專利名稱：納米鑷子和納米機械手的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可把持和放出納米級尺寸的物質(以后稱納米物質)的納米鑷子，并涉及可移動和堆積納米物質以組裝納米尺寸部件、納米分子器件等的納米機械手。
為了可這樣地移動和堆積納米物質，需要開發(fā)可把持納米物質并將其放出的納米鑷子。該納米鑷子的第1原型由Philip Kim和Charles M.Lieber發(fā)表在1999年12月10日發(fā)行的科學雜志上。

圖16-圖18示出該納米鑷子的制造工序圖。
圖16為進行了錐形加工后的玻璃管80前端的側視圖，該前端直徑約為100nm，圖中未示出的后端直徑為1mm。圖17為納米鑷子的完成圖。在上述玻璃管80的周面通過絕緣部82形成2個金電極膜84a、84b。在該金電極膜上分別以凸設狀固定碳納米管86a、86b，完成納米鑷子88。
圖18為在納米鑷子外加電壓的示意圖。在金電極膜84a、84b上從觸點90a、90b引出導線92a、92b，連接到直流電源94的兩端。當外加直流電源94時，碳納米管86a帶正極性電，碳納米管86b帶負極性電。由這些正負靜電引力使碳納米管86a、86b的前端朝內方關閉，在其間夾持納米物質96。
當增大電壓時，碳納米管進一步關閉，所以，可夾持更小的納米物質。當電壓為零時，靜電引力消失，由碳納米管86a、86b的彈性恢復力恢復到圖13的狀態(tài)，放出納米物質96。通過這樣控制電壓的大小即可進行納米鑷子88的開閉控制，作為納米鑷子是劃時代的。
然而，該納米鑷子88具有以下那樣的缺點。第1缺點在于，由于將玻璃管80形成為錐狀，將其前端微細加工到100nm，所以，強度弱而且脆。
第2缺點在于，沿玻璃管80的全長形成金電極膜84a、84b，在玻璃管直徑變大的后端部設置觸點90a、90b，通過導線92a、92b連接到直流電源94。即，由于導線太粗，所以，不得不在玻璃管的擴徑后的后端部設置電觸點。為此，難以將金電極膜形成于玻璃管全長并且效率差。
第3缺點由靜電鑷子引起。即，靜電鑷子在碳納米管積蓄正負電，由這些靜電引力對碳納米管進行開閉控制。在納米物質96為電絕緣體和半導體的場合可利用靜電引力，但在納米物質為導電體的場合，碳納米管的兩端電短路，不作用靜電引力。另外，短路時，還存在電破壞納米物質的危險性。因此，存在納米鑷子的使用限制于半導體納米物質和絕緣性納米物質、并且使用時必須時常極其注意的弱點。
第4缺點在于由2根碳納米管構成。即，分子具有各種形狀，存在不能由2根納米管確實地把持的納米物質。例如，如為扁平的納米物質，則可由2根碳納米管86a、86b把持，但球狀納米物質和桿狀納米物質在由2根納米管把持的情況下存在不穩(wěn)定而脫落的危險性。
發(fā)明目的因此，本發(fā)明的第1目的在于提供一種強度高、加工較易進行的納米鑷子。
另外，本發(fā)明的第2目的在于提供一種不使用靜電方式、可把持導電性、半導體、絕緣性的所有納米物質的納米鑷子。
另外，本發(fā)明的第3目的在于提供一種可確實地把持著球狀納米物質和桿狀納米物質等各種形狀的納米物質進行輸送控制的納米鑷子。
另外，實現可利用這些納米鑷子組裝納米構造物的納米機械手。
權利要求2的發(fā)明的納米鑷子的特征在于由凸設于懸臂的棱錐部、在該棱錐部上固定地凸設基端部的多個納米管、及連接于其中2根納米管的導線構成，通過在該導線間外加電壓，可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉。
權利要求3的發(fā)明的納米鑷子的特征在于由在支架上固定地凸設基端部的多個納米管和形成于其中至少1根納米管表面的壓電膜構成，通過在該壓電膜外加電壓，使壓電膜伸縮，可使上述納米管的前端間自由開閉。
權利要求4的發(fā)明的納米鑷子的特征在于上述支架為懸臂的棱錐部。
