專利名稱：一種制作納米尖錐的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制作技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制作納米尖錐的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，一般采用微納加工、電化學腐蝕、化學腐蝕、離子束加工等方法制作納米尖錐，其中又以微納加工和電化學腐蝕方法應(yīng)用較為廣泛。微納加工方法多用于陣列式的納米尖錐制作，如陣列式電子槍等的制作；這種方法最大的優(yōu)勢在于和現(xiàn)代的IC工藝兼容，如硅基尖錐的制備，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大面積制作。但微納加工方法涉及的工藝一般比較復(fù)雜，成本很高，因而難以得到廣泛應(yīng)用，并且制作出來的尖錐一旦損壞就難以修復(fù)，受損之處有可能導(dǎo)致整個器件的失效。而電化學腐蝕方法多用于場致電子發(fā)射顯微鏡電子槍、原子力顯微鏡探針等的制作上；這種方法利用絲狀的導(dǎo)電材料在普通的刻蝕溶液，如氫氧化鈉溶液，發(fā)生電化學反應(yīng)，利用塊體材料制作出納米級別的尖錐，制作設(shè)備和工藝簡單，成本低廉。然而電化學腐蝕方法需要經(jīng)過電化學反應(yīng)，因此對原材料的性質(zhì)、形狀和尺寸等都有較嚴格的限制，所以這種方法局限于某些特定的領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種制作納米尖錐的方法，采用場致電子發(fā)射技術(shù)，具有原位處理、可控的特點，因而尖錐損壞后容易修復(fù)，可廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)一種制作納米尖錐的方法，其特征在于包括以下步驟a).將陰極材料和陽極材料分別固定在相對距離可調(diào)的兩個位置，使陰極材料與陽極材料相距一定的微米級距離，其中陰極材料靠近陽極材料的一端的橫截面積為微米尺度；b).在陰極材料和陽極材料上施加電壓，使兩者之間形成一個電場，誘導(dǎo)陰極材料發(fā)射電子；c).待陰極材料的發(fā)射電流所產(chǎn)生的焦耳熱使陰極材料頂端熔化，所形成的熔融體在電場作用下向陰極材料的頂端遷移后，切斷電壓源，熔融體冷卻后形成納米尖錐。
上述步驟b)中的電壓通過控制電壓源而遞增，使陰極材料發(fā)射電子形成的發(fā)射電流隨電壓升高而增大。
上述陰極材料固定在四維樣品臺上，陽極材料固定在三維操作臺上，四維樣品臺與三維操作臺之間的距離可以調(diào)節(jié)，使陰極材料與陽極材料相距若干微米。
上述陰極材料與陽極材料相距2微米。
上述電壓從0V開始以1V/s的速率遞增。
上述陰極材料為導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體材料，陽極材料為導(dǎo)電材料。
上述陰極材料為氧化鋅微米棒。
上述陽極材料為鎢微納米針尖。
上述氧化鋅微米棒生長在硅基片上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的制作納米尖錐的方法，采用場致電子發(fā)射技術(shù)，通過對橫截面積為微米尺度的陰極材料結(jié)構(gòu)進行場發(fā)射處理，在其頂端形成納米尖錐結(jié)構(gòu)。它是一種原位處理、定點、分立的制備過程，可以克服目前在微觀結(jié)構(gòu)上進行原位、定點制作的困難，在微納結(jié)構(gòu)制作和修復(fù)方面具有一定的應(yīng)用價值。例如目前微納米組裝后獲得的結(jié)構(gòu)通常是昂貴的，這些結(jié)構(gòu)一旦遭到破壞，往往難以修復(fù)；利用本發(fā)明所公開的制作方法，可以對遭破壞的微納米尖錐結(jié)構(gòu)進行原位修復(fù)，提高了產(chǎn)品的重復(fù)利用率。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2a為在陰極材料頂端制作出納米尖錐之前的示意圖；圖2b為在陰極材料頂端制作出納米尖錐之后的示意圖；圖3至圖5為用電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)觀察制作納米尖錐過程的掃描圖。
具體實施例方式
實施例1如圖1、圖2a、2b所示，本發(fā)明采用氧化鋅微米棒1作為陰極材料，采用鎢微納米針尖2作為陽極材料。氧化鋅微米棒1生長在硅基片上且固定在四維(XYZ方向平移和旋轉(zhuǎn))樣品臺上，而鎢微納米針尖2固定在三維(XYZ方向平移)操作臺上，四維樣品臺與三維操作臺之間的距離可以調(diào)節(jié)到1～5微米，同時利用顯微工具進行監(jiān)控。本實施例中，調(diào)節(jié)四維樣品臺與三維操作臺的距離使陰極材料與陽極材料相距2微米。
本發(fā)明的具體工藝步驟如下第一步，將氧化鋅微米棒1與鎢微納米針尖2分別固定在四維樣品臺和三維操作臺上，調(diào)整樣品臺與操作臺的距離，使氧化鋅微米棒1與鎢微納米針尖2相距2微米。
第二步，在氧化鋅微米棒1與鎢微納米針尖2上施加電壓，使氧化鋅微米棒1與鎢微納米針尖2之間形成一個電場，誘導(dǎo)氧化鋅微米棒1發(fā)射電子?？刂齐妷涸词辜釉谘趸\微米棒與鎢微納米針尖上的電壓從0V開始以1V/s的速率遞增到100～500V，使氧化鋅微米棒發(fā)射電子形成的發(fā)射電流隨電壓升高而增大。使電壓緩慢增大的好處是，有利于監(jiān)控場致發(fā)射電流產(chǎn)生的焦耳熱熔化氧化鋅頂端的過程，防止熔融體過度液化，從而獲得較為理想的納米尖錐。
