探針臺(tái)微調(diào)，使兩個(gè)彎曲的石墨烯金屬絲慢慢平行靠近對(duì)齊，平行間距約38μm時(shí)停止。

在步驟7)中，所述環(huán)氧樹脂的滴涂，可將處理好的環(huán)氧樹脂滴涂在與探針臺(tái)針頭固定在一起的石墨烯金屬絲上，兩樹脂圓的間距至多為750μm。

在步驟8)中，所述環(huán)氧樹脂的固化，可將芯片固化24h，完全固化的芯片呈現(xiàn)亮黑色，并且表面光滑無孔洞。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用價(jià)格相對(duì)便宜的石墨烯金屬絲和簡(jiǎn)單的不銹鋼片結(jié)構(gòu)制作了一種適用于mcbj的新型石墨烯芯片，成功克服了金屬電極的一些缺點(diǎn)，本發(fā)明具有成本低廉、操作簡(jiǎn)便且分子結(jié)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

此外，本發(fā)明所提出的實(shí)驗(yàn)方案可以在普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，具有良好的普適性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的石墨烯電極芯片仰視圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的石墨烯電極芯片前視圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的正視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的盛裝分子溶液的液池正視示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的盛裝分子溶液的液池的仰視45°示意圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

參見圖1～6，本發(fā)明實(shí)施例包括不銹鋼片1、石墨烯金屬絲2、樹脂3、液池4、密封圈、夾具5、底座6以及屏蔽箱。

所述不銹鋼片1、石墨烯金屬絲2、樹脂3用于石墨烯電極芯片的制作。

所述液池4適用于mcbj實(shí)驗(yàn)的微型液池，選取聚四氟乙烯材料，加工出具有穿孔結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)方體，用于盛裝含有目標(biāo)分子的溶液。在液池4底部，預(yù)先留有與o型密封圈匹配的凹槽。利用液池4與底座螺絲固定以及o型密封圈的收縮性，實(shí)現(xiàn)微型電解池中液體的密封，液池4上下兩側(cè)通過安裝上述夾具5實(shí)現(xiàn)與mcbj裝置中壓電陶瓷的連接。

所述夾具5采用鋁合金材料，長(zhǎng)20mm，寬8mm，分為上下兩片，設(shè)有不同的穿孔結(jié)構(gòu)，下片用于連接壓電陶瓷，上片用于固定液池4與壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)和壓電陶瓷控制芯片上石墨烯電極對(duì)的開合。

所述底座6為圓臺(tái)底座，設(shè)于屏蔽箱內(nèi)，所述夾具5通過螺絲固定在底座6上，石墨烯電極芯片固定在底座6平臺(tái)上，石墨烯金屬絲2通過鱷魚夾與外部測(cè)量電路相連，所述液池4安裝在懸空石墨烯金屬絲2上方。目標(biāo)分子溶液滴入液池4內(nèi)，液池內(nèi)預(yù)先留有與o型密封圈匹配的凹槽。

所述屏蔽箱采用長(zhǎng)方體屏蔽箱，屏蔽箱內(nèi)設(shè)置有懸掛系統(tǒng)，用于二級(jí)防振，以減少外界振動(dòng)所引發(fā)的干擾，同時(shí)具有隔絕外界雜質(zhì)分子，防止其對(duì)目標(biāo)分子溶液產(chǎn)生污染的功能。

以下給出具體實(shí)施例。

采用石墨烯芯片進(jìn)行單分子電導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。

1、石墨烯電極芯片的制作

取約2cm生長(zhǎng)了石墨烯的金屬絲，將一側(cè)對(duì)折彎曲出弧形狀，在不銹鋼片中心線一側(cè)滴涂環(huán)氧樹脂，將生長(zhǎng)了石墨烯的金屬絲埋進(jìn)環(huán)氧樹脂中，對(duì)折彎曲的一側(cè)平行面向不銹鋼片的中心線。待此結(jié)構(gòu)固化完全后，將其固定于探針臺(tái)的平臺(tái)上，取制作成弧狀結(jié)構(gòu)的石墨烯金屬絲，平行固定在探針臺(tái)的針尖上，調(diào)整探針臺(tái)針尖的位置，讓兩根石墨烯金屬絲的孤型結(jié)構(gòu)不斷對(duì)齊靠近，當(dāng)距離接近38μm時(shí)停止，在未涂環(huán)氧樹脂的一側(cè)石墨烯金屬絲上滴涂環(huán)氧樹脂，間隔應(yīng)不大于750μm，固化24h備用。

2、清洗芯片

將固化好的石墨烯芯片用鑷子小心夾取，用小流量氮?dú)獯祾吒蓛簟?/p>

3、安裝芯片

首先將下片夾具與壓電陶瓷用螺絲固定，再用鑷子將制好的石墨烯芯片夾起，安裝于夾具上方，夾具與芯片平行高度1.0～1.5mm。

4、清洗液池

將液池(按體積比)放入硫酸︰雙氧水＝3︰1的食人魚洗液中浸洗至少2h，倒掉燒杯中的食人魚溶液，用超純水反復(fù)沖洗，再采用超純水加熱煮沸3次，最后再用超純水超聲清洗3min。清洗完畢后放入105℃烘箱中烘干，或者使用氮?dú)獯蹈伞?/p>

5、安裝液池

將密封圈置于液池底部的孔內(nèi)壓緊固定后，將帶有密封圈的液池放在懸空石墨烯金屬絲的正上方，用螺絲固定好，使芯片固定。芯片上兩端未被環(huán)氧樹脂覆蓋的石墨烯金屬絲從液池上方的兩端預(yù)留孔穿出，分別用兩個(gè)鱷魚夾夾住，由此接入外界測(cè)量回路。

6、滴加分子溶液

用100μl移液槍吸取25μl分子溶液加入液池，使石墨烯電極浸沒于分子溶液。

7、安裝夾具

將上夾具與下夾具通過穿孔結(jié)構(gòu)用螺絲固定，使液池被夾緊固定。

8、數(shù)據(jù)采集

將下片夾具通過螺絲與壓電陶瓷連接，把芯片固定在mcbj的底座上；將未被環(huán)氧樹脂固定的石墨烯金屬絲通過鱷魚夾與外部測(cè)量電路相連；將含有密封圈的液池安裝在石墨烯電極芯片上方；將目標(biāo)分子溶液滴入液池內(nèi)；待分子自組裝完畢，開啟步進(jìn)電機(jī)；確認(rèn)芯片可運(yùn)行后，切換壓電陶瓷；控制壓電陶瓷上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使分子結(jié)快速、大量、反復(fù)地形成和斷裂；利用外部測(cè)量電路對(duì)分子結(jié)進(jìn)行電學(xué)表征。采集的數(shù)據(jù)留待后續(xù)分析。