權利要求5的發(fā)明的納米鑷子的特征在于由構成懸臂的棱錐部的可變形的多個棱錐片、固定于該棱錐片前端的納米管、及形成于至少1個棱錐片的側面上的壓電膜構成，通過對該壓電膜外加電壓，使壓電膜伸縮，可使棱錐片自由撓曲地開閉納米管的前端間。
權利要求6的發(fā)明的靜電納米鑷子的特征在于由在支架上固定地凸設基端部的3個以上的導電性納米管和分別連接于其中至少3根以上導電性納米管的導線電極構成，通過對這些導線電極間外加電壓，可由靜電力使上述導電性納米管的前端間自由開閉。
權利要求7的發(fā)明的靜電納米鑷子的特征在于由在支架上凸設的凸出部、在該凸出部上固定地凸設基端部的3個以上的導電性納米管、及分別連接于其中至少3根以上導電性納米管的導線電極構成，通過在這些導線電極間外加電壓，可由靜電力使上述導電性納米管的前端間自由開閉。
權利要求8的發(fā)明的納米機械手的特征在于由權利要求1、2、3、4、5、6、或7所述的納米鑷子和相對試樣朝XYZ方向對該納米鑷子進行移動控制的3維驅動機構構成，進行由納米鑷子將納米物質輸送到試樣的控制。
權利要求9的發(fā)明的納米機械手裝置使用構成納米鑷子的至少1根納米管作為掃描型探針顯微鏡的探針。
本發(fā)明人為了開發(fā)具有耐久性的納米鑷子進行了認真的研究，結果成功地改良了利用上述納米管的靜電引力方式的納米鑷子，并成功地開發(fā)出了更高性能的壓電膜方式的納米鑷子。
首先，現有靜電引力方式的納米鑷子的弱點在于，在把持的納米物質為導電性的場合，可能在納米管間產生電短路而喪失鑷子功能，有出現破斷的危險。為了改善該缺點，提出了這樣一種納米鑷子，該鑷子在納米管表面形成由絕緣物質構成的涂覆被膜，可防止接觸時的短路。若將該涂覆被膜不僅形成于納米管上，而且形成到其它配線部分，則可提高納米鑷子全體的絕緣性。該絕緣處理可適用于所有構造的靜電方式的納米鑷子。
現有的第2弱點在于，由于在前端變細的玻璃管固定納米管，所以，強度弱而且脆。為了改善該缺點，提出了這樣的方案，即，利用AFM(原子間力顯微鏡)用懸臂的棱錐部作為納米管的支架。該棱錐部由于通過硅或氮化硅制成，所以，具有電絕緣性，而且強度與現有玻璃管相比大幅度提高。
下面利用懸臂綜合說明上述2個發(fā)明。在棱錐部的頂點近旁固定2個納米管的基端部，使前端部凸出。該固定方法具有2種。第1種方法是在電子顯微鏡內由電子束照射基端部近旁。由該照射，覆蓋基端部地將碳膜和CVD膜形成為涂覆被膜。該涂覆被膜推壓基端部牢固地固定納米管。第2個方法是直接用電子束照射基端部，將基端部熔化接合到棱錐部表面。由該熔化接合部固定納米管。
然后，在納米管的基端部布設導線。在本發(fā)明中，導線使用納米管或由CVD(化學氣相沉積法)形成的金屬配線等。例如，納米管為強度大而且柔軟性極高的材料，具有各種粗細和長度，所以，最適合作為納米尺寸的導線。另外，也可由CVD法將金屬原子微小地形成配線狀。
將納米管導線的一端接觸在上述基端部，對該觸點照射電子束，以點焊的形式一體固定于棱錐部。納米管導線的另一端也可連接到另一納米管導線，也可連接到形成于懸臂的電極膜。另外，CVD導線也可在固定于基端部和棱錐部表面的狀態(tài)下形成。
形成這些導線后，可在納米管表面、納米管的基端部區(qū)域、導線全體形成由絕緣材料構成的涂覆被膜。通過在納米管表面形成被膜，可防止靜電方式的短路。同時，通過配線全體的被膜形成，可保護納米鑷子全體不受短路等影響。另外，在生物體液等電解質溶液中操作納米鑷子也不會漏電。涂覆被膜的形成可利用電子束照射法和CVD法。
由于懸臂較大，所以，懸臂的電極膜與外部電源電路的連線可在光學顯微鏡或光學放大鏡下進行。外部電源電路由電源、電壓控制電路、及電開關構成。如由電壓控制回路自由調整外加電壓，則可任意調整納米鑷子前端間的開度，相應于納米物質的尺寸對納米鑷子進行開閉控制。
另外，開發(fā)出了與靜電引力方式完全不同的壓電膜方式的納米鑷子。該壓電膜方式由壓電膜的伸縮使納米管可自由撓曲，由此使納米管前端間開閉。這樣，由于在納米管間沒有電流流過，所以，不論納米物質的電物性如何，也可使納米鑷子起作用。