第三步，待氧化鋅微米棒1的發(fā)射電流所產(chǎn)生的焦耳熱使陰極材料頂端熔化，所形成的熔融體在電場作用下向氧化鋅微米棒1的頂端遷移后，切斷電壓源，熔融體冷卻后形成曲率半徑為納米級的尖錐11。
采用實施例1實施本發(fā)明時，可以采用其它導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體材料代替氧化鋅微米棒1作為陰極材料，只要陰極材料靠近陽極材料的一端的橫截面積為微米尺度(即0.1～100微米)即可；同理也可以采用其它針尖型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料代替鎢微納米針尖2作為陽極材料。當采用其它合適的材料作為陰極材料、陽極材料時，加在陰極材料與陽極材料上的電壓大小可做適應(yīng)性的改變。
利用本發(fā)明提供的場致電子發(fā)射技術(shù)制作納米尖錐的方法，獲得的納米尖錐用電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)進行掃描分析，如圖3至圖5所示。圖3是將氧化鋅微米棒制作成納米尖錐前的SEM圖，圖4是制作成納米尖錐后的SEM圖，圖5是采用本發(fā)明制作的納米尖錐的TEM圖。由圖3至圖5可得，本發(fā)明可以利用尺寸較大的微米結(jié)構(gòu)，原位制作納米尖錐，且可通過控制施加電壓時間及電壓大小控制納米尖錐。
實施例2本實施例原理、工藝步驟與實施例1的相同，所不同的是采用平板型結(jié)構(gòu)的陽極材料，而非針尖型的；陰極材料與陽極材料之間的距離為200～600微米；加在陰極材料與陽極材料之間的電壓從0V以1V/s的速度遞增到1000～5000V。本實施例與實施例1的相同之處在此不贅述。
權(quán)利要求
1.一種制作納米尖錐的方法，其特征在于包括以下步驟a).將陰極材料和陽極材料分別固定在相對距離可調(diào)的兩個位置，使陰極材料與陽極材料相距一定的微米級距離，其中陰極材料靠近陽極材料的一端的橫截面積為微米尺度；b).在陰極材料和陽極材料上施加電壓，使兩者之間形成一個電場，誘導(dǎo)陰極材料向陽極材料發(fā)射電子；c).待陰極材料的發(fā)射電流所產(chǎn)生的焦耳熱使陰極材料頂端熔化，所形成的熔融體在電場作用下向陰極材料的頂端遷移后，切斷電壓源，熔融體冷卻后形成納米尖錐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于控制電壓源使所述步驟b)中的電壓遞增，使陰極材料發(fā)射電子形成的發(fā)射電流隨電壓升高而增大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于所述陰極材料固定在四維樣品臺上，陽極材料固定在三維操作臺上，四維樣品臺與三維操作臺之間的距離可以調(diào)節(jié)，使陰極材料與陽極材料相距一定的微米級距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于所述步驟a)中的陽極材料為針尖型結(jié)構(gòu)，陰極材料與陽極材料相距1～5微米，控制電壓源使所述步驟b)中的電壓遞增到100～500V。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于所述步驟a)中的陽極材料為平板型結(jié)構(gòu)，陰極材料與陽極材料相距200～600微米，控制電壓源使所述步驟b)中的電壓遞增到1000～5000V。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于所述陰極材料與陽極材料相距2微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于所述電壓從0V開始以1V/s的速率遞增。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于所述陰極材料為導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體材料，陽極材料為導(dǎo)電材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制作納米尖錐的方法，其特征在于所述陰極材料為氧化鋅微米棒，陽極材料為鎢微納米針尖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作納米尖錐的方法，其特征在于首先將陰極材料與陽極材料固定在相距微米級距離的位置上，然后給陰極材料和陽極材料加上電壓，使陰極材料與陽極材料之間形成電場誘導(dǎo)陰極材料向陽極材料發(fā)射電子，待陰極材料的發(fā)射電流所產(chǎn)生的焦耳熱使陰極材料頂端熔化，所形成的熔融體在電場作用下向陰極材料的頂端遷移后，切斷電壓源，熔融體冷卻后形成納米尖錐。本發(fā)明是一種原位處理、定點、分立的制備過程，可以克服目前在微觀結(jié)構(gòu)上進行原位、定點制作的困難，在微納結(jié)構(gòu)制作和修復(fù)方面具有一定的應(yīng)用價值。
文檔編號B82B3/00GK101049906SQ20071002793
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月9日
發(fā)明者許寧生, 余峻聰, 肖志明, 鄧少芝, 陳軍 申請人:中山大學