在該壓電膜方式中，作為納米管的支架，不限于AFM或STM(隧道顯微鏡)，可使用在寬范圍的SPM(掃描型測試顯微鏡)中使用的探針。SPM的探針與納米管相比尺寸大得多，對于固定2個納米管具有足夠的大小。最為有效的支架為上述AFM用懸臂的棱錐部。下面以該懸臂進行說明。
首先，將2根納米管的基端部固定于懸臂的棱錐部。此時，2根納米管的前端部相互接觸。即，在前端接觸的狀態(tài)下進行固定。在固定方法中，具有上述涂覆被膜法與熔化接合法。使用哪一種固定方法都可以。
然后，在2根納米管中的任1根的表面形成壓電膜。壓電膜也稱為壓電元件。具有在加電壓時收縮的性質。當改變電壓時，收縮量也變化。當壓電膜收縮時，使它所固定的納米管打開地撓曲。因此，最初納米管前端關閉，但加電壓后前端打開，在該打開狀態(tài)下把持納米物質。另外，當增大電壓使開度變大時，放出納米物質。在納米物質由分子間力的作用而不從納米管脫離時，也可在試樣與納米鑷子加電壓，進行電放出。
可在壓電膜的兩端連接納米管導線的一端，將另一端連接到另外的納米管導線，也可如上述那樣連接到懸臂的電極膜。當然，也可利用CVD導線。然后，從該電極膜連接到外部電源電路。外部電源電路由電源、電壓控制電路、及電開關構成，其作用如上所述。
也可在2根納米管形成壓電膜。在該場合，由于可通過外加電壓使2根納米管撓曲，所以，可將納米管前端開度設置得更大，使納米鑷子高性能化。
可考慮不在納米管表面形成壓電膜，而是形成在棱錐部表面的場合。例如由聚焦離子束裝置刻入棱錐部，隔著刻入部分割成2個棱錐片。各棱錐片具有撓性地調整厚度。在1個棱錐片凸設1根納米管，使前端接觸地凸設共2個納米管。在一方或兩方的棱錐片的側面形成壓電膜，與上述同樣地在壓電膜的兩端加電壓，使壓電膜收縮。由該收縮使棱錐片撓曲，打開納米管前端。然后，通過把持、放出納米物質作為納米鑷子使用。
作為第3發(fā)明，不論為靜電引力方式還是為壓電膜方式，用于納米鑷子的納米管都可由2根以上構成。例如，當使用3根納米管時，由該3根把持納米物質。
在3根納米管方式中，可開閉3根，也可由靜電引力方式對3根中的2根進行開閉控制。另外，也可在2根形成壓電膜，對2根進行開閉控制。在對3根中的2根進行開閉控制的場合，余下的1根作為輔助納米管使用。在3根納米管方式中，由于用3根把持納米物質，所以，可使球狀、桿狀等多種形狀的納米物質的把持可靠化。特別是在3根靜電方式中，2根為相同極性，1根為不同極性，這樣，3根由靜電引力拉在一起，所以，可確實地把持異形納米物質。
在壓電膜方式中，由于用導線外加電壓，所以，當由絕緣物質對壓電膜的表面和導線進行涂覆時，短路的危險性消失。因此，在電解質溶液內也可進行納米鑷子操作。
作為本發(fā)明的納米管，不僅可利用導電性的碳納米管，而且也可利用絕緣性的BCN系納米管和BN系納米管等一般的納米管。碳納米管也簡稱為CNT，利用碳棒的電弧放電制造。BCN系納米管通過將CNT的C原子的一部分置換成B原子和N原子而獲得。BN系納米管是將幾乎的C原子置換為B原子和N原子。作為置換方法開發(fā)了各種方法。在導電性納米管中，包含碳納米管和在周圍形成導電性被膜的絕緣性納米管。
圖2為本發(fā)明納米鑷子的第1實施形式的示意正視圖。
圖3為將第一實施例的納米鑷子與試樣相向配置的示意透視圖。
圖4為把持納米物質的第1實施形式的納米鑷子的示意正視圖。
圖5為本發(fā)明的納米機械手裝置的示意構成圖。
圖6為本發(fā)明納米鑷子的第2實施形式的示意正視圖。
圖7為與試樣相向地配置第2實施形式的納米鑷子的示意透視圖。
圖8為把持著納米物質的第2實施形式的納米鑷子的示意正視圖。
圖9為具有棱錐部的懸臂4要部透視圖。
圖10為本發(fā)明納米鑷子的第3實施形式的示意正視圖。
圖11為把持著納米物質的第3實施形式的納米鑷子的示意正視圖。
圖12為本發(fā)明的納米鑷子(靜電納米鑷子)的第4實施形式的示意透視圖。
圖13為把持著球狀納米物質的第4實施形式的作用說明圖。
圖14為把持著桿狀納米物質的第4實施形式的作用說明圖。
圖15為使用第4實施形式的靜電鑷子的機械手裝置的作動說明圖。
圖16為現有的進行了錐形加工后的玻璃管前端的側面圖。
圖17為現有納米鑷子的示意說明圖。
圖18為在現有納米鑷子加電壓的示意圖。
2根納米管8、9接近試樣14地進行配置，在該試樣14的表面配置各種多個納米物質16。納米管8從納米管9朝下方長長地凸起設置。因此，納米管8也可用作AFM用的探針。首先，由3維驅動機構17使該納米管8作為AFM探針進行掃描，確認應把持的納米物質16的位置和形狀。
納米管8、9通過加上電壓進行開閉控制，根據電壓的大小使開度可變。因此，打開納米管8、9把持由AFM作出了判斷的納米物質16，在該狀態(tài)下由3維驅動裝置D沿箭頭方向移動到納米回路部18，進一步打開納米管8、9，放出納米物質16。在納米物質因范德瓦斯力的作用而不從納米管脫離的場合，也可在納米鑷子與納米電路間加上電壓，由靜電引力放出納米物質。通過將納米物質16放出到納米回路部18的適當位置，可將納米電路18組裝成所希望的構造。
圖2-圖4示出本發(fā)明的納米鑷子的第1實施形式。圖2為納米鑷子2的示意正視圖。在棱錐部6的前端固定基端部8b、9b地配置細長的納米管8和短粗的納米管9。納米管的前端部8a從前端部9a朝下方長長地凸起設置，前端部8a可用作AFM用探針地進行設定。
上述基端部8b、9b通過電子束對周邊的照射由涂覆被膜11、11覆蓋固定。另外，在基端部8b、9b的上端將納米管作為導線10、10連線，該導線10、10的另一端連接到圖12的電極12、12。最后，在納米導線10、10的表面也形成涂覆被膜11、11，將這些導線固定到棱錐部6。涂覆被膜11由剖面線表示。
圖3為將納米鑷子2與試樣14相向配置的示意透視圖。試樣14表面上的凹凸表示表面原子。納米管8的前端部8a由于從納米管9的前端部9a朝下方凸出，所以，可將前端部8a作為AFM探針檢測表面原子的凹凸構造。例如，可檢測出置于試樣14上的納米物質的位置和形狀。
圖4為把持納米物質16的納米鑷子2的示意正面圖。從導線10、10在納米管8、9加直流電壓。在前端部8a、9a積蓄正負電荷，由該正負電荷的靜電引力使前端部8a、9a以與所加電壓相應的開度關閉，在其間把持納米物質16。納米物質16為在圖3中由AFM探測的納米物質。
圖5為本發(fā)明的納米機械手裝置的示意構成圖。如上述那樣，納米鑷子2由懸臂4、基底5、棱錐部6、及納米管8、9構成。試樣14由3維驅動機構17沿3維方向驅動，該3維驅動機構17由壓電元件構成。即，驅動試樣側，在試樣14的表面上沿XYZ方向驅動納米管8、9。當然，也可直接對納米鑷子2進行3維驅動?？上鄬Φ貙{米鑷子2和試樣14進行3維驅動很重要。
符號20為半導體激光裝置，符號22為反射鏡，符號24為雙瓣光檢測器，符號26為Z軸檢測電路，符號28為顯示裝置，符號30為XYZ掃描回路。
使納米管8、9沿Z軸方向接近試樣14直到到達規(guī)定的斥力位置，把持所需納米物質16。之后，由XYZ掃描電路30使3維驅動機構17掃描，將納米管8、9移動到規(guī)定位置。在該移動過程中，需要將納米管8、9與試樣表面離開的位置保持一定，所以，需要使納米管受到的斥力時常為一定地沿Z軸方向對納米管進行位置控制。為此，由懸臂4使激光束LB反射，通過反射鏡22導入至雙瓣光檢測器24，一邊檢測朝向上下檢測器24a、24b的偏向，一邊進行Z軸控制。
由Z軸檢測回路26檢測出Z位置，由XYZ掃描回路30檢測XY位置，將這些位置信息顯示到顯示裝置28。即，在該顯示裝置28顯示試樣表面的凹凸圖象。將納米管8、9移動到規(guī)定位置，然后，打開納米管8、9，將把持的納米物質16放出到試樣表面。反復進行該操作，在規(guī)定場所組裝多個納米物質，例如構成納米回路18。如對納米管8進行AFM操作，也可將納米回路18的全體形狀攝到顯示裝置28。因此，本發(fā)明的納米機械手裝置為可自由構成納米世界的納米機器人。該納米機械手裝置可在包括真空、大氣的多種氣氛中使用，另外，可在電子顯微鏡等裝置內如機器人的手那樣進行操作。第2實施形式(2根式壓電膜納米鑷子)圖6-圖8示出本發(fā)明的納米鑷子的第2實施形式。圖6為該納米鑷子2的示意正視圖。納米管8、9的前端部8a、9a在其前端接觸地由涂覆被膜11、11將基端部8b、9b固定于棱錐部6。在納米管9的前端部9a的表面上形成壓電膜32，在其上端32a和下端32b連接納米管導線10a、10b。納米管導線10a、10b由點狀的涂覆膜13、13將其中間點固定到棱錐部6。
圖7為與試樣14相向地配置納米鑷子2的示意透視圖。納米管導線10a、10b的另一端10c、10d固定在懸臂4的電極12、12上。在電極12、12連接電開關SW、電源P、電壓控制回路VC。壓電膜32通過在兩端加電壓而收縮，收縮量隨所加電壓而增加。
首先，在關閉納米管前端的狀態(tài)下對試樣14的表面進行AFM操作，檢測應把持的納米物質的位置和形狀。
圖8為把持納米物質16的納米鑷子2的示意正視圖。當接通電開關SW從而在壓電膜32加電壓時，隨著壓電膜32的收縮，納米管9撓曲，納米管8、9之間打開，把持成為對象的納米物質16。納米電路18的組裝與圖1同樣，省略說明。
在絕緣覆蓋納米鑷子的壓電膜的場合，即使加電壓，也不短路，如對導線也進行絕緣被覆，則在電解質溶液中也可進行納米鑷子操作。第3實施形式(2根式棱錐片壓電膜納米鑷子)圖9-圖11示出本發(fā)明的納米鑷子的第3實施形式。圖9為具有棱錐部6的懸臂4的要部透視圖。該懸臂4一般用于AFM測定，棱錐部6形成為一塊。該棱錐部6例如由聚焦離子束裝置刻設2等分成2個棱錐片6a、6b，可撓曲地形成這些棱錐片6a、6b。
圖10為該納米鑷子2的示意正視圖。棱錐片6a、6b隔開間隙6c從根部6d可撓曲地相對。納米管8、9的前端部8a、9a以其前端接觸地由涂覆被膜11、11將基端部8b、9b分別固定于棱錐片6a、6b。在棱錐片6a的側面形成壓電膜32，在其上端32a和下端32b連接納米管導線10a、10b。這些納米管導線10a、10b通過懸臂4的電極12、12連接到與第2實施形式同樣的電源回路。
首先，在關閉納米管前端的狀態(tài)下對試樣14的表面進行AFM操作，檢測應把持的納米物質的位置和形狀。
圖11為把持納米物質16的納米鑷子2的示意正視圖。當接通電開關SW從而在壓電膜32加電壓時，隨著壓電膜32的收縮，棱錐片6a撓曲，納米管的前端部8a、9a間打開，把持檢測到的納米物質16。使用納米機械手裝置的納米回路18的組裝與圖1同樣，省略說明。
在上述實施形式中，納米管和棱錐片為2根構成，但也可為這以上的多根構成。另外，也可不將壓電膜僅形成1個納米管或棱錐片，而是形成相對的2個。
在懸臂部104的上平面和側面形成所需寬度的3個電極膜112、113、114，這些電極膜的終端延伸形成到凸出部106的上述前端面106a和側面106b、106c。在這些前端面106a和側面106b、106c分別由涂覆膜116、117、118的覆蓋固定導電性納米管108、109、110的基端部108b、109b、110b。
通過該固定，導電性納米管108、109、110分別以電導通狀態(tài)設定于電極膜112、113、114。導電性納米管108、109、110的前端部108a、109a、110a突出到凸出部106的凸出端106e的下方，這些前端部108a、109a、110a構成納米管把持部111，成為可把持和放出作為材料的納米物質的作業(yè)爪。這樣，在懸臂102上形成納米管把持部111，構成本發(fā)明的靜電納米鑷子120。
該實施形式的電表納米鑷子的特征在于由3個以上的納米管構成納米管把持部111。在該實施形式中，納米管為3根，由該3根爪可包入地把持納米物質進行把持。即，由2根納米管只能進行不穩(wěn)定的把持，而通過形成為3根，則可穩(wěn)定確實地把持任意形狀的納米物質。特別是可可靠地把持球狀納米物質和桿狀納米物質。
在該靜電納米鑷子120的電極膜112、113、114的后端部通過觸點112a、113a、114a連接控制回路121。該控制回路121由可變直流電源122、地線124、及開關126構成，上述觸點113a、114a連接到地線側，觸點112a連接到高電位側。因此，電極膜112為正極，電極膜113、114作為負極起作用。
如上述那樣，納米管具有導電性碳納米管、絕緣性的BN系納米管(氮化硼)、或BCN系納米管(碳化硼)等。用于該實施形式的導電性納米管只要為具有導電性的納米管則可，所以，可使用由導電性納米管或導電材料覆蓋表面的絕緣性納米管。覆蓋用導電材料主要使用金屬材料較合適。
下面以碳納米管為例說明導電性納米管。碳納米管的直徑為1nm-數十nm，長度在納米級到微米級分布，其縱橫尺寸比(長度/直徑)達到1000以上。另外，碳納米管具有高度的柔軟性和強韌性，所以，適合作為開閉其前端以把持和放出納米物質的材料。
在上述實施形式中使用的懸臂102借用在原子間力顯微鏡(AFM)中使用的懸臂探針。該懸臂探針以硅和氮化硅作為其材料，使用半導體平整機(プラナ一)技術加工形成。因此，與現有玻璃制品相比，強度高，耐久性優(yōu)良。但是，在該實施形式中，不對凸出部106的凸出端106e進行尖銳加工，形成為平時面。即，不將凸出部106用作探針，而是用作導電性納米管的固定用支架。
為了形成涂覆膜116、117、118，在電子顯微鏡內由電子束分解有機氣體，將其分解堆積物用作涂覆膜。在有機氣體為烴類氣體的場合，涂覆膜為碳膜，在有機氣體為金屬有機氣體的場合，涂覆膜為金屬膜。金屬膜的場合下，導電性納米管108、109、110與電極膜112、113、114的導通性更可靠。
作為將納米管基端部固定于凸出部的另一方法，也可一體地由電子束照射或通電加熱熔接納米管基端部，與凸出部一體地固定。如并用涂覆被膜和熔接，則可強有力地固定納米管，防止納米管的脫落，提高靜電納米鑷子的耐久性。
圖13為把持球狀納米物質的上述實施形式的作用說明圖。首先，將導電性納米管108的長度設定得比其它導電性納米管109、110稍長，使前端部108a比其它前端部109a、110a更朝下方凸出地配置。將該導電性納米管108的前端部108a用作探針，由AFM掃描檢測確認試樣面上的球狀納米物質128的場所和位置。
然后，將球狀納米物質128內包于3根前端部108a、109a、110a的中心部地使納米管把持部111朝下移動，接觸試樣面。在該狀態(tài)下接通開關126時，通過電極膜112、113、114對導電性納米管108、109、110的前端部108a、109a、110a加上電壓。即，前端部108a為正極，前端部109a、110a為陰極。在正極積蓄正電荷，在負極積蓄負電荷，所以，兩電極在靜電引力的作用下朝內方撓曲，納米管把持部111把持球狀納米物質128并關閉。當斷開開關126時，靜電引力消失，由納米管的彈性恢復力將納米管把持部111打開，放出球狀納米物質128。
圖14為把持著桿狀納米物質的上述實施形式的作用說明圖。首先，將導電性納米管108的前端部108a用作探針，由AFM操作對試樣面上的桿狀納米物質130的場所和位置進行檢測確認。
然后，將桿狀納米物質130配置到3根的前端部108a、109a、110a間地使納米管把持部111朝下移動，接觸于試樣面。在該狀態(tài)下，接通開關126，由靜電引力關閉前端部108a、109a、110a，則從前后把持桿狀納米物質130。在該狀態(tài)下使納米管把持部111朝上移動時，桿狀納米物質130如圖所示那樣確實地被吊起。
在該實施形式中，由3根導電性納米管108、109、110構成靜電納米鑷子120的納米管把持部111。也可根據納米物質的形狀，由4根納米管構成納米管把持部111。這樣，本實施形式的靜電納米鑷子的特征在于，由3根以上的納米管的開閉把持和放出納米物質。
圖15為使用該靜電鑷子的機械手裝置的作動說明圖。在試樣132的表面存在多個成為材料的球狀納米物質128和桿狀納米物質130。首先，由靜電納米鑷子120的AFM操作檢測該原料納米物質，由納米管把持部111把持。然后，由圖中未示出的3維驅動裝置使靜電納米鑷子120朝箭頭a和箭頭b方向移動，在納米構造物134的所期望位置放出原料納米物質。通過反復進行這些操作，可將各種納米物質作為原材料在試樣132表面形成所期望的納米構造物134。
如上述那樣，導電性納米管108、109、110的閉操作由通過電極膜112、113、114加上電壓產生的靜電引力進行。其開動由于解除電壓帶來的導電性納米管的彈性回復力進行。靜電納米鑷子120的移動控制由AFM(原子間力顯微鏡)的移動控制機構實現。
為了從原材料位置到納米構造物位置對該靜電納米鑷子120進行移動控制，使用圖5所示AFM的移動控制機構。通過該移動控制機構和靜電納米鑷子120的組合構成納米機械手裝置。由于圖5已經進行了詳細說明，所以，在這里省略其說明。
將3根導電性納米管中的1根用作AFM用探針，對表面凹凸圖象進行攝像，確認原材料位置。在把持原材料后，將納米管把持部111移動到納米構造物的位置。打開納米管把持部111，將夾持來的納米物質放出到試樣表面132a。反復進行該操作，組裝納米構造物。
如由納米管把持部111的1根納米管或由3根關閉狀態(tài)下的全體進行AFM操作，也可將納米構造物的全體形狀攝到顯示裝置。因此，本實施形式的納米機械手裝置為可自由構成納米世界的納米機器人。該納米機械手裝置可在包括真空、大氣的多種環(huán)境中使用。
在上述實施形式中，作為對導電性納米管加電壓的導線電極，在懸臂桿形成所需根數的電極膜。作為其它方法，也可組合電極膜和導線，或僅由導線構成導線電極。在也可在極微小的部位將長尺寸的碳納米管等導電性納米管用作導線。納米管相互間的接合可利用熔接方式和涂覆膜方式等。熔接方式可通過電子束照射、離子束照射、電流通電加熱等方法進行。
本實施形式為可由導電性納米管間的靜電力把持納米物質的靜電納米鑷子。因此，在要把持的納米物質為絕緣性的場合有效，但在導電性納米物質的場合可能短路。然而，在由絕緣被膜覆蓋該導電性納米管的表面的場合，即使是把持導電性納米物質，也由于導電性納米管間不短路，所以，可有效地作為納米鑷子使用。絕緣被膜可很好地利用碳氫化合物膜，可由電子束照射在導電性納米管表面形成被膜。絕緣膜的材料和被覆方法當然可利用其它公知的材料和公知的方法。
本發(fā)明不限于上述實施形式，不脫離本發(fā)明技術思想的范圍內的各種變形例、設計變更等都包含于其技術范圍內。
產業(yè)上利用的可能性按照權利要求1的發(fā)明，由于用絕緣物質涂覆納米管的表面，所以，即使由靜電引力關閉也不短路。因此，可對所有具有電物性的物質進行夾持操作。本發(fā)明適合用于靜電引力方式的納米鑷子的整個構造。
按照權利要求2的發(fā)明，由于將AFM用的懸臂桿的棱錐部用作納米管支架，所以，納米鑷子整體的強度高，而且由于配線由納米管導線和CVD導線等構成，所以，可進行超微細的納米程度的配線，可使回路構成緊湊。
按照權利要求3的發(fā)明，由于可由壓電膜自由開閉納米管前端間地設置，所以，不論納米物質的電性質即絕緣體、半導體、導體的差別如何，都可進行把持，在不需要納米管的絕緣被覆這一點上也可比靜電引力方式進一步地提高性能。
按照權利要求4的發(fā)明，由于將懸臂桿的棱錐部用作權利要求3的支架，所以，納米鑷子全體的強度高，而且可與成為對象的納米物質的電性質無關地把持所有物質，從而可提供具有廣泛應用性的納米鑷子。
按照權利要求5的發(fā)明，作為在納米管形成壓電膜的替代方式，在尺寸較大的棱錐片形成壓電膜，所以，壓電膜的形成容易。這樣，壓電膜的尺寸也變大，所以，納米管導線在壓電膜的連線等的作業(yè)性也可改善。
按照權利要求6的發(fā)明，由于將3根以上的導電性納米管用作把持納米物質的構件，所以，可穩(wěn)定而且確實地把持扁平的納米物質及球狀納米物質或桿狀納米物質等任意形狀的納米物質。而且，導電性納米管的開閉可由加電壓產生的靜電引力和解除電壓產生的彈性恢復力進行，所以，開閉操作簡單，可容易地把持、移動、和放出納米物質。
按照權利要求7的發(fā)明，由于使用在AFM測定中使用的半導體制的懸臂桿，所以，可提供具有耐久性的高強度的靜電納米鑷子。
按照權利要求8的發(fā)明，由于設置有朝XYZ方向相對試樣對納米鑷子進行移動控制的3維驅動機構，所以，可提供能夠由納米鑷子或靜電納米鑷子把持納米物質將其移動到所期望位置從而組裝成任意形狀的納米構造物的納米機械手裝置。
按照權利要求9的發(fā)明，由于將從構成靜電納米鑷子的3個以上的導電性納米管中選擇的1根納米管用作掃描型檢測顯微鏡的探針，所以，可實現能夠檢測試樣表面的物性信息的納米機械手裝置。另外，如使用該納米機械手裝置，則具有可一邊確認其納米物質的形狀一邊進行納米物質的把持、移動和放出等優(yōu)良的功能。
權利要求
1.一種納米鑷子，其特征在于由在支架上固定地凸設基端部的多個納米管、對這些納米管表面進行絕緣覆蓋的涂覆被膜、及連接于其中2根納米管的導線構成，通過在該導線間外加電壓，可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉。
2.一種納米鑷子，其特征在于由凸設于懸臂上的棱錐部、在該棱錐部上固定地凸設基端部的多個納米管、及連接于其中2根納米管的導線構成，通過在該導線間外加電壓，可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉。
3.一種納米鑷子，其特征在于由在支架上固定地凸設基端部的多個納米管和形成于其中至少1根納米管表面的壓電膜構成，通過在該壓電膜外加電壓，使壓電膜伸縮，可使上述納米管的前端間自由開閉。
4.根據權利要求3所述的納米鑷子，其特征在于上述支架為懸臂的棱錐部。
5.一種納米鑷子，其特征在于由構成懸臂的棱錐部的可變形的多個棱錐片、固定于該棱錐片前端的納米管、及形成于至少1個棱錐片的側面的壓電膜構成，通過在該壓電膜上外加電壓，使壓電膜伸縮，可使棱錐片自由撓曲地開閉納米管的前端間。
6.一種靜電納米鑷子，其特征在于由在支架上固定地凸設基端部的3個以上的納米管和分別連接于其中至少3根以上納米管上的導線電極構成，通過在這些導線電極間外加電壓，可由其靜電力使上述納米管的前端間自由開閉。
7.一種靜電納米鑷子，其特征在于由在支架上凸設的凸出部、在該凸出部上固定地凸設基端部的3個以上的納米管、及分別連接于其中至少3根以上納米管的導線電極構成，通過在這些導線電極間外加電壓，可由靜電力使上述納米管的前端間自由開閉。
8.一種納米機械手裝置，特征在于由權利要求1、2、3、4、5、6、或7所述的納米鑷子和相對試樣朝XYZ方向相對該納米鑷子進行移動控制的3維驅動機構構成，進行由納米鑷子將納米物質輸送到試樣的控制。
9.根據權利要求8所述的納米機械手裝置，其特征在于使用構成納米鑷子的至少1根納米管作為掃描型探針顯微鏡的探針。
全文摘要
靜電方式的納米鑷子2的特征在于:由在棱錐部6固定地凸設基端部的多個納米管、對這些納米管表面進行絕緣覆蓋的涂覆被膜、及連接于其中2根納米管8、9的導線10、10構成,通過在該導線間加電壓,可由靜電引力使上述2根納米管的前端間自由開閉,在其間把持納米物質。另外,如在納米管9的表面形成壓電膜32,使壓電膜伸縮,可自由開閉上述納米管的前端間,則不論是絕緣體、半導體、導電體,都可對任意的納米物質進行處理。另外,如以靜電方式自由開閉3根納米管,則可處理球狀、桿狀等任意形狀的納米物質。另外,與3維驅動機構進行組合構成納米機械手,可容易地進行納米物質的把持、移動、放出。
文檔編號B81B7/00GK1364141SQ01800473
公開日2002年8月14日 申請日期2001年3月8日 優(yōu)先權日2000年3月8日
發(fā)明者中山喜萬, 秋田成司, 原田昭雄, 大川隆 申請人:大研化學工業(yè)株式會社, 中山喜萬